基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由協(xié)議研究

邢 爽，沈 斯

(1. 通化師范學(xué)院，吉林 通化 134000；2. 中國人民解放軍96115部隊，吉林 通化 134000)

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基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由協(xié)議研究

邢 爽1，沈 斯2

(1. 通化師范學(xué)院，吉林 通化 134000；2. 中國人民解放軍96115部隊，吉林 通化 134000)

在分析LEACH協(xié)議簇頭分布不均勻特性的基礎(chǔ)上改進(jìn)處理得到HEED協(xié)議，對群內(nèi)傳感器節(jié)點的剩余能量和傳感器節(jié)點在群內(nèi)的通信代價進(jìn)行綜合考慮分析，提出了一種以HEED協(xié)議為基礎(chǔ)，同時把多輸入多輸出引入到簇間的數(shù)據(jù)傳輸中，建立在簇間協(xié)作節(jié)點的選擇機制.與傳統(tǒng)LEACH和HEED算法進(jìn)行比較，此路由協(xié)議算法可以大幅度的改善網(wǎng)絡(luò)均衡性，提高能量有效性以及延長傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期.

路由協(xié)議；HEED協(xié)議；MIMO；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；能量有效

隨著近幾年無線通信的迅速發(fā)展和WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))巨大的應(yīng)用價值，日益擴大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模已成為自組織網(wǎng)絡(luò)的必然發(fā)展，而傳感器節(jié)點一般情況下采用電池供電，在網(wǎng)絡(luò)部署完畢之后一般不能對電池進(jìn)行充電和更換操作.對于部署在復(fù)雜環(huán)境的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，要想確保穩(wěn)定而長期的工作，就必須確保電源能量的能夠持續(xù)有效供給，能量損耗對于整個傳感器網(wǎng)絡(luò)顯得十分重要.因此，設(shè)計有效的WSN傳輸路由協(xié)議，節(jié)能是第一準(zhǔn)則.

MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)其本身所固有的特性，在增加通信信道容量的同時，能夠顯著地降低通信能量損耗[1].傳統(tǒng)LEACH協(xié)議對簇頭的選擇具有隨機性，所以不能夠滿足簇頭節(jié)點的分布均勻，因而在大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不具備可行性[2].因此本文在HEED協(xié)議基礎(chǔ)上，引入多輸入多輸出技術(shù)模式，由簇首節(jié)點構(gòu)成的向Sink(匯聚)節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)中，兩個相鄰簇頭間發(fā)送數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)傳輸方式中引入相應(yīng)的MIMO技術(shù)，發(fā)送端簇首與眾多協(xié)作節(jié)點共同向目的簇首與其眾多協(xié)作節(jié)點共同發(fā)送數(shù)據(jù)，替代原來單一的通信模式.

1 基于MIMO的傳輸

在WSN中，大多數(shù)據(jù)的傳輸是通過多跳傳輸，使用一個中間節(jié)點連接源節(jié)點和目的節(jié)點[3].見圖1，把Hm定義為數(shù)據(jù)到達(dá)目的節(jié)點的總跳數(shù)Eb，在每一跳中傳輸1比特數(shù)據(jù)所需的能量.所以傳輸L比特數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的總能耗Em就相當(dāng)于：

Em=EmLEb

(1)

另一方面，有Ni個鄰居節(jié)點被傳送數(shù)據(jù)到一個目的節(jié)點，然后第i個節(jié)點傳送序列,第i天線將在一個Alamouti MIMO系統(tǒng)中傳輸(長距離傳輸)[4].在接收機方面，接收端Nr節(jié)點包括接收編碼的數(shù)據(jù)和第Mr-1節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的節(jié)點在每個符號到nr量子化位[5].

圖1 基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方法

在此基礎(chǔ)上給出了MIMO結(jié)構(gòu)完成L比特的傳輸所需要的能量EMIMO

(2)

2 協(xié)議描述

本文設(shè)計MIMO與HEED相結(jié)合的路由協(xié)議，其中基礎(chǔ)HEED協(xié)議的基本原理方法是跟據(jù)剩余能量與簇內(nèi)通信代價這兩個主、次參數(shù)來進(jìn)行迭代并以此選舉簇首節(jié)點[6].以簇域內(nèi)平均最小可達(dá)功率(AverageMinimumReachabilityPower，AMRP)衡量簇內(nèi)通信的成本，節(jié)點發(fā)送的競爭消息使用不相同的初始概率，并且節(jié)點的初始化概率CHprob根據(jù)(3)式來確定：

CHprob=max(Cprob+Eresident/Emax,Pmin)

(3)

其中:Cprob與pmin是網(wǎng)絡(luò)初始設(shè)置時統(tǒng)一的參數(shù)，它們初始賦值直接影響協(xié)議運行的速度，一般設(shè)Pmin=10-4，Cprob=5%；Eresident/Emax在此表示為節(jié)點所剩能量占初始能量的比重.

