協(xié)作式虛擬mimo傳輸策略能耗分析

協(xié)作式虛擬mimo傳輸策略能耗分析

1協(xié)作式虛擬mimo傳輸策略無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境的互動(dòng)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般網(wǎng)絡(luò)，因此網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作受到環(huán)境影響?？紤]到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、城市建筑環(huán)境等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的通信通道容易擾動(dòng)。此外，由于色散、繞射和散射等傳播路徑在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的通信路徑中存在多徑衰落現(xiàn)象。因此，僅僅依靠能量、帶寬和處理能力有限的單個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)法通信是困難的，無(wú)法最小化能耗。MIMO(Multi-InputMulti-Output)技術(shù)是無(wú)線通信領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù),在近幾年成為國(guó)內(nèi)外通信研究的熱點(diǎn),它可以有效利用隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播,提高通信系統(tǒng)容量以及頻譜利用率.MIMO技術(shù)包括各種空時(shí)編碼方案、分層空時(shí)架構(gòu)、系統(tǒng)容量、以及調(diào)制技術(shù)等.研究顯示,在同等傳輸功率以及誤碼率性能要求下,多入多出(MIMO)系統(tǒng)相對(duì)于單入單出(SISO)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)能夠支持更高的數(shù)據(jù)傳輸率.換一個(gè)觀點(diǎn),如果在同等的系統(tǒng)吞吐量的要求下,MIMO系統(tǒng)能比SISO系統(tǒng)節(jié)省更多的傳輸能耗.但是將MIMO技術(shù)直接應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)似乎是不可能的,因?yàn)镸IMO技術(shù)需要在發(fā)射端和接收端安裝多個(gè)天線,同時(shí)發(fā)送接收電路也相對(duì)較復(fù)雜,而這對(duì)體積小,造價(jià)低的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)而言是不實(shí)際的.然而考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)高密度的特性,如果能夠允許多個(gè)單天線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作式信息處理和傳輸,構(gòu)成一個(gè)虛擬MIMO域分簇(虛擬MIMO天線陣列),從而以較少的總能耗在多徑衰落環(huán)境進(jìn)行可靠的通信,那么能量受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)也可受惠于MIMO技術(shù)帶來(lái)的種種優(yōu)點(diǎn)了.協(xié)作式虛擬MIMO技術(shù)的基本思想來(lái)源于M.Dohler等人針對(duì)4G技術(shù)中的虛擬天線陣列(VAA)的研究.近幾年,若干研究者相繼提出了各種協(xié)作式虛擬MIMO傳輸策略.斯坦福大學(xué)的Cui等人在中對(duì)基于Alamouti編碼的協(xié)作式MIMO技術(shù)進(jìn)行了建模分析,分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳輸距離超過(guò)一定距離門(mén)限時(shí),協(xié)作式MIMO傳輸及接收可以極大地降低傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗和同時(shí)減少傳輸時(shí)延.考慮到空時(shí)編碼的信道訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo),Jayaweera等人重新分析論證了S.Cui所提出的結(jié)論,提出了一個(gè)更為精確的協(xié)作式MIMO能耗模型.并證明即使考慮到如上所述的額外能耗開(kāi)銷(xiāo),只要通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì),協(xié)作式虛擬MIMO技術(shù)的應(yīng)用能夠?