認(rèn)知無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇路由的研究

那 勇

(1.吉林大學(xué)，吉林 長春 130012；2.吉林廣播電視大學(xué)，吉林 長春 130022)

0 引 言

隨著電子通信技術(shù)的迅速發(fā)展, 無線傳感網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks，WSNs)已在醫(yī)療、智慧城市、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域廣泛使用。然而, 基于WSNs應(yīng)用的拓延, 對頻譜帶寬需求的量也日益增加。但頻譜資源是有限的, 需對頻譜資源進行復(fù)用。

而認(rèn)知無線電(Cognitive Radio, CR)是復(fù)用頻譜資源,提高頻譜利用率的有效技術(shù)。CR系統(tǒng)中有兩類用戶:主級用戶(Primary Users, PUs)[2]和次級用戶(Secondary Users, SUs)。SUs靈活方式占用PUs所注冊的頻譜。據(jù)此, 將CR技術(shù)運用于WSNs，進而解決WSNs頻譜資源緊張之困境[3], 提高頻譜利用率。

除了頻譜資源外, 能量資源也是WSNs需考慮的有限資源。WSNs中的節(jié)點是由電池供電, 一旦電池耗盡, 節(jié)點就無法感測數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)等, 節(jié)點就失效[4]。因此, 如何有效地利用節(jié)點能量, 降低節(jié)點能耗, 進而延長網(wǎng)絡(luò)壽命,也是WSNs的一個研究熱點。

對于單個節(jié)點而言, 傳輸數(shù)據(jù)所消耗節(jié)點的大部分能量。因此, 減少數(shù)據(jù)傳輸量, 優(yōu)化路由是降低節(jié)點能耗的有效手段。簇技術(shù)是管理數(shù)據(jù)流量, 優(yōu)化路由的有效技術(shù)。依據(jù)節(jié)點個體屬性或網(wǎng)絡(luò)拓撲知識, 將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個節(jié)點劃分不同的簇, 每個簇由一個簇頭(Cluster Head, CH)和簇成員構(gòu)成。CH負責(zé)收集本簇內(nèi)簇成員的數(shù)據(jù), 再向信宿傳輸。

將CR技術(shù)引用于WSNs的網(wǎng)絡(luò)稱為認(rèn)知無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Sensor Networks, CRSNs)[5-6]。本文針對CRSNs, 提出新的簇路由。

目前,研究人員針對CRSNs,提出不同的簇路由策略。Ghalib等[7]提出了基于頻譜感知的能效簇路由(Spectrum-aware Clustering for Energy-Efficient Routing, SCEER)。節(jié)點先感測頻譜信息, 再結(jié)合節(jié)點能量信息估計節(jié)點權(quán)重, 再由權(quán)值擇優(yōu)選擇簇頭。類似地, Zubair等[8]提出了基于虛擬簇的可靠機會 (Virtual Cluster-based Reliable Geographical Forwarding Routing, VCGFR)。而Pei等[9]提出了低能耗自適應(yīng)非均勻簇路由(Low-energy adaptive uneven clustering Routing, LAUCR)。LAUCR利用節(jié)點能獲取的空閑信道數(shù)作為節(jié)點成為簇頭的權(quán)值，再依據(jù)權(quán)值擇優(yōu)選擇簇頭。

圖1 無線電能量消耗模型

為此，針對CRSNs簇路由進行研究，提出基于節(jié)點權(quán)值優(yōu)化的簇路由(Cluster routing based on node weight optimization, CRNW)。CRNW先依據(jù)節(jié)點感知頻譜和能量信息計算節(jié)點權(quán)值，并將具有最在權(quán)值的節(jié)點作為簇頭，進而構(gòu)成簇。然后，再依據(jù)簇結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)。通過仿真表明，提出的CRNW路由有效地降低數(shù)據(jù)傳輸時延，并控制節(jié)點能耗。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

(1)

