基于分簇的傳感網(wǎng)虛擬MIMO協(xié)議

宋世瑋，仇　建

(杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018)

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基于分簇的傳感網(wǎng)虛擬MIMO協(xié)議

宋世瑋，仇建

(杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018)

摘要：提出一種應(yīng)用于無(wú)線傳感網(wǎng)的新型分簇式虛擬MIMO協(xié)議。協(xié)議基于簇頭輪換，避免大量重新分簇帶來(lái)的拓?fù)渚S護(hù)開(kāi)銷(xiāo)，從而提高網(wǎng)絡(luò)能量效率。在簇間路由中，提出一種新型的“跨跳”操作，以平衡網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)與簇的能耗和生命周期。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該協(xié)議較現(xiàn)有的的虛擬MIMO在能耗總量和均衡上均具有更好的效果。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)；協(xié)作式MIMO；簇頭輪換

0引言

無(wú)線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Networks,WSN)技術(shù)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量制約一直是最重要的問(wèn)題之一。多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)技術(shù)是無(wú)線通信領(lǐng)域中的重大技術(shù)突破。人們將MIMO的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到WSN技術(shù)中，以提高網(wǎng)絡(luò)效率，虛擬MIMO的概念應(yīng)運(yùn)而生[1]，即通過(guò)地理上相對(duì)接近的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作組成天線陣列，從而達(dá)到與傳統(tǒng)MIMO相近的效果[2]。

在大規(guī)模的虛擬MIMO系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)化具有十分重要的意義[3]。當(dāng)前較為典型的節(jié)點(diǎn)組織方式是基于分簇的協(xié)作式MIMO，即每個(gè)簇選擇一到兩個(gè)簇頭來(lái)進(jìn)行簇間通信[4]。文獻(xiàn)[5]提出根據(jù)簇頭剩余能量動(dòng)態(tài)地進(jìn)行重新分簇，以及根據(jù)簇間通信距離動(dòng)態(tài)選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)；文獻(xiàn)[6]中協(xié)作節(jié)點(diǎn)不是從簇內(nèi)選，而是相鄰簇的簇頭聯(lián)合組成協(xié)作節(jié)點(diǎn)；文獻(xiàn)[7]中根據(jù)簇頭剩余能量調(diào)整簇的規(guī)模。然而，大部分分簇方案均采用周期性全網(wǎng)重新分簇，在每次重新分簇后，都要重新建立簇間多跳路由[4]，從而造成電源浪費(fèi)。本文提出一種新型的基于簇頭輪換的方案，在非迫不得已的情況下避免了重新分簇，大大降低了系統(tǒng)能耗；同時(shí)，在簇間路由過(guò)程中，提出一種新型的簇間“跨跳”操作，平衡不同節(jié)點(diǎn)和簇的能耗，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效生存時(shí)間。

1協(xié)議框架和描述

本文所提出的協(xié)議將協(xié)作式MIMO與基于能量驅(qū)動(dòng)的簇內(nèi)簇頭輪換結(jié)合，并應(yīng)用于WSN，避免大量重復(fù)的全網(wǎng)重新分簇，同時(shí)使節(jié)點(diǎn)能耗盡可能平衡。協(xié)議分為簇形成、簇內(nèi)傳輸、簇間傳輸和簇頭輪換4個(gè)階段。算法框架如圖1所示。

