引言

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

　　協作式 MIMO 技術是新一代移動通信系統必須采用的關鍵技術。在物理層中，把MIMO技術應用到能量受限，分布廣泛的無線傳感器網絡中，形成協作式MIMO 的通信系統模型，有助于提高整個網絡的能量效率。

　　V-BLAST 技術作為MIMO 系統中一種主要的空時處理技術，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據通道（MIMO 子信道）發射信號，從而使得容量隨著天線數量的增加而線性增加。本文主要就節能為目的，對V-BLAST 模式下的協作式MIMO系統的應用進行研究，并對比SISO 系統，對協作式MIMO 系統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 的協作MIMO 通信模型

圖 1 基于V-BLAST 的協作M IMO 通信模型

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

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

　　2 基于 V-BLAST 協作MIMO 系統的能耗分析

　　基于 V-BLAST 的協作MIMO 系統能耗分為兩大部分：一是發射端與接收端的遠程通信能耗；二是接收端的協作節點與數據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，系統參數采用文獻[6]中的數據，仿真系統參數見表1。
表 1 

　　3.1接收節點數對系統能耗的影響

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

圖 2 系統能耗隨接受節點數目的變化

　　3.2 MIMO 及SISO 系統最佳星座大小b 的研究

　　圖 3 表述的是基于V-BLAST 的協作MIMO 系統和SISO 系統隨星座體積變化的能耗曲線。這里，我們假定該系統為4×4 的協作模式?？梢钥闯?，在節點個數與傳輸距離一定時，總存在一個最優的星座大小b，對應一個調制常數M，當M 取M*時，系統傳輸單位比特數據所需的能量最小。第二，從圖中兩條綠色曲線我們可以看出，相對SISO 系統，MIMO 系統要做到節省能耗，需要一個恰當的調制常數，例如傳輸距離為100 米時，M取23=8 就能起到較好的節能作用。

圖 3 MIMO 及SISO 系統能耗隨星座大小的變化

　　3.3 傳輸距離對系統能耗的影響

圖 4 MIMO 系統能耗隨傳輸距離的變化

　　3.4 MIMO 系統能量效率的研究

圖 5 幾種不同MIMO 系統的能量效率

　　圖 5 描述了幾種基于V-BLAST 的MIMO 系統的能量效率。從圖中可以看出，當傳輸距離小于最小適用距離時，協作MIMO 系統能量效率為負。但當傳輸距離超過最小適用距離時，各種最佳協作MIMO 系統都具有很高的能量效率，在傳輸距離為80m 時，比傳統SIS系統節能80%。第二，相比之下，隨著節點數目的增加，MIMO 系統的能量效率會逐漸提高，但當節點數目增加到一定數目時，能量效率就不會繼續提高。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，合理選擇發送和接受節點數，使系統能量效率達到最佳。

　　3.5 MIMO 模式的最佳參數選取

　　假設給出一個具體的無線傳感器網絡環境，其遠程傳輸距離是固定的，我們取d=100m，其余參數仍然按照表1 取值?，F在我們要考慮的變量有兩個：星座大小和收發節點數，由圖6 可以看出，隨著協作節點數目的增加，節能效果會越來越不明顯；當節點數目增多到一定值時，系統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（如圖2）。故考慮以星座大小為自變量作圖，根據經驗變更節點數目，以求得近似的能量最優方案。

圖 6 MIMO 系統能耗隨節點數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，即調制常數M=32 時可以取得最佳的能量效率。雖然繼續增大節點數目還能繼續提高能量效率，但同時會增加系統的復雜度以及成本，且效果不明顯，所以就求得了最佳的節能傳輸模式。這樣的方法具有一定的普遍性和實際意義。

　　4 結論
 
　　本文圍繞基于 V-BLAST 協作MIMO 系統的最佳協作模式做了詳細的分析研究。首先對此MIMO 系統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：節點數目、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 協作MIMO 系統的最佳協作模式。最后結合實際，總結了在一個具體的無線傳感器網絡環境下設計最佳協作模式時參數的選取。