1)在初始化階段，首先每個節(jié)點要確定在簇群范圍內(nèi)鄰居節(jié)點的集合，計算并且廣播AMRP，之后計算自己成為臨時簇頭的概率CHprob，CHprob=max(Cprob×Eresident/E,pmin)，為了保證算法在迭代次數(shù)內(nèi)完成，設(shè)pmin是最小概率.

2)在算法的迭代過程中，其系統(tǒng)流程圖見圖2.

3)在算法的終止過程中：首先檢查網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)節(jié)點是否為簇頭節(jié)點，如果為簇頭節(jié)點，則對外廣播自己成為最終簇頭的信息；否則檢查網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)中是否有最終簇頭節(jié)點，如果存在簇頭節(jié)點，則從網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)中選擇簇內(nèi)通信成本最小的節(jié)點作為最終簇頭，并加入此簇；否則節(jié)點選擇自己成為最終簇頭，并對外廣播自己成為最終簇頭的信息[7].

3 網(wǎng)絡(luò)能耗模型

本文在分析了協(xié)議能耗基礎(chǔ)之上，提出了一種基于MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模式，經(jīng)過分析計算后獲得網(wǎng)絡(luò)能耗最佳狀態(tài)下系統(tǒng)的最佳參數(shù)表達(dá)式，其中系統(tǒng)參數(shù)主要是簇群的數(shù)量Nc、協(xié)作節(jié)點數(shù)J，在分析過程中我們假設(shè)如下：1)有N個節(jié)點均勻分布在M×M的一個區(qū)域內(nèi).2)每個節(jié)點以概率P在每一個發(fā)送給簇頭數(shù)據(jù)幀中發(fā)送長度為L的數(shù)據(jù)分組，在此用Fn來表示每輪中發(fā)給簇頭數(shù)據(jù)幀的數(shù)量.3)在每round中，檢測區(qū)域內(nèi)每個簇頭以Fbt次向臨近簇頭傳輸大小為Fts的數(shù)據(jù)信息，用來維護(hù)算法協(xié)議正常運行.在此用E(Nc,J)表示每輪的總能耗，其主要包括四部分：簇群收集數(shù)據(jù)的能耗Ec(Nc)、簇頭維護(hù)路由信息的能耗Er(Nc)、簇頭向協(xié)作節(jié)點發(fā)送信息的能耗ECH_c(Nc,J)和協(xié)作節(jié)點向下一簇頭發(fā)送信息的能耗Ec_CH(Nc,J).

3.1 簇群收集數(shù)據(jù)能耗

本文描述簇群內(nèi)的通信模型，數(shù)學(xué)物理關(guān)系為通信的能量與路徑損耗的平方成正比.Ec_bt(Nc)表示為簇群內(nèi)的節(jié)點向簇頭發(fā)送1比特的數(shù)據(jù)信息所對應(yīng)消耗的能量，它可以采用與式(3)類似的方法求出Ec_bt(Nc)，得出：

(4)

所以每個簇群中，節(jié)點發(fā)送給簇頭的所有比特數(shù)量總和為S1(Nc)=N/NcFnPs，于是有Ec(Nc)=NcS1(Nc)Ec_bt(Nc)[8].

圖2 HEED算法的迭代過程

3.2 維護(hù)路由信息能耗

當(dāng)簇群的數(shù)量為時Nc，每個簇群的半徑可近似的表示為M/πNc，所以相鄰兩簇頭間的距離為M/πNc，本文假設(shè)每個簇頭有四個直接相鄰的簇頭節(jié)點，所以Er(Nc)可以近的表示為：

Er(Nc)=NcFtsFbt(1+a)N0/Pb((8(1+a)M2MlMf)/(GtGrλ2(πNc)Nc)+(Pct+JPcr)/B

(5)

3.3 簇頭向協(xié)作節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)能耗

在簇頭向下一跳鄰居簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先向協(xié)作節(jié)點J廣播數(shù)據(jù)，完成信息傳輸.在此過程中，簇頭廣播1比特所需的能量可以表示為

(6)

3.4 協(xié)作節(jié)點向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)能耗

假設(shè)有一組STBC碼元，設(shè)其大小為F其中包括了pJ個Training碼元，該碼元在K個碼元時間內(nèi)被協(xié)作節(jié)點發(fā)出，所以經(jīng)過計算得到碼元發(fā)送率為R=F/K[9].由此可得到協(xié)作節(jié)點向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)能耗Ec_CH(Nc,J)可表示為

Ec_CH(Nc,J)=Se(Nc,J)(1+a)JN0/l)(8L)2πMlMf/(GtGr2Nc)+(Pct+JPcr)/B

(7)

依據(jù)上述，可獲得每輪在網(wǎng)絡(luò)過程中的總能耗，是以上四部分之和.