圖1　協(xié)議框架圖

1.1　簇形成階段

所有節(jié)點(diǎn)以固定的低功率在一跳范圍內(nèi)廣播“Hello”消息包，內(nèi)容包含節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)剩余能量等信息。而節(jié)點(diǎn)在收到鄰居節(jié)點(diǎn)的“Hello”包之后，將相關(guān)信息存儲(chǔ)于自己的鄰居表中，并據(jù)此在一跳范圍內(nèi)選舉剩余能量最多者作為主簇頭(main Cluster Head，mCH)[5]。若某節(jié)點(diǎn)選擇自身為mCH，則廣播一個(gè)簇組織(Cluster Formation，CF)消息包，內(nèi)容包含mCH的節(jié)點(diǎn)ID、簇編號(hào)、剩余能量等信息；其他節(jié)點(diǎn)在收到CF包之后，就加入該簇，并且回復(fù)一個(gè)入簇申請(qǐng) (Join Cluster，JC)消息包。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)以上的CF包時(shí)，將根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行選擇。系統(tǒng)重復(fù)以上操作直到所有節(jié)點(diǎn)都隸屬于某個(gè)簇，即成為mCH或普通的簇成員(Cluster Member，CM)節(jié)點(diǎn)。為了在長(zhǎng)距離簇間傳輸中使用虛擬MIMO技術(shù)，有效利用分集增益，mCH從CM節(jié)點(diǎn)中選擇剩余能量最多者作為輔助簇頭(assistant Cluster Head，aCH)，共同組成虛擬天線陣列。

1.2　簇內(nèi)通信階段

CM節(jié)點(diǎn)以簇內(nèi)通信的低功率，用TDMA的方式將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送至mCH或aCH，每個(gè)傳感數(shù)據(jù)包附加2 Bytes剩余能量信息以使CH可以掌握CM節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)能耗狀態(tài)。CM節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇形成階段收到的CF包的信號(hào)強(qiáng)度，決定將數(shù)據(jù)發(fā)送至mCH還是aCH以使兩簇頭能耗負(fù)擔(dān)相對(duì)均衡。mCH和aCH收集到傳感數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，并以空時(shí)分組編碼的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。最后，mCH和aCH交換編碼后的數(shù)據(jù)包，以準(zhǔn)備進(jìn)行簇間多跳協(xié)作式MIMO通信。

1.3　簇間傳輸階段

1.3.1建立簇間多跳路由

各相鄰簇的mCH之間以一種遠(yuǎn)小于普通數(shù)據(jù)包的簇間控制消息包交換信息，并運(yùn)用一種改進(jìn)的Dijkstra算法建立終點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)(SINK)的簇間多跳路由。其中，路由鏈路權(quán)值取決于兩個(gè)因素，即鏈路代價(jià)、鏈路兩端簇的剩余能量。例如，對(duì)于給定的簇u和v，鏈路權(quán)值w(u,v)=βc(u,v)+(1-β)(1/euv)，其中β是折衷因子，euv是簇u和v的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余能量總和，c(u,v)是從u到v傳送每個(gè)數(shù)據(jù)包的能耗。β的值影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能效和生存時(shí)間，因此必須慎重選擇。

1.3.2MIMO模式的選擇

由于高階的MIMO需要復(fù)雜的處理電路，造成不必要的能量消耗，因此本方案根據(jù)傳輸距離大小，選擇2-2/2-1兩種形式的MIMO，以及SISO共3種模式進(jìn)行簇間協(xié)作傳輸。相鄰兩簇之間用簇間控制消息包，通過(guò)多次握手，選擇最佳MIMO模式，同時(shí)進(jìn)行時(shí)間同步。

1.3.3簇間MIMO傳輸

mCH和aCH以協(xié)作MIMO的方式將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)包以簇間多跳的方式最終傳送到SINK節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2　簇間多跳傳輸

2簇頭輪換協(xié)議和“跨跳”路由

由于節(jié)點(diǎn)在作為CH時(shí)的信息傳輸量遠(yuǎn)大于作為CM時(shí)的量，其能耗速度也大大提高。為平衡節(jié)點(diǎn)間的能耗，節(jié)點(diǎn)必須輪流擔(dān)任簇頭。為避免全網(wǎng)重新分簇造成的能量耗費(fèi)，本文設(shè)計(jì)了一種簇頭輪換方式，令簇內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)任mCH和aCH的角色，使簇頭替換的操作局限于簇內(nèi)，以降低拓?fù)渚S護(hù)的成本開(kāi)銷(xiāo)。此外，本方案還引入簇間“跨跳”操作，使不同的簇的能耗相對(duì)平衡。

