虚拟MIMO技术应用于无线传感网的关键理论和技术研究

The problems of energy constraint and low data transmission efficiency are the key issues which limit the large scale deployment and the future development of wireless sensor networks. The development of MIMO techniques enables long distance, low energy consumption, high efficiency data transmission to be realistic. This proposed project focuses on the key theory of applying MIMO techniques to practical wireless sensor networks, which contains three main perspectives: the fundamental theory of the channel capacity/energy consumption features of cooperative virtual MIMO; the implementation mechanisms, the protocol and algorithm design of virtual MIMO sensor networks based on the deployment scenarios, topologies, and sensed data characteristics; and the optimization of MIMO sensor network systems. It will also solve the problems of the MIMO implementation mechanism selection and system parameter choice. Based on the theoretical study, large scale wireless sensor network testbed will be built and the system level experiments will be carried out. The proposed theoretical output of this project will be used as the fundamental theory of applying MIMO techniques to wireless sensor networks. This project will also make great contributions to the area of long lifetime stable large scale sensor networks.

能量受限、传输效率低下问题，是制约无线传感网大规模复杂环境部署及其未来发展的关键问题，MIMO技术的发展使长距离、低功耗、高时效信息传输成为可能。本课题针对MIMO技术应用于实际规模型无线传感网中的关键理论，研究协作式虚拟MIMO的信道容量、能耗特性的基础理论，基于场景、部署、数据特性的虚拟MIMO实施策略和具体协议算法，以及MIMO传感网系统的优化设计三方面，并解决不同传感网性能模型下的MIMO策略和实施参数选择问题。在理论研究基础上，构建较大规模的无线传感网测试床进行实验验证。其理论成果将为MIMO技术在无线传感网中的实际应用奠定基础，并为规模型无线传感网可持续可靠工作提供有意义的科学探索。

针对无线传感器网络能量受限的问题，本项目提出采用虚拟MIMO技术实现长距离、低功耗、高时效性的信息传输。针对虚拟MIMO技术在实际规模性无线传感网中的关键理论和技术问题，本项目开展了协作式虚拟MIMO技术的基础理论研究，提出了基础实施策略和具体协议算法；同时也开展了虚拟MIMO技术在规模性传感网中部署的应用基础研究，解决了一系列相关方法问题。.提出了可持续扩展的无线链路规划方案，设计了降低MIMO系统的链路规划开销的方法，有效地解决了网络规模扩大带来的网络传输性能衰减问题；对MIMO技术在不同类型和部署状况的无线传感网上的理论性能进行分析，提出了基于网络状态的输入输出天线对数自适应方案，确定了虚拟MIMO的主干节点选择方案；针对分簇式虚拟MIMO技术在传感网上的传输规划问题，提出了基于簇头轮换的节能路由和MAC协议，大大降低了控制信号通信的总量，节省了系统的维护功耗；为将上述协议部署到实际无线传感网中，研究了组网的具体问题，提出了快速实现邻居节点发现和通讯线路建立的网络配置方案；为获得网络的全局部署情况和节点相互位置关系，提出了稀疏信标节点条件下基于MDS的节点自定位方法；为降低网络规模扩大导致的误差累积问题和信标节点增加的成本问题，又提出了定位信标节点的优化选择方案。为实现上述方案的验证，扩建了测试床，将测试床从平面扩展到了三维，并将部分测试从室内转移到室外，自行研制了具有MIMO通信能力的骨干节点。.通过本项目的研究，积累了虚拟MIMO技术应用到无线传感网的相关领域技术力量，培养了一支通信基础理论和传感网应用研究的科研团队。本项目的成果将为传感器网络进一步解决能耗制约问题提出有效的理论和技术支撑。