WSN中一種多跳協(xié)作MIMO傳輸策略

張朝霞 謝 達 羅智勇

（1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲412004；2.中國人民解放軍廣州軍區(qū)75741部隊，廣東 廣州510510）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)以萬計的無線傳感器節(jié)點被隨機地布署在人類難以接近的場所，通過自組織的方式快速構(gòu)成一個有效、可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)。給這些節(jié)點更換電池通常是不現(xiàn)實的，故，節(jié)省能量在WSN設(shè)計中非常重要，其直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的實際生存時間。協(xié)作MIMO（多入多出Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)作為WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的有效節(jié)能技術(shù)之一，近年來成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[1－2]。ECVT等傳輸策略能延長生存時間，而沒有考慮多跳模型，沒有按照實際情況將SINK節(jié)點其放在監(jiān)測區(qū)域之外。

基于以上問題，本文根據(jù)地理信息的算法進行動態(tài)分域，在考慮信道正交度和節(jié)點剩余能量的情況下，建立了一個應(yīng)用更為廣泛的多跳協(xié)作MIMO模型，提出多跳協(xié)作MIMO傳輸策略。

1 基于多跳協(xié)作MIMO的WSN模型

建立一個在邊長為M的方形區(qū)域內(nèi)隨機分布著N個節(jié)點，所有傳感器節(jié)點同構(gòu)且能量有限，只具有簡單的計算能力[3]。SINK節(jié)點能量、形狀等不受限制，有較強的計算能力。各個節(jié)點完成定位后不能移動，節(jié)點之間能相互通信（包括SINK節(jié)點）得知彼此信息。

基于地理信息對WSN劃分域，域的個數(shù)kc與每輪存活節(jié)點數(shù)Ni成一定比例（kc=βNi），并在運行過程中根據(jù)節(jié)點能量大小動態(tài)輪換域首節(jié)點。如圖1所示，在形成域之后，假設(shè)每一輪只有其中一個域因檢測到突發(fā)事件而產(chǎn)生數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)域首節(jié)點融合后以多跳協(xié)作傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到SINK節(jié)點。當(dāng)所有的域形成后，每個域的域首節(jié)點開始選擇個Mt協(xié)作節(jié)點作為MIMO傳輸系統(tǒng)的發(fā)送/接收節(jié)點。域首節(jié)點廣播一個協(xié)作傳輸請求信息給協(xié)作節(jié)點，協(xié)作節(jié)點收到協(xié)作傳輸請求信息后，記下域首節(jié)點的ID并且發(fā)送一個反饋信息。每個域首節(jié)點每輪都需要動態(tài)地創(chuàng)建一個包含目標域首節(jié)點ID信息、下一跳域首節(jié)點、協(xié)作節(jié)點ID以及本域協(xié)作傳輸節(jié)點ID的路由表。每一輪數(shù)據(jù)傳輸完成后，域首節(jié)點都需要及時更新路由表中的數(shù)值并將其廣播給其它的域首節(jié)點。

當(dāng)某個區(qū)域內(nèi)檢測到觸發(fā)事件時，普通節(jié)點采集數(shù)據(jù)，并將其傳送到域首節(jié)點，域首節(jié)點對采集的數(shù)據(jù)進行融合后發(fā)往協(xié)作節(jié)點，協(xié)作節(jié)點對其進行STBC（空時分組碼Space-Time Block Coding）編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳，直至SINK節(jié)點。

2 節(jié)點剩余能量及能耗分析

對于未參與協(xié)作傳輸?shù)钠胀ü?jié)點與域首節(jié)點的剩余能量Eren、Ereh分別與上輪（首輪為初始值）傳輸后的普通節(jié)點與域首節(jié)點的剩余能量Eren0和Ereh0，域內(nèi)短距離傳輸、接收的每比特能耗Etrl和Erel，域間協(xié)作節(jié)點到下一跳協(xié)作節(jié)點（最后一跳為節(jié)點到SINK節(jié)點）長距離傳輸?shù)拿勘忍啬芎腅trL，域首節(jié)點融合數(shù)據(jù)時的每比特能耗Eda，一輪（round）中節(jié)點i需要傳輸數(shù)據(jù)的比特數(shù)為Lri，數(shù)據(jù)聚合因子dagg，每輪中第j個協(xié)作MIMO域內(nèi)的存活節(jié)點數(shù)目Nj等因素有關(guān)。

每一輪傳輸數(shù)據(jù)的能量消耗由以下兩個部分組成：域內(nèi)的傳輸能量消耗Elocal和域間（最后一跳為協(xié)作MIMO域到SINK節(jié)點）的傳輸能量消耗Ectoc。

3 實驗仿真與分析

實驗中，采用Matlab7.0對本文提出的多跳協(xié)作MIMO傳輸策略進行仿真驗證與分析。設(shè)100個節(jié)點均勻分布在100*100米的方形區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點的初始能量為0.5J，SINK節(jié)點分布在區(qū)域外。每一輪形成域個數(shù)為kc=ceil（βNi）（β=0.1，Ni是上輪存活節(jié)點數(shù)，ceil（·）為向下取整函數(shù)），每個域中選擇的協(xié)作節(jié)點個數(shù)均為3，星座調(diào)制級數(shù)b=4。

為驗證該策略的節(jié)點存活率性能，針對E-MIMO（現(xiàn)有典型的基于LEACH協(xié)議的協(xié)作MIMO傳輸策略）和本文策略進行了對比仿真實驗。

圖1 100m*100m監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的節(jié)點存活率

圖1為100m*100m監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的節(jié)點存活率。兩種策略存活節(jié)點的分布性都比較好，但是在檢測區(qū)域的右下方，本文策略的節(jié)點存活率要優(yōu)于E-MIMO策略，本文提出的傳輸策略在采用了基于地理位置的動態(tài)分域后則有效地避免了節(jié)點能耗過早耗盡出現(xiàn)了監(jiān)測空洞的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

為解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗問題，針對現(xiàn)在算法在監(jiān)測空洞和信道正交度方面考慮的不足，根據(jù)節(jié)點地理信息分域，并聯(lián)合信道正交度和節(jié)點剩余能量來選擇協(xié)作節(jié)點提出了一種高效節(jié)能的多跳協(xié)作MIMO傳輸策略。仿真結(jié)果表明，文中提出的策略能有效地避免了監(jiān)測空洞的現(xiàn)象。

［1］Jayaweera S.K.,V-BLAST-Based Virtual MIMO for Distributed Wireless Sensor Networks[J].IEEE Transactions on Communications.2007,55(2)：1867-1872.

［2］Islam M R,Kim J.On the cooperative MIMO communication for energyefficient cluster-to-cluster transmission at wireless sensor network[J].Annals of Telecommunications,2010,65(5)：325-340.

［3］Pei T,Xie D,Li Z,et al.A Heterogeneous-aware Cooperative MIMO Transmission Scheme in WSN[J].Journal of Software,2013,8(3)：639-644.