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)通信節(jié)省大量的能量.LanemanJN在中作了一些關(guān)于分布式選取協(xié)作節(jié)點(diǎn)(虛擬天線)的初步工作.XiaohuaLi在中提出了針對(duì)基于Alamouti策略的協(xié)作式MIMO傳輸策略,重點(diǎn)考慮了當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)不同步時(shí)節(jié)點(diǎn)間相對(duì)時(shí)延問(wèn)題,及其相關(guān)信道估計(jì)算法,但該方案并沒(méi)有考慮STBC信道訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo)和協(xié)作式傳輸?shù)奶攸c(diǎn)對(duì)虛擬MIMO域生成以及協(xié)作節(jié)點(diǎn)選取的影響.在本文之前的研究工作中,Y.Yuan等人結(jié)合距離向量路由協(xié)議提出了一種多跳協(xié)作式MIMO傳輸策略,但是該策略周期性地在簇間交互路由表來(lái)使網(wǎng)絡(luò)中路由器的路由信息保持一致,這個(gè)機(jī)制浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)帶寬并引發(fā)了多余的能耗.同時(shí),在匯聚(SINK)節(jié)點(diǎn)位于傳感器節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域外時(shí),該策略的性能有較為嚴(yán)重的下降.另外,多跳路由還容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能耗分布不均(靠近SINK節(jié)點(diǎn)的區(qū)域能量消耗過(guò)快)以及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延增加等.基于此,本文綜合考慮STBC編碼訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo)以及協(xié)作式MIMO技術(shù)對(duì)分簇形成的特殊要求,提出了一種能量高效、基于分簇的協(xié)作式MIMO傳輸策略(ECCM).同時(shí),為了求解最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù),本文還提出了一個(gè)聯(lián)合虛擬MIMO域個(gè)數(shù)、協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、通信調(diào)制級(jí)數(shù)的端到端優(yōu)化模型.仿真結(jié)果顯示,對(duì)于中小規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò),通過(guò)選取合適的通信參數(shù),ECCM能夠比LEACH協(xié)議和本文之前研究所提出的多跳式MIMO策略取得更高的能量效率和更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命.2eccm策略為了討論方便,本文考慮N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)被均勻部署在M×M的方形區(qū)域內(nèi),同時(shí)本文假設(shè)所有的節(jié)點(diǎn)已完成定位,并且通過(guò)信息交互能夠獲取全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置.同時(shí)由于本文考慮的應(yīng)用場(chǎng)景是中小規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò),可以假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的通信距離都能夠滿(mǎn)足與SINK節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信(如果有需要的話).SINK節(jié)點(diǎn)(數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn))部署在傳感器節(jié)點(diǎn)區(qū)域外的任意位置,相比傳感器節(jié)點(diǎn),本文可以認(rèn)為SINK節(jié)點(diǎn)沒(méi)有任何的能量和體積限制,因此可以支持一個(gè)或多個(gè)發(fā)送/接收天線(為了簡(jiǎn)化分析,本文在本文中假設(shè)SINK節(jié)點(diǎn)只配備了一個(gè)接收天線).在分析具體的端到端傳輸能耗時(shí),本文作了如下合理的假設(shè):1.對(duì)于域內(nèi)短距離傳輸,信道模型為平方率衰落的加性高斯白噪聲信道,調(diào)制方式采取BPSK(二進(jìn)制相移鍵控);2.對(duì)于虛擬MIMO域到SINK節(jié)點(diǎn)之間的長(zhǎng)距離傳輸,信道模型為k階瑞利平衰落信道,調(diào)制方式采取MQAM(多進(jìn)制正交振幅調(diào)制);3.