[发明专利]一种基于协作组的无线传感器网络虚拟MIMO通信策略

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟MIMO通信，具体说的是一种基于协作组的无线传感器网络虚拟MIMO通信策略。

背景技术

近些年来，随着通信技术的不断发展，MIMO技术被越来越多的通信系统所采用。MIMO技术可以成倍地提高无线信道容量、增加传输距离、减少误比特率和通信能耗[1]。由于无线传感器网络节点的体积一般比较小，在单个节点上无法安装多天线，因此MIMO技术不能直接应用到无线传感器网络中。为了使MIMO技术应用到无线传感器网络中，研究人员将协作通信与MIMO技术结合，提出了虚拟MIMO技术。虚拟MIMO的基本思想是若干个单天线节点通过共享天线来实现虚拟多天线系统。虚拟MIMO可以使无线传感器网络获得类似于MIMO的通信效果，对整个网络的通信能耗和可靠性都有很大的改善。

文献[2]中，Cui等人提出了一种基于Alamouti编码的无线传感器网络虚拟MIMO传输方案，分析了网络的能耗和数据传播时延，并在相同误码率要求下讨论了基于虚拟MIMO技术传输单位比特的总耗能。其研究表明，从能量有效性和数据传递时延综合考虑，虚拟MIMO比SISO更适合于长距离的数据传递。文献[3]在文献[2]研究的基础上，分析了传递距离、调制方式、路径衰减指数以及控制开销等参数对虚拟MIMO的能效和时延性能的影响，进一步证明：选择合适的参数，虚拟MIMO通信比SISO通信更加节能。文献[4]将V-BLAST空时编码引入到虚拟MIMO通信结构中，避免了发送端协作节点间的合作编码过程，进一步改善了能量效率；文献[5]中将虚拟MIMO通信与多跳SISO通信的能耗进行了比较，结果表明这两种通信方式的能效性依赖于网络节点的密度、无线信道的状态以及到汇聚节点Sink的距离，在一定的参数范围内，虚拟MIMO的通信方式要优于多跳SISO通信方式。文献[6]中，Rafique等人将虚拟MIMO与多载波调制进行结合，分析了不同调制方式对虚拟MIMO通信的影响，并通过仿真实验证明BPSK-WOFDM是未来高数据速率和高能效无线传感器网络中一种很有前途的多载波调制方案。文献[7]中，Marwan等人提出了一种新的虚拟MIMO通信策略，称为CMIMO（cooperative MIMO）。CMIMO将网络进行分簇，每个簇选举出两个簇头，利用两个簇头形成虚拟多天线系统，并结合相应的能量管理方案和路由协议实现了高效的多跳虚拟MIMO传输。实验结果证明CMIMO能够显著减少通信能耗和延长网络寿命。文献[8]将分级聚类算法引入到基于虚拟MIMO的无线传感器网络中，提出了一种具有分级特性的分簇方案。利用该分簇方案完成分簇的无线传感器网络在进行多跳传输时可以方便的确定最佳的路由路径。文中的实验结果表明采用该分簇方案后，无线传感器网络在进行多跳虚拟MIMO传输时，可以有效地减少跳数，节省通信能耗，延长网络寿命。

现有关于无线传感器网络虚拟MIMO通信的研究大都是通过改进协作发送过程来提高通信能效[7-11]，而在这之前的簇内通信过程基本都是信源节点将数据发送给簇头，然后簇头将收集的数据转发给自己的协作节点。在这个过程中信源数据被转发了两次，这样一来就增加了簇内通信的能耗。针对这个问题，本文提出了一种基于协作组的虚拟MIMO通信策略，称为GCMIMO (Group Collaboration MIMO)。GCMIMO利用协作组直接发送信源数据，不需要簇头收集成员节点的信源数据，从而就减少了信源数据的转发次数，提高了簇内通信阶段的能效。

[1] Medhi N, Sarma N. Mobility Aided Cooperative MIMO Transmission in Wireless Sensor Networks [J], Procedia Technology. 2012: 362-370.

[2] Cui S , Goldsmith J, Bahai A. Energy-efficiency of MIMO and cooperative MIMO techniques in sensor networks [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2004:1089-1098.