無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中多轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸策略*

曾振東，孫 波，鄧嘉明

（1.廣東青年職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，廣州 510507；2.嘉應(yīng)學(xué)院信息網(wǎng)絡(luò)中心，廣東 梅州 514015）

0 引言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）［1］已在多個(gè)領(lǐng)域廣泛使用，如天氣監(jiān)測(cè)、康復(fù)醫(yī)療、動(dòng)物跟蹤。WSNs 內(nèi)多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)感測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至基站［2］，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。然而，由于受資源限制，如能量、安全［3］，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃匀源嬖谔魬?zhàn)。

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，研究人員進(jìn)行了大量的研究工作［4］，并提出基于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方案。例如，Vallimayil 分析了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽４送?，通常WSNs 內(nèi)的節(jié)點(diǎn)是由電池供電，屬于有限能量。一旦能量消耗殆盡，節(jié)點(diǎn)就無(wú)法感測(cè)、接收和傳輸數(shù)據(jù)，這就降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

能量采集（Energy Harvesting，EH）是緩解WSNs能量短缺問(wèn)題的有效技術(shù)［5］。EH 技術(shù)通過(guò)從周?chē)h(huán)境采集能量，如太陽(yáng)光線、射頻（Radio Frequency，RF）波，進(jìn)而補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)能量。例如，Nasir 等分析了RF-EH 的應(yīng)用性能。

此外，節(jié)點(diǎn)與基站間的通信安全也是WSNs 的研究熱點(diǎn)之一。Shannon［6］最先提出了物理層安全（Physical Layer Security，PLS）問(wèn)題。Wyner 基于PLS框架，建立了信息理論架構(gòu)，其認(rèn)為源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間存在一個(gè)竊聽(tīng)者（Eavesdropper，EAV）。EAV竊聽(tīng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的通信。

為此，從安全的角度并面向EH 的WSNs 網(wǎng)絡(luò)，提出多轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸方案（Multi-relay Cooperative Scheme，MRCT）。MRCT 方案選擇最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸效率和安全性。仿真結(jié)果表明，MRCT 方案提高了系統(tǒng)吞吐量，并增強(qiáng)了安全能力。

1 系統(tǒng)模型

考慮如圖1 所示的網(wǎng)絡(luò)模型。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由1 個(gè)基站（Base Station，BS）、M 個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)（S1，S2，…，SM）和N 個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（Relay Node，RN）（R1，R2，…，RN）組成。系統(tǒng)內(nèi)還存在被動(dòng)竊聽(tīng)者EAV。EAV 試圖從轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)至傳感節(jié)點(diǎn)間鏈路提取信息。

圖1 系統(tǒng)模型

這些設(shè)備均由基站管理［7-8］，每個(gè)設(shè)備均安裝了單個(gè)天線，以半-雙工模式工作。令表示基站至轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Ri信道響應(yīng)參數(shù)，且i=1，2，…，N表示轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Ri至竊聽(tīng)者EAV 信道響應(yīng)參數(shù)；表示轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Ri至傳感節(jié)點(diǎn)Sk信道響應(yīng)參數(shù)，且k=1，2，…，M。

假定所有信道遵守Rayleigh 衰落［9］。用式（1）和式（2）分別表示信道的累加分布函數(shù)（Cumulative Distribution Function，CDF）和概率密度函數(shù)［9］：

2 MRCT 方案

2.1 通信協(xié)議

2.1.1 基站向轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)傳輸信息

在αT 時(shí)間段，基站BS 向RNs 傳輸信息。其中T 表示一幀時(shí)隙長(zhǎng)，而α 表示貢獻(xiàn)于基站至轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)傳輸階段的時(shí)間比例，且0<α<1，如圖2 所示。

圖2 時(shí)間軸

式中，η 表示EH 的采集能量效率。

2.1.2 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)向傳感節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息

除αT 時(shí)間段外，剩下的（1-α）T 時(shí)間段的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Ri傳輸功率可表示為：

2.2 信道容量及安全能力

采用文獻(xiàn)［12］的安全能力的定義：在EAV 存在的情況下，從基站至傳感節(jié)點(diǎn)Sk的無(wú)線傳輸信道的瞬時(shí)安全能力可表示為：

(四)收益分配風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，收益分配是公司經(jīng)營(yíng)成果的再分配，同時(shí)也是公司內(nèi)部資金的再分配。公司經(jīng)營(yíng)發(fā)展過(guò)程中可能出現(xiàn)的收益分配風(fēng)險(xiǎn)主要包括收益確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)以及收益分配形式、金額和時(shí)間節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)。公司的收益分配不當(dāng)，對(duì)于公司的投資者利益、公司的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展等都有可能帶來(lái)不利影響。

2.3 非協(xié)作的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)策略

在非協(xié)作的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（Non-cooperative Relay Node，NCRN）策略中，NCRN 策略從N 個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)具有最大信道增益的節(jié)點(diǎn)向傳感節(jié)點(diǎn)傳輸消息［13-14］，進(jìn)而提高信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩芰Α?/p>

