無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信技術(shù)的能量效率研究

張蔓++丁源洪

摘要：文章以傳統(tǒng)SISO處理技術(shù)為對比對象，在對協(xié)作MIMO系統(tǒng)能量損耗構(gòu)成情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，對比了SISO與MIMO在能量損耗方面的性能差異，證實(shí)了協(xié)作MIMO系統(tǒng)對于降低能量損耗，提高能量效率的重要價值，望能夠引起重視與關(guān)注。

關(guān)鍵詞：無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信 能量效率

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）05-0054-01

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)成本低廉、功耗小、感知計(jì)算能力穩(wěn)定、以及無線通信能力等多個方面的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展中的多個領(lǐng)域。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)多依賴于內(nèi)置電池，故而節(jié)點(diǎn)能量的補(bǔ)充問題值得深思。這一能量如何得到高效利用，使其網(wǎng)絡(luò)生命周期實(shí)現(xiàn)最大化的應(yīng)用，是本文研究的背景所在。相較于傳統(tǒng)意義上基于單輸入單輸出（SISO）技術(shù)的處理方案而言，有關(guān)研究中指出了一種多輸入多輸出（MIMO）的處理技術(shù)方案為進(jìn)一步通過能量效率分析的方式研究兩種技術(shù)的優(yōu)勢、實(shí)用性，本文展開如下分析。

1 協(xié)作MIMO系統(tǒng)能量損耗分析

對于MIMO系統(tǒng)而言，在發(fā)射功率取值以及誤比特率取值一定的條件下，其所支持的數(shù)據(jù)傳輸速率明顯高于SISO系統(tǒng)。而在吞吐量一致的條件下，MIMO系統(tǒng)在傳輸能量的表現(xiàn)上明顯低于SISO系統(tǒng)。從這一角度上來說，受制于傳感器節(jié)點(diǎn)物理尺寸，傳感器節(jié)點(diǎn)與天線之間僅能夠保持一對一的關(guān)系，因此，直接將多天線技術(shù)應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)當(dāng)中并不可行。而在信息發(fā)射（信息接收）過程當(dāng)中，指令單天線節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信，能夠形成一個基于協(xié)作的MIMO系統(tǒng)，從而使MIMO系統(tǒng)傳輸能夠更具高效性以及節(jié)能性優(yōu)勢。

進(jìn)一步從能量效率的角度上來說，在如傳感器網(wǎng)絡(luò)一類的短距離應(yīng)用領(lǐng)域中，電路能量消耗的構(gòu)成要素包括所有位于信號發(fā)送（信號接收）路徑上電路模塊的能量消耗。從本文重點(diǎn)研究的MIMO系統(tǒng)角度上來說，雖然MIMO系統(tǒng)實(shí)施了相應(yīng)的能量優(yōu)化技術(shù)策略，但由于其電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，也有可能造成電路能耗水平的增加。因此，并不能夠直觀確定SISO系統(tǒng)以及MIMO系統(tǒng)在能量效率方面的優(yōu)劣勢問題。本文故展開詳細(xì)分析從功率放大器的角度上來說，其作為構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)功率消耗的最主要部分，功耗計(jì)算式為一個關(guān)于發(fā)射功率的函數(shù)關(guān)系式，對應(yīng)的功耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)如下：功率放大器功耗=（1+α）發(fā)射功率；該式中α取值為（峰均比/射頻功率放大器漏極效率）；假定模型所處的工作環(huán)境為平方律功率路徑衰減性瑞麗衰落信道，則可以通過鏈路預(yù)算關(guān)系求得射頻功率放大器漏極效率的取值，對應(yīng)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)如下：射頻功率放大器漏極效率=[接收端接受比特信息消耗能量*傳輸比特率（4π傳輸距離）2/發(fā)射機(jī)天線增益*接收機(jī)天線增益*載波波長2]*連接邊緣補(bǔ)償*接收機(jī)噪聲指數(shù)；在射頻功率放大器漏極效率已知狀態(tài)下，路徑損耗可以通過一個單獨(dú)的功率下降模型加以表示（該模型與傳輸距離平方呈比例相關(guān)關(guān)系）。則此狀態(tài)下的瞬時接收性噪比取值會受到熱噪聲功率譜密度、發(fā)射端協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量、以及信道矩陣這三個方面的影響。最終對應(yīng)計(jì)算得出功率放大器的功耗取值標(biāo)準(zhǔn)。