假設(shè)通信均處于高SNR區(qū)域;4.為了避免模型過(guò)于復(fù)雜,本文忽略了基帶信號(hào)處理模塊(包括源編碼、脈沖整形和數(shù)字調(diào)制等)的能耗以及節(jié)點(diǎn)在睡眠和瞬態(tài)下的能耗.本文所提出的ECCM協(xié)作式傳輸策略如圖1能量高效的協(xié)作式MISO傳輸策略(ECCM)所示.類(lèi)似于LEACH協(xié)議,ECCM策略的操作過(guò)程可以用回合(ROUND)的概念來(lái)描述.每個(gè)回合又可以劃分為2個(gè)階段:1.設(shè)置階段(SetupPhase):虛擬MIMO域(簇)形成,域首(簇頭)的選取、協(xié)作節(jié)點(diǎn)選取階段;2.數(shù)據(jù)傳輸階段(TransmissionPhase):域內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸融合以及虛擬MIMO域到SINK節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作式數(shù)據(jù)傳輸.具體的協(xié)議周期圖如圖2所示.在設(shè)置階段(SetupPhase),類(lèi)似于LEACH協(xié)議,區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)概率Pi(t)=kc/(N-kc*(rmodΝkc))(i=1,2,?,Ν)Nkc))(i=1,2,?,N)選出域首(簇頭),式中kc表示虛擬MIMO域的個(gè)數(shù),N表示所有節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),r表示網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到第r輪,mod為模(求余)運(yùn)算.假設(shè)虛擬MIMO域?yàn)橐杂蚴诪橹行牡膱A形區(qū)域,為了保證隨機(jī)產(chǎn)生的域首能夠較為均勻的分布在整個(gè)部署區(qū)域,任意兩個(gè)域首(i,j)之間的距離應(yīng)滿(mǎn)足:Dist(head-position[i]-head-position[j])≥2*Μ/√πkcDist(head?position[i]?head?position[j])≥2*M/πkc???√,在域首選取確定之后,它們會(huì)向所有的傳感器節(jié)點(diǎn)廣播這一消息,剩余的節(jié)點(diǎn)則根據(jù)接收到的消息自主選擇加入信號(hào)強(qiáng)度最大的虛擬MIMO域.接下來(lái)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到協(xié)作節(jié)點(diǎn)選取設(shè)置階段,各個(gè)虛擬MIMO域內(nèi)的非域首節(jié)點(diǎn)將計(jì)算自身的協(xié)作節(jié)點(diǎn)判決門(mén)限值δ并將之傳送給域首節(jié)點(diǎn),其中δ=Eremain-i/Pctos-i表示域內(nèi)某節(jié)點(diǎn)剩余能量與該節(jié)點(diǎn)到SINK節(jié)點(diǎn)的傳輸功率之比.域首節(jié)點(diǎn)此時(shí)擔(dān)負(fù)著域內(nèi)控制中心的角色,它負(fù)責(zé)從所有δ值中選取最大的前Mt個(gè)節(jié)點(diǎn)(Mt為通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得出的協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù))將成為該虛擬MIMO域的協(xié)作式發(fā)送節(jié)點(diǎn);同時(shí),域首節(jié)點(diǎn)還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)基于TDMA的域內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳輸調(diào)度策略,并將該策略廣播給域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn).在數(shù)據(jù)傳輸階段(TransmissionPhase),域內(nèi)普通的傳感器節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)已分配好的TDMA時(shí)隙調(diào)度策略將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到域首節(jié)點(diǎn).域首節(jié)點(diǎn)接著將采集到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合,然后將聚合后的數(shù)據(jù)廣播發(fā)送給域內(nèi)的Mt個(gè)協(xié)作傳輸節(jié)點(diǎn).