其中H0表示PU為空閑時的假設(shè)。而H1表示PU在傳輸階段時的假設(shè)。n(t)為零均值的高斯白噪聲。

引用能量檢測機制進行頻譜感知。令Pd、Pf分別表示檢測率和虛警率[10]，其定義分別如式(2)所示：

(2)

其中Y表示通過能量檢測算法所獲取的決策統(tǒng)計量。而ν為決策閾值。

1.2 能耗模型

考慮簡單的節(jié)點能耗模型[11]，如圖1所示。令ETx(k,d)表示發(fā)送節(jié)點傳輸k比特數(shù)據(jù)、且傳輸距離為d所消耗的能量，其定義如式(3)所示：

(3)

其中，Eelec執(zhí)行發(fā)射器或接收器的能耗。Efs、Ety分別表示兩個傳播損耗模型的能量消耗。而d0表示這兩個傳播損耗模型切換的距離閾值。

令ERx(k)表示接收k比特數(shù)據(jù)的所消耗的能量：

ERx(k)=k×Eelec

(4)

2 CRNW路由

2.1 節(jié)點權(quán)值

首先依據(jù)節(jié)點的能量和對頻譜感知信息，估計節(jié)點權(quán)值。每個節(jié)點將獨立利用能量檢測算法感測頻譜。令xi(t)表示節(jié)點i在時刻t對C個信道的感測矢量：

(5)

令αi(t)表示節(jié)點i接入信道期望矢量，其反映了接入信道的時間。依據(jù)對信道歷史統(tǒng)計估計每個信道的接入時間[12]。

(6)

先計算兩個節(jié)點接入信道的矩陣Aij(t)，且定義如式(7)所示：

Aij(t)=[xi(t)xj(t)]×min[αi(t),αj(t)]

(7)

其中min表示求最小操作。

然后，節(jié)點i再計算與鄰居節(jié)點j人相對權(quán)重值γij(t)=(1/C)(1·Aij(t))，其中1={11，22，…，1C}T為布爾矩陣，即1i=1。

因此，可依據(jù)式(8)計算節(jié)點i與它的每個鄰居節(jié)點的相對權(quán)重值γi(t)：

(8)

其中ei、Ni分別表示節(jié)點i的剩余能量、鄰居節(jié)點集。

2.2 簇頭選舉

依據(jù)節(jié)點的相對權(quán)重值擇優(yōu)選擇簇頭。具體而言，節(jié)點i根據(jù)式(8)計算相對權(quán)重值，并依據(jù)權(quán)重值設(shè)置定時器[13]。權(quán)重值越大，定時時間就越小。令Ti表示節(jié)點i的定時時間：

(9)

其中Tbase表示定時時長的基準(zhǔn)。

一旦定時完畢，并且在定時期間未收到鄰居節(jié)點傳輸?shù)耐ǜ嫦nn_Mess，就向鄰居節(jié)點傳輸通告消息。若收到鄰居傳輸?shù)耐ǜ嫦ⅲ腿∠〞r，并不參與簇頭的競爭。通過定時機制，使權(quán)重值大的節(jié)點，優(yōu)先成為簇頭。整個流程如圖2所示。

圖2 簇頭選舉流程

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

簇形成后，簇成員向簇頭傳輸數(shù)據(jù)。簇頭收集數(shù)據(jù)后，通常需多跳才能將數(shù)據(jù)傳輸至信宿。因此，簇頭需要建立多跳路由[14]。該路由是由多個簇頭構(gòu)成。為此，簇頭先傳輸路由請求消息(Routing Request, RREQ-CH)，其包含了自己位置和ID號。

收到RREQ-CH消息后，節(jié)點判斷自己離信宿距離是否小于發(fā)送節(jié)點離信宿距離遠。若是，則將自己的ID號加入RREQ-CH，并繼續(xù)廣播。若距離大于發(fā)送節(jié)點離信宿距離，則直接丟失。

