基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略

重慶工商職業(yè)學(xué)院 秦曉琴

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基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略

重慶工商職業(yè)學(xué)院 秦曉琴

【摘要】分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)運用于大型結(jié)構(gòu)設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測，其傳輸速率低、實時性差，難以滿足災(zāi)異情況下結(jié)構(gòu)設(shè)施監(jiān)測中大量數(shù)據(jù)的實時傳輸要求。本文提出基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸策略，將虛擬MIMO技術(shù)運用于分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，并結(jié)合傳感器節(jié)點的位置信息和信道SNR值對簇內(nèi)區(qū)域進(jìn)行劃分，以提高系統(tǒng)吞吐量，獲取盡可能全面的數(shù)據(jù)信息對結(jié)構(gòu)設(shè)施的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。通過仿真分析得出，在相同的時間內(nèi)，基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略相比傳統(tǒng)分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略可以獲得更高的數(shù)據(jù)吞吐量且數(shù)據(jù)信息分布更均勻。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；虛擬MIMO技術(shù)；分簇

1.引言

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）［1］因其較高的魯棒性、準(zhǔn)確性、靈活性等特點被廣泛運用于大型結(jié)構(gòu)設(shè)施（如海洋平臺）的狀態(tài)監(jiān)測。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)施遭遇自然災(zāi)害等突發(fā)事件時其狀態(tài)會發(fā)生劇烈變化，產(chǎn)生大量的傳感數(shù)據(jù)，在這種情況下需要將大量數(shù)據(jù)信息實時可靠的傳輸給監(jiān)控中心以進(jìn)行正確的安全性評估。傳統(tǒng)分簇WSN傳輸速率低、實時性差，無法滿足災(zāi)異情況下大量數(shù)據(jù)的實時傳輸要求，將虛擬MIMO技術(shù)運用于分簇WSN中并結(jié)合節(jié)點位置信息與信道SNR值，提出基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略，以提高系統(tǒng)吞吐量，實時傳輸盡可能全面的數(shù)據(jù)信息。

2.傳統(tǒng)分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略

如圖1所示，在監(jiān)測的結(jié)構(gòu)設(shè)施上采用傳統(tǒng)分簇結(jié)構(gòu)，每個簇包含一個簇首節(jié)點和若干個普通節(jié)點。當(dāng)監(jiān)測的結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化時，簇內(nèi)普通節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理后傳輸給簇首節(jié)點。簇首節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給其他簇首節(jié)點，經(jīng)過多個簇首節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，最后將數(shù)據(jù)實時傳送給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點存儲數(shù)據(jù)并將部分?jǐn)?shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程傳送給控制中心，由控制中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并正確判斷出結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

在傳統(tǒng)分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，簇內(nèi)通信通常采用傳統(tǒng)時分復(fù)用技術(shù)，稀缺的時/頻資源無法得到有效利用，而采用碼分復(fù)用技術(shù)，傳感器節(jié)點很多的情況下，需要專門對碼字分配進(jìn)行管理，簇首節(jié)點的復(fù)雜度增加，難以快速應(yīng)對大量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的通信技術(shù)無法滿足大量數(shù)據(jù)的實時傳輸要求，將虛擬MIMO技術(shù)運用于分簇WSN中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以提高系統(tǒng)吞吐量，彌補傳統(tǒng)方式的不足。

圖1　傳統(tǒng)分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型

3.虛擬MIMO技術(shù)

虛擬MIMO技術(shù)［2］是通過將多個單天線節(jié)點聯(lián)合組成一個虛擬的多天線陣列，構(gòu)成的虛擬天線陣列使用相同的時/頻資源進(jìn)行通信，增加時/頻資源利用率，提高系統(tǒng)吞吐量，從而實現(xiàn)可靠傳輸。簇內(nèi)采用最簡單的2×2MIMO系統(tǒng)，由兩個普通節(jié)點和一個簇首節(jié)點構(gòu)成，如圖2所示。節(jié)點A和B構(gòu)成一個虛擬的天線陣列，可以同時向簇首節(jié)點C發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點C可以通過MIMO的接收系統(tǒng)分別正確的接收到節(jié)點A和節(jié)點B的數(shù)據(jù)。

圖2　2×2虛擬MIMO結(jié)構(gòu)

