張蔓++丁源洪

摘要：文章以傳統(tǒng)SISO處理技術為對比對象，在對協(xié)作MIMO系統(tǒng)能量損耗構成情況進行分析的基礎之上，對比了SISO與MIMO在能量損耗方面的性能差異，證實了協(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注。

關鍵詞：無線傳感器 網(wǎng)絡協(xié)作通信 能量效率

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

無線傳感器網(wǎng)絡具有節(jié)點成本低廉、功耗小、感知計算能力穩(wěn)定、以及無線通信能力等多個方面的優(yōu)勢，被廣泛應用于社會發(fā)展中的多個領域。由于無線傳感器節(jié)點多依賴于內(nèi)置電池，故而節(jié)點能量的補充問題值得深思。這一能量如何得到高效利用，使其網(wǎng)絡生命周期實現(xiàn)最大化的應用，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）技術的處理方案而言，有關研究中指出了一種多輸入多輸出（MIMO）的處理技術方案為進一步通過能量效率分析的方式研究兩種技術的優(yōu)勢、實用性，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)點物理尺寸，傳感器節(jié)點與天線之間僅能夠保持一對一的關系，因此，直接將多天線技術應用于無線傳感網(wǎng)當中并不可行。而在信息發(fā)射（信息接收）過程當中，指令單天線節(jié)點協(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。

進一步從能量效率的角度上來說，在如傳感器網(wǎng)絡一類的短距離應用領域中，電路能量消耗的構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。從本文重點研究的MIMO系統(tǒng)角度上來說，雖然MIMO系統(tǒng)實施了相應的能量優(yōu)化技術策略，但由于其電路結(jié)構比較復雜，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。本文故展開詳細分析從功率放大器的角度上來說，其作為構成傳感器節(jié)點功率消耗的最主要部分，功耗計算式為一個關于發(fā)射功率的函數(shù)關系式，對應的功耗計算標準如下：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，則可以通過鏈路預算關系求得射頻功率放大器漏極效率的取值，對應的計算標準如下：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)射機天線增益*接收機天線增益*載波波長2]*連接邊緣補償*接收機噪聲指數(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關系）。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)點數(shù)量、以及信道矩陣這三個方面的影響。最終對應計算得出功率放大器的功耗取值標準。

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，進入濾波裝置，頻率合成后進入混頻器，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，然后進行低噪聲放大，再次通過濾波，頻率合成后進行混頻器，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。相關研究結(jié)果顯示：從單跳網(wǎng)絡角度上來說，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，值得注意的一點是，在傳輸距離達到一定閾值之后（≥40.0m），MIMO系統(tǒng)所節(jié)約的傳輸能量就能夠彌補電路復雜下所產(chǎn)生的電路能量消耗，進而使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)構比較復雜，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

[1]廖先林，耿娜，石凱等.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身定位算法[J].東北大學學報（自然科學版），2007，28（6）：801-804.

[2]劉安豐，段晴，任君等.無線傳感器網(wǎng)絡通信性能確定上界研究[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2011，32（10）：1959-1966.