WSNs中基于協(xié)作通信的分簇路由算法研究

張曉青，黎作鵬，李志華，趙繼軍

(河北工程大學信息與電氣工程學院，河北邯鄲056038)

在采用協(xié)作路由的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點之間相互協(xié)作共同完成監(jiān)測任務，這樣不僅可以延長網(wǎng)絡(luò)生命周期［1］，而且可以保障網(wǎng)絡(luò)吞吐量［2］。以減少能量消耗、降低丟包率、優(yōu)化平均傳輸時延［3］、降低路徑損耗［4］為目標的現(xiàn)有算法，均是在尋找最短路徑的基礎(chǔ)上優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能指標，但最短路徑不一定是最優(yōu)路由。關(guān)于如何保障數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題，文獻［5－6］側(cè)重研究如何最小化中斷概率和優(yōu)化源節(jié)點與中繼節(jié)點的發(fā)送功率等問題。文獻［7］則重點闡述了如何保證每條鏈路所需的誤碼率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。文獻［8－9］提出了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的數(shù)據(jù)信息傳輸策略。上述所提到的路由算法都忽略了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布狀況對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的影響，因此存在路由效率低，擴展性差等缺陷。針對上述策略的不足，本文綜合考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布狀況對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的影響，將協(xié)作路由和分簇拓撲結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)中成員節(jié)點間的協(xié)作通信，達到優(yōu)化源－目的節(jié)點路徑，提高網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率，增強網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃?，提出了一種基于協(xié)作通信的分簇路由算法。

1 系統(tǒng)模型

WSNs由傳感器節(jié)點和sink節(jié)點組成，節(jié)點集合則稱為簇。傳感器節(jié)點隨機分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，這些節(jié)點在分簇機制作用下組成不同的簇，每個簇選取一個節(jié)點作為簇首節(jié)點，簇中其余節(jié)點則稱之為成員節(jié)點。

WSNs均采用正交信道，即網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信息的信道相互獨立，協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。在協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)模型中，協(xié)作節(jié)點r首先將來自于源節(jié)點s的數(shù)據(jù)信息解碼、檢測估計處理，然后將其傳送至目的節(jié)點d。d將來自s的信息和來自r的信息進行融合處理后得到最終數(shù)據(jù)。研究表明協(xié)作路由可以提高系統(tǒng)吞吐量、增大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量、提升數(shù)據(jù)傳輸速率、有效地對抗衰落并提高系統(tǒng)的頻譜利用率，優(yōu)化系統(tǒng)的服務質(zhì)量和提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸可靠性。

在分簇過程中，依據(jù)權(quán)值In選取簇首節(jié)點，權(quán)值In為

式中Dn－該節(jié)點通信半徑范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點個數(shù)，即該節(jié)點的度數(shù);Pn－該節(jié)點的鄰居節(jié)點與其距離之和;Bn－該節(jié)點剩余的可用帶寬。

系數(shù)a、b和c滿足a+b+c=1，用戶可以根據(jù)具體應用需求調(diào)整系數(shù)a、b和c分配比例。

當節(jié)點i(s，r∈i)將信息發(fā)送到節(jié)點j(r，d∈j)時，節(jié)點j的信噪比SNRi.j［5］為

式中節(jié)點i和節(jié)點j－信道中的路徑損耗系數(shù)為－ 節(jié)點i的發(fā)送功率－ 節(jié)點j的協(xié)方差;hi，j－信道本身的衰減及衰落特性。

信道增益hi，j［5］為

由Shannon信道容量公式可知，C=Wlog(1+SNR)中的信道帶寬W通過歸一化可得到信道頻譜利用率

2 算法描述

本文在將節(jié)點的分布密度和協(xié)作通信相結(jié)合的基礎(chǔ)上進行路由算法優(yōu)化。為降低路由計算的復雜度，本文中的WSNs采用分簇拓撲結(jié)構(gòu)，來尋找頻譜利用率最大的協(xié)作路徑。該算法分為以下三個步驟:

1)分簇。WSNs的分簇拓撲結(jié)構(gòu)包括簇首和成員兩類節(jié)點。在選簇過程中主要研究鄰居節(jié)點數(shù)量、節(jié)點的發(fā)送功率和信道的剩余帶寬，且根據(jù)用戶具體要求調(diào)整其各自的權(quán)重因子。分簇的具體過程如下:(1)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點周期性交換HELLO信息，確定鄰居節(jié)點的位置。(2)選取鄰居節(jié)點中權(quán)值In最大的作為簇首節(jié)點，并向其他節(jié)點廣播自己的身份信息。(3)重復上述步驟，直到所有節(jié)點找到歸屬的簇，分簇完成。簇首節(jié)點之間廣播消息，并收集其他簇首節(jié)點的位置信息建立簇間拓撲。至此，分簇過程結(jié)束，如圖2所示。