當(dāng)所有的協(xié)作節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后,便開(kāi)始進(jìn)行分布式STBC編碼以及協(xié)作式傳輸(本文假設(shè)所有協(xié)作節(jié)點(diǎn)均已完成同步).另外,為了不失一般性,本文在本文仿真中假設(shè)所有感知節(jié)點(diǎn)(域首節(jié)點(diǎn)除外)在每回合以概率P產(chǎn)生L比特的觀測(cè)數(shù)據(jù),并將該數(shù)據(jù)以速率bB(b為MQAM的星座圖大小,B為系統(tǒng)調(diào)制帶寬)傳輸給域首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯聚.為了求解最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(b,Mt,kc),本文首先建立系統(tǒng)的總體能耗模型.根據(jù)上述分析,系統(tǒng)能耗也可被劃分為兩個(gè)部分:虛擬MIMO域內(nèi)傳輸能量消耗Elocal和虛擬MIMO域到SINK節(jié)點(diǎn)間傳輸能量消耗Ectos,其中每部分的能耗按照消耗源不同又可以被進(jìn)一步細(xì)分為電路能耗Ec和傳輸能耗Et.這樣可以得到如下:{Elocal=Et-local+Ec-localEctos=Et-ctos+Ec-ctos(1){Elocal=Et?local+Ec?localEctos=Et?ctos+Ec?ctos(1)上式中Et-local、Et-ctos分別表示域內(nèi)數(shù)據(jù)通信和虛擬MIMO域到SINK節(jié)點(diǎn)的協(xié)作式通信能耗;Ec-local、Ec-ctos分別表示域內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸和虛擬MIMO域到SINK節(jié)點(diǎn)協(xié)作式傳輸中的電路能耗.2.1域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸負(fù)荷由上節(jié)知,在虛擬MIMO域內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸階段,總能耗Elocal可表示成Elocal=Et-local+Ec-local.為了對(duì)其進(jìn)行建模,本節(jié)將進(jìn)一步分析該階段的兩個(gè)主要能耗單元:Et-local和Ec-local.根據(jù)上節(jié)的策略描述,它們又可以被分別表示成:{Et-local=Et-stoh+Et-htocEc-local=Ec-stoh+Ec-htoc(2){Et?local=Et?stoh+Et?htocEc?local=Ec?stoh+Ec?htoc(2)對(duì)于表達(dá)式Ec-local=Ec-stoh+Ec-htoc,其中Ec-stoh表示虛擬MIMO域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)匯聚到域首節(jié)點(diǎn)的總電路能耗,Ec-htoc表示域首將聚合后的數(shù)據(jù)廣播到協(xié)作傳輸節(jié)點(diǎn)的總電路能耗;對(duì)于表達(dá)式Et-local=Et-stoh+Et-htoc,其中Et-stoh表示虛擬MIMO域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)匯聚到域首節(jié)點(diǎn)的傳輸能耗,Et-htoc表示域首聚合后的數(shù)據(jù)廣播到協(xié)作傳輸節(jié)點(diǎn)的傳輸能耗.根據(jù)上節(jié)中對(duì)域內(nèi)通信方式的假設(shè),接收端平均誤碼率ˉΡP(pán)ˉˉˉb可以表示成誤差函數(shù)ˉΡb=Q√2γPˉˉˉb=Q2γ??√,該式中γ表示瞬時(shí)信噪功率比,定義為:γ=Ρr-stoh2Bσ2Νf(3)γ=Pr?stoh2Bσ2Nf(3)Pr-stoh是域首節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)功率,σ2=N0/2是常溫下AWGN信道功率普密度,Nf是接收端噪聲系數(shù).由于假設(shè)網(wǎng)絡(luò)處于高信噪比區(qū)域,應(yīng)用Chernoff上界,可以得出平均誤碼率:ˉΡb=Q(√2γ)≤e-γ(4)Pˉˉˉb=Q(2γ??√)≤e?γ(4)通過(guò)將(3)式帶入上式,并取等號(hào)近似求解,Pr-stoh可以被表示成為:Ρr-stoh=-2Bσ2Νfln(ˉΡb)(5)從而可以進(jìn)一步求得域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率Pt-stoh(節(jié)點(diǎn)到域首傳輸)為:Ρt-stoh=Ρr-stohGd=-2Bσ2Νfln(ˉΡb)×Gd(6)上式中Gd為平方率衰落因子,Gd=G1d2stohMl,其中G1為在d=1m處的功率增益因子,Ml為鏈路衰減補(bǔ)償系數(shù),dstoh為虛擬MIMO域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)到域首的平均距離.