引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）[1,2]是由分布在給定局部區(qū)域內(nèi)大量的無線傳感器節(jié)點構(gòu)成的一種新型信息獲取系統(tǒng)。由于通常情況下無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點配置能源十分有限，因此，傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能設計顯得尤為重要。

　　協(xié)作式 MIMO 技術(shù)是新一代移動通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。在物理層中，把MIMO技術(shù)應用到能量受限，分布廣泛的無線傳感器網(wǎng)絡中，形成協(xié)作式MIMO 的通信系統(tǒng)模型，有助于提高整個網(wǎng)絡的能量效率。

　　V-BLAST 技術(shù)作為MIMO 系統(tǒng)中一種主要的空時處理技術(shù)，能充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個數(shù)據(jù)通道（MIMO 子信道）發(fā)射信號，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。本文主要就節(jié)能為目的，對V-BLAST 模式下的協(xié)作式MIMO系統(tǒng)的應用進行研究，并對比SISO 系統(tǒng)，對協(xié)作式MIMO 系統(tǒng)的能耗問題進行建模和仿真實踐，取得了一定的實際意義。

　　1 基于 V-BLAST 的協(xié)作MIMO 通信模型

圖 1 基于V-BLAST 的協(xié)作M IMO 通信模型

　　如圖 1 所示，發(fā)送端有Nt 個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，它們到接收端的距離為long d ，稱為遠程通信距離。同時，在匯聚節(jié)點周圍距離local d 的范圍內(nèi)選擇Nr－1 個節(jié)點作為協(xié)作節(jié)點，并與匯聚節(jié)點一起構(gòu)成協(xié)作式MIMO 系統(tǒng)的接收端，稱local d 為本地通信距離。當long d >> local d時，發(fā)射端與接收端各節(jié)點可分別看成是在同一天線陣上，這樣就構(gòu)成了一個完整的、具有Nt 根發(fā)射天線與Nr 根接收天線的基于V-BLAST 的協(xié)作MIMO 系統(tǒng)。

　　接收端各節(jié)點（包括1 個匯聚節(jié)點和Nr－1 個協(xié)作節(jié)點）按MIMO 通信方式先完成對數(shù)據(jù)的接收，然后，Nr 個協(xié)作節(jié)點再分別以SISO 方式將所接收數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點，如圖1 中虛線箭頭所示。

　　2 基于 V-BLAST 協(xié)作MIMO 系統(tǒng)的能耗分析

　　基于 V-BLAST 的協(xié)作MIMO 系統(tǒng)能耗分為兩大部分：一是發(fā)射端與接收端的遠程通信能耗；二是接收端的協(xié)作節(jié)點與數(shù)據(jù)融合點的本地通信能耗。

　　2.1 遠程通信能耗

　　3 仿真實驗

　　設遠程通信與本地通信都是瑞利衰落信道，系統(tǒng)參數(shù)采用文獻[6]中的數(shù)據(jù)，仿真系統(tǒng)參數(shù)見表1。
表 1 

　　3.1接收節(jié)點數(shù)對系統(tǒng)能耗的影響

　　圖 2 顯示的當是傳輸距離為50 m 時，幾種協(xié)作MIMO 系統(tǒng)比特能耗與接收節(jié)點數(shù)目的關(guān)系?？梢钥闯?，發(fā)射節(jié)點數(shù)目固定時，協(xié)作接收節(jié)點并不是越多越好，存在一個最佳的協(xié)作模式，且根據(jù)Nt 的不同，Nr 的最佳取值也不相同。如圖2，當Nt=6，其最佳協(xié)作模式是6×9 協(xié)作MIMO 系統(tǒng)；當N=8 時，其最佳協(xié)作模式是8×12。存在最佳協(xié)作模式的原因是引入?yún)f(xié)作節(jié)點的同時，系統(tǒng)會增加協(xié)作節(jié)點的能量開銷，引入的節(jié)點越多能耗就越大，當節(jié)省的能量小于系統(tǒng)增加的開銷時，系統(tǒng)的節(jié)能效果從節(jié)能極限處開始反彈。