2)簇間路由。分簇完成后，當簇中有成員節(jié)點需要將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至其他簇中的目的節(jié)點時，s所在簇的簇首節(jié)點需要確定該數(shù)據(jù)信息要通過哪個簇的轉(zhuǎn)發(fā)，其路徑如圖3所示。簇間路由分為兩個進程:(1)簇間路由選擇。s所在簇中的簇首節(jié)點依據(jù)分簇過程中建立的簇間拓撲信息，確定到d所在簇簇首節(jié)點之間的路徑。然后根據(jù)公式(2)和公式(4)計算每條路徑的SNR和η，并選取η最大的路徑作為傳輸路徑;(2)協(xié)作通信優(yōu)化路由。首先在選擇的簇間路徑上確定每一跳中可以作為備選協(xié)作節(jié)點的傳感器節(jié)點;在簇間通信過程中，簇首節(jié)點之間可以選取兩種傳輸方式:直接傳輸方式和協(xié)作傳輸方式。由于傳輸路徑中存在多個備選協(xié)作節(jié)點，因此通過計算公式(2)和(4)得出SNR和η，進而確定簇首節(jié)點之間的傳輸方式。

簇首節(jié)點通過以上步驟可以獲得一條從A簇的簇首節(jié)點到C簇的簇首節(jié)點的簇間路由。

3)簇內(nèi)路由。簇間路由確定后需要通過簇內(nèi)路由算法確定簇內(nèi)路徑，具體過程如圖4所示。s在A簇中需要經(jīng)過簇內(nèi)路由將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至A簇的簇首節(jié)點，同樣C簇的簇首節(jié)點也需要經(jīng)過簇內(nèi)路由將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至C簇的d。此時簇內(nèi)路由的傳輸方式可以采取協(xié)作傳輸或直接傳輸方式中的任意一種。

簇內(nèi)路由算法具體描述如下:(1)分別計算s到本簇內(nèi)簇首節(jié)點采取直接傳輸和協(xié)作傳輸?shù)腟NR和η，并比較計算結(jié)果，若最大η對應一個中繼節(jié)點則選取該中繼節(jié)點作為r，為了提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，此時系統(tǒng)將采取協(xié)作傳輸方式進行網(wǎng)絡(luò)信息通信，反之則采取直接傳輸方式。(2)同樣，d所在簇的簇首節(jié)點依據(jù)SNR和η選擇直接傳輸或協(xié)作傳輸方式將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至d，至此數(shù)據(jù)信息傳輸完成。

3 仿真結(jié)果與分析

采用MATLAB仿真平臺，針對文獻［7］中未分簇的協(xié)作路由算法和所提的基于協(xié)作通信的分簇路由算法分別在SNR和η方面進行了性能比較。

具體仿真環(huán)境設(shè)定如下:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為同構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器節(jié)點具有相同的初始功率，在網(wǎng)絡(luò)拓撲范圍為1 000 m×1 000 m的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨機分布多個傳感器節(jié)點。假設(shè)任意兩個傳感器節(jié)點之間通信的信道是瑞利慢衰落信道，且符合相互獨立同分布的循環(huán)對稱復高斯隨機變量。噪聲變量為－70 dbm，功率分配系數(shù)為0.5。

圖5為基于協(xié)作通信的分簇路由算法與未分簇協(xié)作路由算法的SNR和η性能對比圖。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量較少時，基于協(xié)作通信的分簇路由算法的SNR和未分簇協(xié)作路由算法相比優(yōu)勢并不明顯。這是由于節(jié)點數(shù)量較少時，兩種算法都沒有足夠多的r協(xié)助系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)信息的傳輸。但當傳感器節(jié)點數(shù)量足夠多時，隨著可備選的r數(shù)量增多，SNR迅速增大，且逐漸趨于平滑。這是由于當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時未分簇協(xié)作路由算法不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體變化做出迅速反應，且不能借助其他節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，導致傳輸可靠性偏低。而分簇協(xié)作路由算法根據(jù)分簇拓撲減少節(jié)點的通信量，且擁有足夠多的鄰居節(jié)點協(xié)作傳輸數(shù)據(jù)信息，更充分地利用了網(wǎng)絡(luò)資源，提高了數(shù)據(jù)信息傳輸可靠性。

基于協(xié)作通信的分簇路由算法和未分簇協(xié)作路由算法的頻譜利用率性能對比圖如圖6所示。由圖可知，在無線傳感器節(jié)點數(shù)量較少時，由于基于協(xié)作通信的分簇路由算法中簇首節(jié)點沒有足夠多的協(xié)作節(jié)點來協(xié)助傳輸數(shù)據(jù)，所以性能優(yōu)勢并不明顯。隨著無線傳感器節(jié)點數(shù)量的增多，該算法在頻譜利用率方面有了顯著的提升。

4 結(jié)論

基于協(xié)作的分簇路由算法在無線傳感器節(jié)點數(shù)量較少時，沒有足夠多的協(xié)作節(jié)點來協(xié)助傳輸數(shù)據(jù)，信噪比和頻譜利用率的性能優(yōu)勢并不明顯;隨著節(jié)點數(shù)量的增多，該算法降低了路由通信的功耗，并提升了協(xié)作帶來的路由增益，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

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