通常情況,虛擬MIMO域可能形成為任意形狀,在本文中,為了簡(jiǎn)化分析,本文假設(shè)其近似為半徑為R=(Μ/√πkc)的圓形,同時(shí)由于已假設(shè)節(jié)點(diǎn)呈均勻分布,域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)到域首的距離平方期望值可以表示成:E[d2stoh]=M2/(2πkc).考慮到采用BPSK方式,帶寬在數(shù)值上等于傳輸速率,因此傳感器節(jié)點(diǎn)i以概率P傳輸L比特?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間可以表示成Ton,i=LP/B.這樣域內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳輸總能耗可以表示成:Et-stoh=(1+α)Ν/kc-1∑i=1Ρt-stoh×Τon,i=-2(1+α)Ν/kc-1∑i=1σ2Νfln(ˉΡb)GdLΡ(7)上式中1+α=ξ/η=3η(2b/2-12b/2+1),其中α表示射頻功率放大器效用參數(shù),該值與具體的調(diào)制策略以及調(diào)制星座大小相關(guān);η為射頻放大器的漏效率參數(shù);b為調(diào)制星座大小(由于采用BPSK方式,此處b=1),ξ為PAR(Peak-to-AverageRatio)(功率)峰均比.為了有效估計(jì)接收時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的電路消耗Pct和域首節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的電路消耗Pcr,本文采用了的模型,這樣,該階段的總電路能耗可以表示成:Ec-stoh=Ν/kc-1∑i=1(Ρct+Ρcr)×Τon,i(8)域首節(jié)點(diǎn)收到所有的域內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)后,首先進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合,然后將聚合后的數(shù)據(jù)廣播到協(xié)作節(jié)點(diǎn).這一階段的能耗分析與上述步驟類(lèi)似,區(qū)別主要在于傳送的數(shù)據(jù)量不同,這里將該階段的傳輸能耗表示成Et-htoc.本文采用文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)聚合模型,域首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚合后的數(shù)據(jù)可以表示成為:Lagg=(Ν/kc-1∑i=1LΡ)/(faggΝ/kc-1∑i=1Ρ-fagg+1)(9)上式中fagg為數(shù)據(jù)聚合因子,取值在(0,1)之間.為了保證域首廣播的聚合后數(shù)據(jù)能被域內(nèi)所有的Mt個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)收到,域首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播的有效通信距離被選取為所有協(xié)作節(jié)點(diǎn)與域首節(jié)點(diǎn)之間的最大距離dmax.因此該階段的總體傳輸能耗Et-htoc可以寫(xiě)為:Et-htoc=-2(1+α)σ2Nfln(Pb)G1d2maxMlLagg(10)考慮到每個(gè)域內(nèi)通信時(shí)始終有一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)(域首節(jié)點(diǎn))和Mt個(gè)接收節(jié)點(diǎn)(協(xié)作節(jié)點(diǎn)),因此這一階段的電路能耗則可以表示成:Ec-htoc=(Ρcg+ΜtΡcr)LaggB(11)2.2數(shù)值模擬方法當(dāng)域內(nèi)所有協(xié)作節(jié)點(diǎn)均收到來(lái)自域首的聚合數(shù)據(jù)后,協(xié)作節(jié)點(diǎn)集將對(duì)聚合數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式STBC編碼和傳輸.考慮到協(xié)作節(jié)點(diǎn)到SINK節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸通常為長(zhǎng)距離傳輸,因此本文采用MQAM作為調(diào)制策略來(lái)進(jìn)一步降低傳輸時(shí)延和減少電路能耗.由于各協(xié)作節(jié)點(diǎn)并不知道與目的節(jié)點(diǎn)(sink)之間的信道平均衰落情況,同,本文采用各協(xié)作節(jié)點(diǎn)等發(fā)射功率的分配方案.