[论文解读] Error-Rate Performance Analysis of Wireless Sensor Networks over Fading Channels

Haider Mehdi, Safeeullah Soomro+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2013

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文分析了在衰落信道下，单输入单天线发射机与多输入多天线接收机的无线传感器网络（WSNs）的误比特率（BER）性能。采用瑞利分布描述共信道干扰，莱斯分布描述期望信号，作者推导了精确的BER表达式，并评估了衰落严重程度与干扰功率对系统可靠性的影响，结果表明在干扰受限条件下，增加接收天线数量可显著改善BER性能。

ABSTRACT

In this paper, we analyze the bit-error-rate (BER) performance of wireless sensor networks. A wireless sensor node with a single transmitter antenna and multiple receiver antennas is considered here. We consider M (M greater or equal ro 1) receiver antennas to mitigate channel fading effects. BER performance is analyzed in the presence of a co-channel interference source. Wireless channel is assumed to follow independently Nakagami fading for the wireless sensor network and Rayleigh fading for the interference signal. Based on the derived analytical expressions, the effects of different fading channel and co-channel interference parameters on the BER performance of wireless sensor networks are assessed.

研究动机与目标

• 评估在真实衰落信道条件下的无线传感器网络（WSNs）的误比特率（BER）性能。
• 研究共信道干扰对采用多天线分集合并的WSNs中BER的影响。
• 分析期望信号采用莱斯衰落、干扰采用瑞利衰落时对系统可靠性的影响。
• 量化多接收天线在抑制衰落与干扰时所获得的分集增益。
• 在复合衰落与干扰场景下，提供BER的闭式解析表达式。

提出的方法

• 建立一个配备单个发射天线和M个接收天线的无线传感器节点模型，采用最大比合并（MRC）技术以抑制衰落。
• 假设期望信号经历独立的莱斯衰落，而共信道干扰服从瑞利衰落。
• 基于矩生成函数（MGF）分析方法，推导出平均BER的精确闭式表达式。
• 利用统计信道模型表示衰落严重程度与干扰功率水平。
• 应用数学工具如梅杰G-函数与级数展开法，求解MGF方法中出现的积分。
• 通过数值计算与仿真趋势对比，验证分析结果的正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 莱斯衰落严重程度如何影响具有多接收天线的WSNs的BER性能？
• RQ2 共信道干扰功率对莱斯衰落WSNs中BER的影响如何？
• RQ3 在干扰受限的衰落环境中，增加接收天线数量在多大程度上可降低BER？
• RQ4 与仿真结果相比，所推导的BER解析表达式具有多高的准确性？
• RQ5 在共信道干扰环境中，通过MRC合并可获得多大的分集增益？

主要发现

• 所推导的BER表达式为精确形式，以梅杰G-函数表示，可实现性能的精确评估。
• 增加接收天线数量（M）可显著降低BER，表明分集增益效果明显。
• 莱斯衰落参数m越小（即衰落越严重），BER越高，证实WSNs对深衰落极为敏感。
• 共信道干扰会降低BER性能，且在信干比较低时影响更为显著。
• 分析结果与数值仿真高度吻合，验证了所推导表达式的准确性。
• 系统在采用MRC合并后，BER性能得到显著提升，尤其在高干扰与高衰落环境中。