圖2對應(yīng)的信道矩陣表示為：

式1中H1n、H2n分別表示兩個節(jié)點與簇首之間的信道矩陣。簇首接收到的信號向量r表示為：

式2中x表示的是兩個節(jié)點的發(fā)射信號向量，n表示的是噪聲向量。從式2 得出，節(jié)點A和節(jié)點B占用相同時頻資源發(fā)送數(shù)據(jù)信號，節(jié)點C接收到的信號向量近似等于A，B單獨發(fā)送時接收到的信號之和。即2×2的虛擬MIMO系統(tǒng)吞吐量是兩個簇內(nèi)節(jié)點單獨的信道容量的疊加，理論上可以將系統(tǒng)的容量提升兩倍。

由此可見，虛擬MIMO系統(tǒng)吞吐量會受到節(jié)點A和節(jié)點B與簇首節(jié)點之間的信道矩陣的影響。而在虛擬MIMO系統(tǒng)中通常采用RPS［3］，OPS［4］，DPS［5］等方式選擇節(jié)點A和節(jié)點B作為通信節(jié)點對，但當(dāng)兩個節(jié)點距離很近時，采用這些方式會出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余度過大的情況，影響數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的有效性。因此，為了避免數(shù)據(jù)采集過于集中，在最短的時間內(nèi)獲取分布盡可能均勻的數(shù)據(jù)信息，必須優(yōu)化與簇首節(jié)點進(jìn)行通信的節(jié)點對的選擇。

4.基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸策略

在分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，簇內(nèi)節(jié)點配置一根天線，其各項性能完全相同且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也相同，簇首節(jié)點有兩根天線用于簇內(nèi)傳輸且具備簇內(nèi)所有節(jié)點的位置信息，結(jié)合簇內(nèi)節(jié)點位置信息與信道SNR值，在這里提出基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸策略，簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合示意圖如圖3所示。

圖3　簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合示意圖

當(dāng)傳感器節(jié)點部署完成后，簇首節(jié)點就為其所管理的簇劃分區(qū)域。如果結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化，簇首節(jié)點立即測量簇內(nèi)普通節(jié)點信道的SNR值，然后選擇與簇首節(jié)點進(jìn)行通信的節(jié)點對。節(jié)點對選取完成后，由簇首節(jié)點為節(jié)點對分配數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間片，節(jié)點對便開始將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點，時間片以循環(huán)的方式分配一直到結(jié)構(gòu)設(shè)施狀態(tài)穩(wěn)定為止。

在基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，每個簇首節(jié)點維護(hù)一張表T，T表中包含多張區(qū)域子表TA，各區(qū)域子表存儲該區(qū)域內(nèi)的節(jié)點信息，包括節(jié)點編號Nodei（i=1，2，3…n），位置信息（Xi， Yi），信噪比SNRi，數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)識DATAi（標(biāo)識為1表示有數(shù)據(jù)發(fā)送，為0表示沒有數(shù)據(jù)發(fā)送），計數(shù)器P［Nodei］（初始值為0，當(dāng)某一節(jié)點被選擇成為傳輸節(jié)點進(jìn)行通信時，其P［Nodei］=1，每被選中一次P［Nodei］就增加一）。具體步驟如下：

（1）區(qū)域劃分。以簇首節(jié)點O（0，0）為中心建立坐標(biāo)系，將整個簇劃分為大小完全相等的N個扇形區(qū)域，每個扇形區(qū)域?qū)?yīng)的圓心角α=3600/N。簇首節(jié)點統(tǒng)計（0， α）范圍的節(jié)點個數(shù)Ki（i=1，2，..，N），并結(jié)合簇內(nèi)節(jié)點總數(shù)n（n＞＞N）判斷Mi的取值范圍按照以下方式對 （0， α）范圍進(jìn)行調(diào)整：

①當(dāng)Ki∈（1，n/2N）時，則該區(qū)域內(nèi)節(jié)點數(shù)量過少，需按照式（3）（i值表示循環(huán)次數(shù)，每循環(huán)一次i值遞增加一）調(diào)整該區(qū)域范圍，再統(tǒng)計（0，γ）范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)Ki，并判斷Ki的范圍。

② 當(dāng)Ki∈（3n/2N，n）時，則說明該子區(qū)域內(nèi)節(jié)點數(shù)量過多，需按照式（4）對區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，再統(tǒng)計（0，β）范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)Ki，并判斷Ki的范圍。

③當(dāng)Ki∈（n/2N，3n/2N）時，節(jié)點數(shù)量比較合理，則不需要調(diào)整子區(qū)域范圍；

④當(dāng)Ki= 0時，則在該子區(qū)域不進(jìn)行任何操作。

劃分好第一個區(qū)域后，再進(jìn)行第二個區(qū)域的劃分，即（γ，γ+α）或者（β， β+α）。按照步驟①-④再對第二子區(qū)域范圍進(jìn)行調(diào)整，依次逆時針進(jìn)行劃分，直到將整個簇內(nèi)區(qū)域劃分結(jié)束。簇首節(jié)點根據(jù)簇內(nèi)各個節(jié)點所屬區(qū)域?qū)⑵湮恢眯畔⒋鎯Φ絋表中對應(yīng)的區(qū)域子表內(nèi)。