圖3 RREQ-CH和RREP的傳輸過程

如圖3(a)所示。源節(jié)點先廣播RREQ-CH，鄰居節(jié)點2、3、4接收了RREQ-CH。它們判斷自己離信宿距離是否大于節(jié)點1離信宿距離。由于節(jié)點3離信宿的距離大于節(jié)點1離信宿距離，節(jié)點3不再轉(zhuǎn)播RREQ-CH。

通過不斷地重播RREQ-CH，直至RREQ-CH到達信宿。當(dāng)收到RREQ-CH后，從RREQ-CH里獲取RREQ-CH傳輸路徑。再沿著此路徑回復(fù)路由請求(Routing Reply, RREP)，如圖3(b)所示。

收到RREP后，源節(jié)點就依據(jù)此路徑傳輸數(shù)據(jù)Data，進而完成數(shù)據(jù)的傳輸。

3 性能分析

3.1 仿真模型及參數(shù)

利用NS2建立仿真平臺，分析CRNW路由性能[15]。在300 m×300 m區(qū)域內(nèi)部署16個PUs和100個SUs。這些SUs傳輸視頻數(shù)據(jù)。信道數(shù)為10。具體的仿真參數(shù)如表1所示。同時，選擇SCEER路由作為參照，并分析它們的數(shù)據(jù)傳輸時延、能耗性能。

表1 仿真參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1數(shù)據(jù)傳輸時延

先分析簇個數(shù)對數(shù)據(jù)傳輸時延的影響，其中簇個數(shù)從10～25變化。從圖4可知，簇個數(shù)的增加提高了數(shù)據(jù)傳輸時延。這主要是因為：簇個數(shù)越多，數(shù)據(jù)傳輸路徑的跳數(shù)就越多，加大了數(shù)據(jù)周轉(zhuǎn)的時延。此外，相比于SCEER路由，提出的CRNN路由有效地控制數(shù)據(jù)傳輸時延。例如，當(dāng)簇數(shù)為20時，CRNN路由的傳輸時延為600 ms，而SCEER路由的傳輸時延達到700 ms。

圖4 簇數(shù)對數(shù)據(jù)平均時延的影響

圖5分析了數(shù)據(jù)傳輸時延隨視頻源個數(shù)的影響。從圖可知，視頻源個數(shù)的增加，增加了數(shù)據(jù)傳輸時延。原因在于：視頻源個數(shù)越多，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就越多，網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)就越嚴(yán)重，增加了網(wǎng)絡(luò)擁塞的幾率，這必然增加了數(shù)據(jù)傳輸時延。相比于SCEER路由，提出的CRNW路由減少了數(shù)據(jù)傳輸時延。這要歸功于：CRNW路由優(yōu)化了簇層結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

圖5 視頻源數(shù)對平均時延的影響

3.2.2節(jié)點能耗

本小節(jié)分析視頻源個數(shù)對節(jié)點能耗的影響，如圖6所示。

圖6 視頻源數(shù)對節(jié)點能耗的影響

從圖6可知，視頻源個數(shù)的增加，加大了節(jié)點能耗。這主要是因為：視頻源數(shù)量越多，節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)量的就越大，這必然加大了節(jié)點能耗。與SCEER路由相比，提出的CRNW路由控制了節(jié)點能耗。例如，在視頻源個數(shù)為16時，SCEER路由的平均節(jié)點能耗為0.77 J，而CRNW路由的平均節(jié)點能耗為0.72 J。

4 結(jié) 語

本文對CRSNs網(wǎng)絡(luò)的簇路由進行研究，并提出基于節(jié)點權(quán)值優(yōu)化的簇路由CRNW。CRNW利用節(jié)點對頻譜的感知和能量信息，產(chǎn)生簇頭，進而形成最優(yōu)的簇拓撲結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低節(jié)點能耗。仿真結(jié)果表明，提出的CRNW路由減少了節(jié)點能耗，并控制了數(shù)據(jù)傳輸時延。