當(dāng)某個(gè)mCH或aCH的剩余能量低于一個(gè)特定的閾值(例如P×Eini，其中Eini為該節(jié)點(diǎn)被選為CH時(shí)的初始剩余能量，P是值為0到1之間的閾值比例)時(shí)，啟動(dòng)簇頭輪換過(guò)程如下描述。

1)該CH和簇內(nèi)另一CH(如果存在的話)交換鄰居信息表，根據(jù)表中信息選擇剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)作為新的mCH。當(dāng)前mCH在簇內(nèi)廣播一個(gè)mCH Selecting消息包，包含新mCH的相關(guān)信息以及本簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量大小的排名信息。然后當(dāng)前mCH和aCH轉(zhuǎn)換狀態(tài)為CM。至此，簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都知道了誰(shuí)是新mCH。

2)新的mCH廣播一個(gè)ACK確認(rèn)消息包給原mCH以及簇內(nèi)CM節(jié)點(diǎn)，此ACK也用來(lái)招募CM節(jié)點(diǎn)。同時(shí)在簇內(nèi)廣播aCH Selecting消息包，以選擇一個(gè)能量排名最高的簇內(nèi)CM節(jié)點(diǎn)作為新的aCH。新的aCH在簇內(nèi)廣播一個(gè)簇內(nèi)控制消息包，以招募CM節(jié)點(diǎn)。

3)CM節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟1和步驟2收到的廣播消息包的信號(hào)強(qiáng)度，選擇將傳感數(shù)據(jù)傳送給mCH與aCH中與自身距離較近者，并廣播一個(gè)ACK以確認(rèn)連接。如果某個(gè)CM節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到新的CH的任何消息包，或者接收到的消息包信號(hào)強(qiáng)度低于有效值，說(shuō)明它已超出了簇內(nèi)通信有效范圍，因此必須尋找并加入其他相鄰的簇。

4)新的mCH和aCH與上一跳和下一跳簇的mCH和aCH交換簇間控制消息包，以估計(jì)信道狀態(tài)和選擇最佳MIMO模式，并計(jì)算通信功率分配。然后繼續(xù)進(jìn)行簇內(nèi)和簇間通信。

圖3　簇頭輪換

6)簇間“跨跳”操作。多跳協(xié)作式MIMO中，由于越靠近SINK的簇需要承擔(dān)越多的簇間轉(zhuǎn)發(fā)量，導(dǎo)致這些簇能量較快耗盡，大大縮短了全網(wǎng)的有效運(yùn)行時(shí)間。為了盡量平衡各簇的能耗，采用簇間“跨跳”操作，如圖4所示。當(dāng)簇u的能量級(jí)別低于某個(gè)特定的值，簇內(nèi)CH發(fā)送低能量提示信息(LENM)給上一跳的簇v的CH，LENM中包含簇頭ID、簇ID、鏈路距離等信息。簇v的CH通過(guò)選擇額外的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行更高階的MIMO通信，以獲得更遠(yuǎn)的通信距離，從而跨過(guò)簇u，直接與路由樹(shù)中簇u的下一跳簇w進(jìn)行通信。處于低能量狀態(tài)的簇u則只進(jìn)行自身的傳感數(shù)據(jù)收集與提交，而不參與轉(zhuǎn)發(fā)上一跳的簇的數(shù)據(jù)以節(jié)省能耗。隨著網(wǎng)絡(luò)持續(xù)運(yùn)行，當(dāng)簇w的剩余能量大大減少，導(dǎo)致u和w的剩余能量接近，此時(shí)“跨跳”的條件不再滿足，網(wǎng)絡(luò)將恢復(fù)“跨跳”之前的路由連接，即從圖3(c)回到圖3(a)。由于低能量的簇容易在很短時(shí)間內(nèi)耗盡能量而“死亡”，而“跨跳”操作利用MIMO的傳輸特性最大限度延長(zhǎng)了其生存時(shí)間，從而平衡了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不同簇的壽命，使網(wǎng)絡(luò)中大部分簇能夠有效運(yùn)行的時(shí)間盡量延長(zhǎng)。

