WSNs中基于MIMO通信技術(shù)的信道分析與研究

李琳，孫建敏

（河南大學(xué)a.歐亞國(guó)際教育學(xué)院；b.物理與電子學(xué)院，河南開(kāi)封475000）

WSNs中基于MIMO通信技術(shù)的信道分析與研究

李琳a，孫建敏b

（河南大學(xué)a.歐亞國(guó)際教育學(xué)院；b.物理與電子學(xué)院，河南開(kāi)封475000）

針對(duì)事件驅(qū)動(dòng)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文傳輸冗余性大的特點(diǎn)，對(duì)采用MIMO技術(shù)的信道進(jìn)行了分析和研究，將改進(jìn)型瑞利衰減應(yīng)用到信道的分析和建模中，并采用MATLAB對(duì)所提方案進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，在事件驅(qū)動(dòng)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所提方案能夠較準(zhǔn)確地得到信道容量以及信噪比情況。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；信道；MIMO；空間復(fù)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）是目前實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算的一種有效的架構(gòu)和方案［1］，也是目前電子、通信等領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)［2-5］。它的應(yīng)用范圍涵蓋了農(nóng)業(yè)、工業(yè)、科技以及醫(yī)療等諸多方面，但傳感器節(jié)點(diǎn)一般都采用干電池供電，這使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行通信時(shí)需要有嚴(yán)格的條件限制。如何通過(guò)更深入地挖掘無(wú)線信號(hào)本身所承載的信息，增加信道使用效率，減少因?yàn)榕鲎病砣鴮?dǎo)致的不必要的能量浪費(fèi)是這一領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)。

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多是其一大特點(diǎn)，而作為一種事件驅(qū)動(dòng)型的網(wǎng)絡(luò)，事件通常會(huì)在一定范圍內(nèi)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)的信息交換方式會(huì)導(dǎo)致信息內(nèi)爆和信息重復(fù)發(fā)送現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可通過(guò)采用協(xié)商的機(jī)制和層次化的控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文數(shù)量的限制的手段加以減少。

MIMO技術(shù)是目前3G、4G移動(dòng)通信的三大關(guān)鍵核心技術(shù)之一。它用多天線發(fā)送和接收技術(shù)來(lái)達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的目的。在WSNs中，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在惡劣環(huán)境下的通信完全可以通過(guò)MIMO的方式達(dá)到提高信號(hào)質(zhì)量的目的。信道容量和信道穩(wěn)定性對(duì)于WSNs網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性至關(guān)重要［1］，因此，在本文中，我們以WSNs中的無(wú)線信道的容量和穩(wěn)定性作為研究對(duì)象，按照節(jié)點(diǎn)間事件驅(qū)動(dòng)的方式研究和分析了基于MIMO的信道改進(jìn)策略。

1 研究?jī)?nèi)容

MIMO是一種用于IEEE 802.11n的技術(shù)，其核心內(nèi)容是將空間的不同天線發(fā)送的信號(hào)等價(jià)成對(duì)應(yīng)的多徑信號(hào)［4，6-10］，通過(guò)增加天線以增加數(shù)據(jù)子流的方式來(lái)增大數(shù)據(jù)的傳送量。MIMO技術(shù)最大的特點(diǎn)是能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的吞吐量、傳送距離和頻譜利用率?；贛IMO技術(shù)的上述特點(diǎn)，我們可將WSNs中用來(lái)收發(fā)報(bào)文的傳感器節(jié)點(diǎn)看成一個(gè)小的天線，這樣，在事件驅(qū)動(dòng)型網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送情況就可以等效成一個(gè)MIMO場(chǎng)景。

無(wú)線電信號(hào)的傳輸受到空間和環(huán)境的影響，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的衰減，其中瑞利衰落就是一種常見(jiàn)的平坦衰落類型。WSNs中節(jié)點(diǎn)分布較密集，部署環(huán)境較復(fù)雜，但其節(jié)點(diǎn)間通信的無(wú)線信號(hào)的衰落滿足瑞利衰落［11-12］，故本文中的信號(hào)滿足瑞利分布，是一個(gè)均值為0、方差為σ2的平穩(wěn)窄帶高斯過(guò)程，其分布如（1）式。

結(jié)合事件驅(qū)動(dòng)型WSNs的特點(diǎn)，考慮到多徑傳播的過(guò)程中信號(hào)的幅度衰減雖然各有不同，但是均能保持一定的相似性，我們利用這種在幅度上的相似性，對(duì)瑞利衰落進(jìn)行了修正。修正后的分布函數(shù)如（2）式。