另外,根據(jù)中的Free-Space鏈路傳播模型,協(xié)作節(jié)點(diǎn)與SINK節(jié)點(diǎn)間為k階(本文中k=4)瑞利平衰落信道,因此,每節(jié)點(diǎn)的發(fā)送能耗可以建模為:Ρt-ctos=ˉEbRb(4π)2dkctosΜlΝfGtGrλ2×1Μt(12)上式中,ˉEb表示在滿(mǎn)足一定BER要求下,接收端(sink)接收每比特?cái)?shù)據(jù)所需要的能耗,Rb為采用MQAM調(diào)制方式下的數(shù)據(jù)發(fā)送速率(當(dāng)調(diào)制級(jí)數(shù)b≥2時(shí),Rb=bB),dctos是協(xié)作節(jié)點(diǎn)到SINK節(jié)點(diǎn)間的平均距離,Gt為傳輸天線增益,Gr為接收天線增益,λ為載波波長(zhǎng).當(dāng)b≥2時(shí),可以得出如下關(guān)系式:ˉΡb≈4b(1-12b2)Q(√3bγb2b-1)(13)該式中,系統(tǒng)的瞬時(shí)信噪比γb可以寫(xiě)為γb=∥Η∥2FΜtˉEbΝ0?∥Η∥2F表示信道矩陣H的Frobenius范數(shù).通過(guò)應(yīng)用Chernoff上界,可以得到:ˉEb=Μt×23(ˉΡb4)-1Μt2b-1b-1Μt+1Ν0(14)根據(jù)中的鏈路換算關(guān)系式,可以計(jì)算得每個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的傳輸功率為:Ρt-ctos=ˉEbRb(4π)2dkctosΜlΝfGtGrλ2×1Μt(15)上式中,dctos表示協(xié)作節(jié)點(diǎn)與SINK節(jié)點(diǎn)間的平均距離.Rb(Rb=bB,b≥2)為采用MQAM調(diào)制方式下的數(shù)據(jù)傳輸速率.對(duì)于多天線系統(tǒng),文中的分析結(jié)果表明在通常情況下,MIMO信道訓(xùn)練碼的數(shù)量應(yīng)該與系統(tǒng)發(fā)射天線個(gè)數(shù)成比例.根據(jù)信道的慢衰落假設(shè),假設(shè)信道在一個(gè)符號(hào)集(F個(gè)符號(hào))的傳輸間隔中保持不變,同時(shí)假設(shè)在該符號(hào)集中包含有pMt個(gè)信道訓(xùn)練符,其中p是用來(lái)訓(xùn)練每個(gè)發(fā)射-接收天線對(duì)的.這樣信道有效傳輸速率Reffb可以寫(xiě)為:Reffb=(F-pMt)RRb/F,式中R表示STBC編碼速率,當(dāng)星座圖為實(shí)星座圖時(shí),對(duì)于任意天線數(shù)的正交STBC設(shè)計(jì)都存在R=1的廣義實(shí)正交設(shè)計(jì);當(dāng)星座圖為復(fù)星座圖時(shí),對(duì)于任意天線數(shù)的正交STBC設(shè)計(jì)都存在R≥0.5的廣義復(fù)正交設(shè)計(jì).這樣將聚合后的Laggbit數(shù)據(jù)協(xié)作傳輸?shù)絊INK節(jié)點(diǎn)共需要時(shí)間:TON=Lagg/Reffb(16)最后,結(jié)合式(15)和式(16)可以得出協(xié)作式MIMO傳輸所需要的能量為:Et-ctos=Μt×3η(2b/2-12b/2+1)Ρt-ctos×Lagg/Reffb(17)在本文的假設(shè)中,考慮到作為接收節(jié)點(diǎn)的SINK節(jié)點(diǎn)沒(méi)有能量限制,因此在接收端的電路消耗并沒(méi)有被考慮為系統(tǒng)總體能耗.因此,在協(xié)作式傳輸階段的總電路能耗可以表示成:Ec-ctos=Mt×PctLagg/Reffb(18)2.3eccm策略的端到端傳輸能耗優(yōu)化模型本節(jié)基于前面的能耗分析建立了一個(gè)聯(lián)合優(yōu)化模型,通過(guò)該模型,可以計(jì)算ECCM策略中待優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)參數(shù).根據(jù)式(7)(8)(10)(11)(17)(18),在ECCM策略的一個(gè)周期(ROUND)內(nèi),系統(tǒng)的總能耗可以表示為:Etotal(kc,b,Mt)=kc(Et-local+Ec-local+Et-ctos+Ec-ctos)(19)通過(guò)合并簡(jiǎn)化,很容易發(fā)現(xiàn)上式,也即系統(tǒng)總體能耗,是關(guān)于變量:虛擬MIMO域個(gè)數(shù)kc,調(diào)制級(jí)數(shù)b,協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)Mt的函數(shù).在滿(mǎn)足最小化總能耗的優(yōu)化目標(biāo)下,可以求得上述網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的最優(yōu)值.根據(jù),對(duì)于實(shí)際中的傳感器網(wǎng)絡(luò),調(diào)制級(jí)數(shù)b通常設(shè)為偶數(shù)值,如2、4、6、8等.