4 性能評估及仿真結(jié)果

本文采用Matlab平臺實現(xiàn)對MM-HEED協(xié)議進(jìn)行仿真實驗測試，假設(shè)實驗節(jié)點不規(guī)律的散落在的實驗監(jiān)測范圍內(nèi)，單個節(jié)點初始電池容量為2 J，當(dāng)單位節(jié)點能量降低到0.02 J時，視為該節(jié)點無效，為死亡節(jié)點Sink(匯聚節(jié)點)節(jié)點設(shè)置在檢測范圍的中心，其他一般節(jié)點不規(guī)則布置.假設(shè)檢測區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)布置400個原始節(jié)點，檢測區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點始終保持靜態(tài)，設(shè)區(qū)域內(nèi)的全部節(jié)點都向匯聚節(jié)點發(fā)送512字節(jié)的數(shù)據(jù)包，此包長度1 000 bit，與此在簇頭分給本身的時隙同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，系統(tǒng)的其他參數(shù)如表1所示.

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

圖3顯示了隨時間變化存活節(jié)點率對比.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時，節(jié)點的存活率是衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能否繼續(xù)存在、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是否能得到有效傳輸?shù)闹匾獦?biāo)準(zhǔn).每個節(jié)點能存活多久，也是衡量整個網(wǎng)絡(luò)的存活時間的最重要標(biāo)準(zhǔn)，而數(shù)據(jù)包的丟則作為整個網(wǎng)絡(luò)的可信度的衡量標(biāo)準(zhǔn).但現(xiàn)實中，節(jié)點因自身體積和容量原因，其初始配置能量非常少，這就使節(jié)點在能量損耗過大的環(huán)境中過早死亡而失效.因此，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的生存時間是體現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期的延長重要標(biāo)志.

圖3 3種協(xié)議在時間推移下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活率的變化

在Matlab軟件平臺上執(zhí)行HEED、MIMO-LEACH和MM-HEED三種協(xié)議，整個網(wǎng)絡(luò)生存周期分別為13.1×104、10.7×104、0.6×104s，如圖3顯示在時間推移下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活率的變化，由圖3可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)運行時間的延長，運行三種協(xié)議，可以看出HEED協(xié)議節(jié)點存活率最低，其次是MIMO-LEACH協(xié)議，而MM-HEED協(xié)議隨時間推移有最多的節(jié)點存活.

圖4顯示了三種協(xié)議節(jié)點剩余能量與網(wǎng)絡(luò)運行輪數(shù)間的關(guān)系，隨著系統(tǒng)運行輪數(shù)的不斷增多，網(wǎng)絡(luò)初始節(jié)點配置能量在輪數(shù)的不斷演推下越來越少，HEED協(xié)議能量減少的做多，而MM-HEED協(xié)議的節(jié)點的能量損耗最低.因為MM-HEED協(xié)議的有效的促進(jìn)了在網(wǎng)絡(luò)運行多輪模式下，節(jié)點仍保持具有較高能量，以此維持網(wǎng)絡(luò)的正常運行.

圖4 3種協(xié)議節(jié)點剩余能量隨網(wǎng)絡(luò)運行輪數(shù)的變化

由此可分析得知，MM-HEED協(xié)議隨著網(wǎng)絡(luò)運行輪數(shù)增多，協(xié)議自身損耗的能量依舊比HEED協(xié)議和MIMO-LEACH路由協(xié)議低很多.

5 結(jié) 語

本文設(shè)計出一種多輸入多輸出的WSN分簇傳輸路由協(xié)議MM-HEED，此協(xié)議將多輸入多輸出模式與分簇路由協(xié)議相結(jié)合，不但高效的提升了數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)量和傳輸率，此協(xié)議在節(jié)點的存活率和有效節(jié)能上具有明顯優(yōu)勢.該協(xié)議簇頭采用HEED協(xié)議的雙參數(shù)的選擇辦法，將網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)間被的信息進(jìn)行收集、整理、融合，并且將簇集間路由所擔(dān)負(fù)工作運用多輸入多輸出模式轉(zhuǎn)發(fā)平分到其他簇頭間協(xié)作節(jié)點進(jìn)行，以避免單一的簇頭、協(xié)作節(jié)點及單一路徑所造成的傳輸障礙，降低了自身能量較低的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被選為協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的幾率，達(dá)到了合理利用網(wǎng)絡(luò)資源的目的.

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Research on data transmission protocol based on MIMO scheme in wireless sensor networks

XING Shuang1, SHEN Si2

(1. Tonghua Normal University, Tonghua 13400, China; 2. No.96115 Troops of PLA, Tonghua 13400, China)

The improved HEED protocol was obtained by analyzing the uneven distribution characteristics of cluster heads of LEACH protocol. The sensor network node of the cluster and residual energy of nodes in the group of comprehension, which analysis and comparison on communication costs, put forward a selection mechanism in the cluster nodes based on the agreement with HEED, took the multi-input and multi-output into data transmission between clusters.Compared LEACH and HEED with traditional algorithms, this method could improve network balance significantly, energy effectiveness and could also extend the life cycle of sensor networks.

routing protocol; HEED protocol; multiple input multiple output (MIMO); wireless sensor network (WSN); energy-efficient

2016-03-01.

邢 爽(1987-)，女，碩士，研究方向：通信與信息系統(tǒng).

TN929

A

1672-0946(2016)06-0729-05