而對于MIMO系統(tǒng)下的其他電路模塊而言，從發(fā)射電路角度上來說，在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化后，進(jìn)入濾波裝置，頻率合成后進(jìn)入混頻器，再次通過濾波處理后輸入功率放大器，最終經(jīng)由信道發(fā)射；而從接收電路的角度上來說，信號輸入后經(jīng)過濾波處理，然后進(jìn)行低噪聲放大，再次通過濾波，頻率合成后進(jìn)行混頻器，濾波處理后輸入中頻放大器，最終通過A/D轉(zhuǎn)化接收。

2 協(xié)作MIMO系統(tǒng)與SISO系統(tǒng)性能對比

首先，從傳輸能耗的角度上來說，在不同的傳輸距離下，MIMO系統(tǒng)與SISO系統(tǒng)在傳輸能量損耗的表現(xiàn)方面有一定的差異。以 1.0～100.0m的傳輸距離取值區(qū)間而言，MIMO系統(tǒng)與SISO系統(tǒng)傳輸能量損耗均伴隨傳輸距離的增長而提升，但MIMO系統(tǒng)的提升趨勢明顯弱于SISO系統(tǒng)（在傳輸距離100.0m條件下，SISO傳輸能量損耗達(dá)到6e-005J單位，而MIMO系統(tǒng)不足1e-005J）。這一數(shù)據(jù)顯示，在傳輸距離不斷提升的情況下，MIMO系統(tǒng)相對于SISO系統(tǒng)所節(jié)約的能量不斷增大。故而認(rèn)為MIMO系統(tǒng)對于改善傳輸能量效率而言有重要價值。

其次，從總能耗的角度上來說，在假定MIMO中發(fā)射端、接收端均有兩根天線參與協(xié)作過程的條件下，同樣以傳輸距離為變量，在1.0～100.0m的取值條件下，研究MIMO系統(tǒng)與SISO系統(tǒng)總能量損耗取值的變化情況。相關(guān)研究結(jié)果顯示：從單跳網(wǎng)絡(luò)角度上來說，在傳輸距離低于一定閾值的情況下（<40.0m），MIMO系統(tǒng)的能量效率較SISO系統(tǒng)更高。主要依據(jù)是：在傳輸距離提升的同時，傳輸能量損耗占總能量損耗的比重較大，由此使得電路能量損耗加大。盡管MIMO系統(tǒng)在電路結(jié)構(gòu)上更具優(yōu)勢，但電路耗能量消耗也是不容忽視的。但，值得注意的一點(diǎn)是，在傳輸距離達(dá)到一定閾值之后（≥40.0m），MIMO系統(tǒng)所節(jié)約的傳輸能量就能夠彌補(bǔ)電路復(fù)雜下所產(chǎn)生的電路能量消耗，進(jìn)而使MIMO系統(tǒng)的總能量損耗低于SISO系統(tǒng)，體現(xiàn)其節(jié)能、高效的優(yōu)勢。同時，在傳輸距離持續(xù)提升的條件下，MIMO系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢也能夠更進(jìn)一步的提升。

3 結(jié)語

縱上所述：在發(fā)射功率取值以及誤比特率取值一定的條件下，MIMO所支持的數(shù)據(jù)傳輸速率明顯高于SISO系統(tǒng)。在吞吐量一致的條件下，MIMO系統(tǒng)在傳輸能量的表現(xiàn)上明顯低于SISO系統(tǒng)。同時，從能量損耗以及能量效率的角度上來說，雖然協(xié)作MIMO系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，會帶來額外的電路能量損耗，但隨著傳輸距離的增大，在傳輸距離超過一定閾值之后，由于傳輸能量損耗占總能量的比重提升，故而MIMO系統(tǒng)可以通過降低傳輸能量損耗的方式，達(dá)到控制總能量損耗的目的，從而發(fā)揮其在節(jié)能方面的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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