另外,通過(guò)之前的研究實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)最優(yōu)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)量Mt通常小于12(過(guò)多的協(xié)作節(jié)點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致電路能耗過(guò)增,從而增加系統(tǒng)總能耗).因此,ECCM策略的端到端傳輸能耗優(yōu)化模型可以建立為:(kc,b,Μt)=argminEtotal(kc,b,Μt)s.t.2≤Μt≤122≤kc≤Ν/Μt2≤b≤10(20)通過(guò)化簡(jiǎn)可以發(fā)現(xiàn),式(20)中的優(yōu)化問(wèn)題屬于整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,在優(yōu)化理論方面有較為成熟的求解該式的算法,但是在本模型中,由于其搜索空間不大,本文在仿真中采用窮舉法(brute-force)對(duì)其求解.在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署中,可以通過(guò)預(yù)先測(cè)量并計(jì)算獲取網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)運(yùn)行參數(shù),然后將參數(shù)直接編程入節(jié)點(diǎn),在之后的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作中,SINK節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀況周期性計(jì)算并廣播更新節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù).3協(xié)議仿真性能分析為了仿真本文所提出的ECCM傳輸策略,本文假設(shè)N=400個(gè)節(jié)點(diǎn)任意分布在M×M(M=100m)的方形區(qū)域內(nèi),并假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)在開(kāi)始部署時(shí)的初始能量相等.同時(shí)為了全面測(cè)試不同場(chǎng)景下的協(xié)議性能,本文同時(shí)考慮了SINK節(jié)點(diǎn)在傳感器節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域范圍之內(nèi)和之外的場(chǎng)景.具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示.為了驗(yàn)證ECCM策略的節(jié)能性能,本文將其與LEACH協(xié)議以及本文之前的工作成果多跳MIMO傳輸策略相比較.比較的性能參數(shù)為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行壽命和全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)存活率.在仿真過(guò)程中,本文根據(jù)SINK節(jié)點(diǎn)相對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)的部署區(qū)域位置不同先后設(shè)置了三個(gè)不同場(chǎng)景,在所有通信參數(shù)(同表1)以及網(wǎng)絡(luò)條件相同的情況下,分別運(yùn)行了這三個(gè)協(xié)議.協(xié)議仿真性能結(jié)果分別如圖3、圖4所示.圖3至圖5均包含兩個(gè)子圖,子圖的橫坐標(biāo)單位為ROUND,即協(xié)議運(yùn)行周期(時(shí)間).子圖1的縱坐標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均存活百分比(該值為存活節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)/網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)),子圖2縱坐標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量((∑節(jié)點(diǎn)剩余總能量)/剩余節(jié)點(diǎn)總數(shù)).為分析方便,本文將網(wǎng)絡(luò)壽命定義為網(wǎng)絡(luò)部署初始化至一半節(jié)點(diǎn)存活率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔,仿真結(jié)果表明在上述三種情況下,相比傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議,采用本文所提出的ECCM協(xié)議、以及采用中提出的多跳虛擬MIMO協(xié)議均能顯著的提升網(wǎng)絡(luò)壽命.從圖3中可以看出,當(dāng)SINK節(jié)點(diǎn)位于部署區(qū)域中心地帶時(shí),ECCM協(xié)議相比多跳虛擬