其中Δt表示接收到的信號(hào)與第一個(gè)到達(dá)接收天線的信號(hào)之間的時(shí)間間隔。

一個(gè)有r根發(fā)射天線、t根接收天線的MIMO系統(tǒng)，其接收信號(hào)符合

其中，y表示r×l維接收信號(hào)矩陣，x表示t×l維發(fā)射信號(hào)矩陣，n為r×l維加性高斯白噪聲矩陣，H為r×t維信道矩陣。這里的l為正整數(shù)。H的表達(dá)式為

其中hij（i=1，2，...，r；j=1，2，...，t）為矩陣H的第ij個(gè)元素，表示從第j根發(fā)射天線到第i根接收天線之間的信道衰落系數(shù)。（4）式中的信道衰落滿足（2）式中的分布規(guī)律。

2 仿真分析

在事件驅(qū)動(dòng)型WSNs中，采用MIMO技術(shù)對(duì)通信信息進(jìn)行有效整合時(shí)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)對(duì)事件的物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送給會(huì)聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node，SN），通過(guò)會(huì)聚節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送給基站（Base Station，BS）。大量傳感器節(jié)點(diǎn)部署導(dǎo)致了傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在較大的空間冗余性。空間的冗余性在保證WSNs網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的同時(shí)也增加了網(wǎng)絡(luò)中的能量損耗。我們通過(guò)采用MIMO的信號(hào)發(fā)送和接收策略，合理地利用了空分復(fù)用的特性，對(duì)接收端接收到的信號(hào)進(jìn)行了融合，并通過(guò)對(duì)事件驅(qū)動(dòng)型WSNs網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析，結(jié)合信號(hào)衰減，給出了事件驅(qū)動(dòng)型網(wǎng)絡(luò)中信道系統(tǒng)按照瑞利衰減的容量模擬結(jié)果。

按照1中所述的信道模型計(jì)算公式，對(duì)事件驅(qū)動(dòng)型WSNs中的信道進(jìn)行了分析，對(duì)傳統(tǒng)的瑞利衰落信道結(jié)合事件驅(qū)動(dòng)型網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文傳遞特點(diǎn)進(jìn)行了修正，重點(diǎn)研究信道容量在不同信噪比環(huán)境中的信道衰減情況。我們研究了信噪比SNR范圍為1～30 dB時(shí)系統(tǒng)的信道容量以及系統(tǒng)信號(hào)可靠傳輸?shù)淖兓闆r，結(jié)果如圖1所示。圖1中ni（i=1，2，3，4）表示收發(fā)天線的數(shù)量。

圖1 信道容量

從圖1可以看出，隨著信噪比的增大，系統(tǒng)的信道容量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。這表示隨著通信環(huán)境的改善，節(jié)點(diǎn)間的信道容量增大，傳輸同樣的信息報(bào)文所占用的信道資源也相對(duì)增加。另外，隨發(fā)送和接收的天線數(shù)量的不同，在相同信噪比下，多天線的發(fā)送接收性能要優(yōu)于天線數(shù)量少的情況。即在WSNs中，通過(guò)增加冗余節(jié)點(diǎn)能夠顯著提高信息傳遞的魯棒性。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)事件驅(qū)動(dòng)型WSNs進(jìn)行分析，結(jié)合事件驅(qū)動(dòng)型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，并考慮多徑信號(hào)在幅度上具有相似性的特點(diǎn)，對(duì)原有的瑞利衰落信道的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)結(jié)合MIMO技術(shù)的空間復(fù)用概念，對(duì)WSNs中多節(jié)點(diǎn)之間的通信信道進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)型WSNs，空分復(fù)用技術(shù)具有較好的抵抗環(huán)境干擾的能力和較高的SNR。

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【責(zé)任編輯 梅欣麗】

Research on Channel Capacity of WSNs Based on MIMO Technology

LI Lina，SUN Jianminb
（a.College of EurasianInternational Education；b.College of Physics and Electronics，Henan University，Kaifeng 475000，China）

Based on the characters of space division multiplexing that is the most important character of event-driven WSNs，we applied MIMO technology to the analysis of channel capacity.We used revised Rayleigh fading to analyze and construct the channel，and made simulated analysis to the presented scenario by using MATLAB.It resulted that in event-driven WSNs，the presented scenario could get the channel capacity feature and signal to noise ratio more accurately.

wireless sensor networks；channel；MIMO；space division multiplexing

TN914

A

2095-7726（2015）12-0031-02

2015-08-18

李琳（1995-），女，河南南陽(yáng)人，研究方向：移動(dòng)通信和信號(hào)處理。