式中，R*表示具有最大信道增益的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

相應(yīng)地，R*所采集的能量可表示為：

2.4 多節(jié)點(diǎn)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)策略

與NCRN 方案不同，多節(jié)點(diǎn)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)MRCT 策略不是選擇一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)向傳感節(jié)點(diǎn)傳輸信息，而是由多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將所接收的信息進(jìn)行合并，合并后再傳輸至傳感節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而提升信道的安全能力。

3 性能分析

3.1 仿真環(huán)境

利用MATLAB R2018 軟件建立仿真平臺(tái)，分析MRCT 方案的性能，包括吞吐量和安全中斷概率（Security Outage Probability，SOP）［16］。SOP 指標(biāo)能夠反映WSNs 的安全性能［17］。下頁(yè)表1 給出仿真參數(shù)的取值范圍，其中dBR表示基站離轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的距離；dRE表示轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)離EAV 的距離；dRS表示轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)離傳感節(jié)點(diǎn)的距離。

表1 仿真參數(shù)

同時(shí)，選擇文獻(xiàn)［18］的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方案（Traditional Cooperative Relay，TCRA）Scheme 作為參照，并對(duì)NCRN 和MRCT 方案進(jìn)行同步仿真，對(duì)比分析它們的性能。

TCRA 方案先依據(jù)來(lái)自傳感節(jié)點(diǎn)的反饋信息決定是否需要協(xié)作傳輸。如果需要，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)就估計(jì)自己是否適合協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些適合協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集。再?gòu)倪@轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集中選擇具有最大瞬時(shí)互信息量的節(jié)點(diǎn)作為協(xié)作節(jié)點(diǎn)。表2 總結(jié)了TCRA、NCRN 和MRCT 方案的特點(diǎn)。

表2 TCRA、NCRN 和MRCT 方案的特點(diǎn)

3.2 吞吐量性能

先分析γ0對(duì)NCRN、TCRA 和MRCT 方案的吞吐量的影響。仿真過(guò)程中的參數(shù)如下：N=26、M=30、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。

圖3 顯示了NCRN、TCRA 和MRCT 3 個(gè)方案的吞吐量隨γ0的變化情況。從圖可知，MRCT 方案的吞吐量?jī)?yōu)于NCRN 和TCRA。同時(shí)，觀察圖3 不難發(fā)現(xiàn)，吞吐量隨γ0的增加迅速上升。當(dāng)γ0增加到一定程度后，吞吐量也保持穩(wěn)定。原因在于：吞吐量與信噪比相關(guān)。信噪比越大，中斷概率就下降。低的中斷概率，就增加了吞吐量。

圖3 吞吐量隨γ0 變化情況

3.3 SOP 性能

本節(jié)先分析對(duì)SOP 性能的影響。仿真過(guò)程中的參數(shù)如下：N=25、M=30、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。

如圖4 所示，當(dāng)γ0增加NCRN 方案的SOP 只是很小程度地下降，甚至可忽略，但TCRA 方案的SOP 隨γ0的增加而快速下降。原因在于：從基站至傳感節(jié)點(diǎn)和從基站至EAV 的信道容量是關(guān)于γ0的函數(shù)。在NCRN 方案中，基站至節(jié)點(diǎn)和基站至EAV鏈路的信道容量只是與單一的γ0相關(guān)。而在TCRA和MRCT 方案中，信道容量與多個(gè)信道的γ0相關(guān)。因此，MRCT 和TCRA 的安全性能得到提高。

圖4 SOP 性能隨γ0 的變化曲線

圖5 分析了SOP 性能隨轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)N 的變化情況，其中γ0=10 dB、M=25、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。

從圖5 可知，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，NCRN 方案的安全性能提升幅度最小，而TCRA 和MRCT 方案安全性能提升速度很快，原因在于：NCRN 方案只選擇了一個(gè)最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，而TCRA 和MRCT 方案選擇了多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。與圖4 相似，MRCT 方案的SOP性能最優(yōu)。

圖5 SOP 性能隨N 的變化曲線

最后，節(jié)點(diǎn)數(shù)M 對(duì)SOP 性能的影響，其中γ0=10 dB、N=25、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。從下頁(yè)圖6 可知，3 個(gè)方案的SOP 性能均隨節(jié)點(diǎn)數(shù)M 的增加而上升。原因在于：節(jié)點(diǎn)數(shù)M 越多，節(jié)點(diǎn)處所獲取的密度增益就越大。

圖6 SOP 性能隨M 的變化曲線

4 結(jié)論

針對(duì)EN-WSNs 網(wǎng)絡(luò)，提出多轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸方案MRCT。MRCT 通過(guò)選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)提高數(shù)據(jù)傳輸率，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。仿真結(jié)果表明，通過(guò)加大轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)或者減少基站離轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)距離，能夠提高M(jìn)RCT 方案的性能。后期，會(huì)分析非理想信道狀態(tài)信息對(duì)安全性能的影響，并考慮路由性能，如數(shù)據(jù)包丟失率、傳輸時(shí)延等。