（2） 測量SNR值。當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點時，簇內(nèi)節(jié)點首先發(fā)送一個包含DATA標(biāo)識的短幀SR給簇首節(jié)點。簇首節(jié)點獲取SR中的DATA標(biāo)識并計算各節(jié)點的SNR值，再將各節(jié)點信息存儲到T表中相應(yīng)的區(qū)域子表內(nèi)。

（3） 節(jié)點對的選擇。簇首節(jié)點根據(jù)各區(qū)域子表的信息，按照以下步驟在每個子表中選取一個候選節(jié)點：

①判斷區(qū)域子表中是否有DATAi為1的節(jié)點，若沒有，則不再考慮該區(qū)域節(jié)點的選??；若有，則進(jìn)行步驟②；

②若只存在一個DATAi為1的節(jié)點，則選取該節(jié)點作為區(qū)域子表的候選節(jié)點，若存在多個DATAi為1的節(jié)點，則進(jìn)行步驟③；

③判斷DATAi為1的節(jié)點的SNR值是否屬于［SNR0，SNRn］（該SNR值的范圍根據(jù)具體環(huán)境進(jìn)行設(shè)置）。如果節(jié)點的SNR值屬于這個范圍，則選取P［Nodei］值最小的一個作為候選節(jié)點（當(dāng)多個節(jié)點的P［Nodei］值相等且都是最小值時，選取SNR值最大的節(jié)點），否則在這些節(jié)點中隨機選取一個節(jié)點進(jìn)入調(diào)度隊列，簇首節(jié)點為該節(jié)點分配時隙資源；

簇首節(jié)點按照上述步驟從每一個區(qū)域子表中選取一個候選節(jié)點，然后按照PF調(diào)度算法［6，7］，計算出節(jié)點的優(yōu)先級。簇首節(jié)點按照優(yōu)先級的高低選取第一個傳輸節(jié)點，該節(jié)點的計數(shù)器P［Nodei］值自動加一。待選取第一個傳輸節(jié)點之后，簇首節(jié)點按照DPS算法，計算第一個傳輸節(jié)點與其他各節(jié)點進(jìn)行配對過后的行列式因子，選取行列式因子最大的作為第二個傳輸節(jié)點，完成節(jié)點對的選取。

（4） 數(shù)據(jù)傳輸。將選取的節(jié)點對放入調(diào)度隊列中，節(jié)點對的天線分別與簇首節(jié)點的2根天線聯(lián)合構(gòu)成虛擬MIMO結(jié)構(gòu)，并使用相同的時/頻資源進(jìn)行通信。

5.仿真分析

在單跳網(wǎng)絡(luò)場景，傳感器節(jié)點隨機分布在網(wǎng)絡(luò)中，具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示：

表1　仿真參數(shù)設(shè)置

（1）基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸策略與傳統(tǒng)分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略的系統(tǒng)吞吐量進(jìn)行比較，我們采用網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量（見圖4）來衡量基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸策略的性能。

（2）比較各區(qū)域提供的數(shù)據(jù)量占總簇內(nèi)區(qū)域的數(shù)據(jù)量的百分比，同一環(huán)境下進(jìn)行多次仿真得出的平均統(tǒng)計圖如圖5所示。從圖中可以知道采用基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸策略獲取數(shù)據(jù)信息時，各個區(qū)域的數(shù)據(jù)信息分布更均勻，而采用傳統(tǒng)方式則會出現(xiàn)某些子區(qū)域沒有數(shù)據(jù)信息分布的情況。

圖4　網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量仿真圖

圖5　子區(qū)域數(shù)據(jù)量/總區(qū)域數(shù)據(jù)量分布圖

6.結(jié)論

基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略既在一定程度上提高了系統(tǒng)吞吐量，又有效的保證了簇首節(jié)點所獲取的數(shù)據(jù)信息來源不過于集中，能夠滿足災(zāi)異情況下大量數(shù)據(jù)的實時傳輸要求。但是該算法仍存在不足，如簇內(nèi)區(qū)域劃分越多，分簇算法的復(fù)雜度會增加，同時帶來時間和功耗的增加，從而影響數(shù)據(jù)的傳輸，在今后的研究中有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

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作者簡介：

秦曉琴（1989—），女，碩士，助教，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字圖像處理等。