圖4　簇間“跨跳”操作

3仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)中，400個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于200 m×200 m的區(qū)域，SINK節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域的中心，每個(gè)節(jié)點(diǎn)初始能量為95 J到105 J。

圖5　存活節(jié)點(diǎn)數(shù)和全網(wǎng)剩余能量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

節(jié)點(diǎn)到SINK的距離和節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間(輪數(shù))之間的關(guān)系如圖6所示。很明顯，文獻(xiàn)[7]的方案中，距離SINK較近的節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間較短，這是由于在多跳傳輸中越靠近SINK的簇承擔(dān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量越大。而在本協(xié)議中，簇間“跨跳”操作使得與SINK不同距離的節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間較為平衡。

圖6　節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間與到SINK距離的關(guān)系

圖7　不同輪換閾值比例P下的效果

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種應(yīng)用于無(wú)線傳感網(wǎng)的基于簇頭輪換和“跨跳”的分簇式虛擬MIMO協(xié)議，避免重新分簇，節(jié)省并平衡節(jié)點(diǎn)能耗。仿真實(shí)驗(yàn)證明該協(xié)議與文獻(xiàn)[7]中的分簇式虛擬MIMO方案相比具有更好的能量效率和更長(zhǎng)的系統(tǒng)有效運(yùn)行時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

[1]Cui S,Goldsmith A J,Bahai A.Energy-eFFiciency oF MIMO and cooperative MIMO techniques in sensor networks[J].Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,2004,22(6):1089-1098.

[2]Nguyen D N,Krunz M.A cooperative clustering protocol For energy constrained networks[C]//Sensor，Mesh and Ad Hoc Communications and Networks (SECON),2011 8th Annual IEEE Communications Society ConFerence on.Salt Lake City：IEEE,2011:574-582.

[3]Li B,Wang W J,Yin Q Y,et al.A New Cooperative Transmission Metric in Wireless Sensor Networks to Minimize Energy Consumption per Unit Transmit Distance[J].IEEE Communications Letters,2012,16(5):626-629.

[4]Siam M Z,Krunz M,Younis O.Energy-eFFicient clustering/routing For cooperative MIMO operation in sensor networks[C]//INFOCOM 2009,IEEE.Rio de Janeiro：IEEE,2009:621-629.

[5]Li D,Wu X,Yang L,et al.Energy-eFFicient dynamic cooperative virtual MIMO based routing protocol in wireless sensor networks[C]//Communications and Networking in China (CHINACOM),2013 8th International ICST ConFerence on.Guilin：IEEE,2013:523-527.

[6]Ding J,Liu D,Wang X,et al.An energy-eFFicient virtual MIMO transmission scheme For cluster-based wireless sensor networks[C]//Communication Technology (ICCT),2010 12th IEEE International ConFerence on.Nanjing：IEEE,2010:809-813.

[7]He P,Tian H,Shen H.Energy-eFFicient cooperative MIMO routing in wireless sensor networks[C]//Networks (ICON)，2012 18th IEEE International ConFerence on.Singapore：IEEE,2012: 74-79.

A Cluster-based Virtual MIMO Protocol For Wireless Sensor Networks

Song Shiwei， Qiu Jian

(InstituteoFComputerApplication，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract:This paper proposes a novel cluster-based virtual MIMO protocol For wireless sensor networks. The protocol adopts cluster-head rotation to avoid massive re-clustering energy waste as well as improving energy eFFiciency oF the entire network. In the inter-cluster routing， a new operation named “over-jump” is introduced to make energy consumption and liFetime balance among diFFerent nodes. The simulation results show that the proposed protocol is more eFFectively in energy saving and balance， compared with traditional cluster-based virtual MIMO systems．

Key words:wireless sensor networks; virtual MIMO; cluster head rotation

中圖分類號(hào)：TP393.03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9146(2015)03-0052-04

通信作者：

作者簡(jiǎn)介：宋世瑋(1989-)，男，浙江紹興人，在讀研究生，無(wú)線傳感網(wǎng).仇建副教授，E-mail：qiujian@hdu.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61272539)

收稿日期：2014-07-10

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.03.010