圖 2 系統(tǒng)能耗隨接受節(jié)點數(shù)目的變化

　　3.2 MIMO 及SISO 系統(tǒng)最佳星座大小b 的研究

　　圖 3 表述的是基于V-BLAST 的協(xié)作MIMO 系統(tǒng)和SISO 系統(tǒng)隨星座體積變化的能耗曲線。這里，我們假定該系統(tǒng)為4×4 的協(xié)作模式?？梢钥闯?，在節(jié)點個數(shù)與傳輸距離一定時，總存在一個最優(yōu)的星座大小b，對應一個調(diào)制常數(shù)M，當M 取M*時，系統(tǒng)傳輸單位比特數(shù)據(jù)所需的能量最小。第二，從圖中兩條綠色曲線我們可以看出，相對SISO 系統(tǒng)，MIMO 系統(tǒng)要做到節(jié)省能耗，需要一個恰當?shù)恼{(diào)制常數(shù)，例如傳輸距離為100 米時，M取23=8 就能起到較好的節(jié)能作用。

圖 3 MIMO 及SISO 系統(tǒng)能耗隨星座大小的變化

　　3.3 傳輸距離對系統(tǒng)能耗的影響

圖 4 MIMO 系統(tǒng)能耗隨傳輸距離的變化

　　3.4 MIMO 系統(tǒng)能量效率的研究

圖 5 幾種不同MIMO 系統(tǒng)的能量效率

　　圖 5 描述了幾種基于V-BLAST 的MIMO 系統(tǒng)的能量效率。從圖中可以看出，當傳輸距離小于最小適用距離時，協(xié)作MIMO 系統(tǒng)能量效率為負。但當傳輸距離超過最小適用距離時，各種最佳協(xié)作MIMO 系統(tǒng)都具有很高的能量效率，在傳輸距離為80m 時，比傳統(tǒng)SIS系統(tǒng)節(jié)能80%。第二，相比之下，隨著節(jié)點數(shù)目的增加，MIMO 系統(tǒng)的能量效率會逐漸提高，但當節(jié)點數(shù)目增加到一定數(shù)目時，能量效率就不會繼續(xù)提高。在實際應用中，應該綜合考慮傳輸距離，星座大小，和其他實際參數(shù)，合理選擇發(fā)送和接受節(jié)點數(shù)，使系統(tǒng)能量效率達到最佳。

　　3.5 MIMO 模式的最佳參數(shù)選取

　　假設給出一個具體的無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境，其遠程傳輸距離是固定的，我們?nèi)=100m，其余參數(shù)仍然按照表1 取值?，F(xiàn)在我們要考慮的變量有兩個：星座大小和收發(fā)節(jié)點數(shù)，由圖6 可以看出，隨著協(xié)作節(jié)點數(shù)目的增加，節(jié)能效果會越來越不明顯；當節(jié)點數(shù)目增多到一定值時，系統(tǒng)的能量效率將基本不變。而星座大小對能量效率的影響是一個凹函數(shù)（如圖2）。故考慮以星座大小為自變量作圖，根據(jù)經(jīng)驗變更節(jié)點數(shù)目，以求得近似的能量最優(yōu)方案。

圖 6 MIMO 系統(tǒng)能耗隨節(jié)點數(shù)和星座大小的變化趨勢

　　圖 6 中，我們依次試用4×4、8×8、16×16 等MIMO 模式，并改變星座大小b，相比之下，當采用64×64 且b=5，即調(diào)制常數(shù)M=32 時可以取得最佳的能量效率。雖然繼續(xù)增大節(jié)點數(shù)目還能繼續(xù)提高能量效率，但同時會增加系統(tǒng)的復雜度以及成本，且效果不明顯，所以就求得了最佳的節(jié)能傳輸模式。這樣的方法具有一定的普遍性和實際意義。

　　4 結(jié)論
 
　　本文圍繞基于 V-BLAST 協(xié)作MIMO 系統(tǒng)的最佳協(xié)作模式做了詳細的分析研究。首先對此MIMO 系統(tǒng)建立一個便于分析計算的模型，并以無線通信理論為指導，得出計算能耗的主要公式。在分析和求解能耗方程時，采用了計算方法中常用的二分法，并利用MATLAB 編程求解，為后來的仿真實驗奠定了基礎。然后分別針對三個影響能耗的主要因素：節(jié)點數(shù)目、星座大小以及傳輸距離作了詳細的仿真與分析，得出了幾種情況下基于V-BLAST 協(xié)作MIMO 系統(tǒng)的最佳協(xié)作模式。最后結(jié)合實際，總結(jié)了在一個具體的無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下設計最佳協(xié)作模式時參數(shù)的選取。