基于反饋協(xié)作的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸研究

劉 芳，湯永利

(1. 鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 新鄭 451100；2. 河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河南 焦作454000)

1 引言

數(shù)字化電子設(shè)備大規(guī)模替換傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備，使得越來越多的應(yīng)用終端可以接入數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，形成物聯(lián)網(wǎng)[1]。作為這種網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要完成數(shù)據(jù)采集、交換和融合[2]，在規(guī)模日益增長(zhǎng)以及環(huán)境日益復(fù)雜的情況下面臨著巨大的挑戰(zhàn)。如何在節(jié)點(diǎn)規(guī)模增加的過程中，高效利用有限能量，提高傳輸性能，依然是研究重點(diǎn)[3]。

文獻(xiàn)[4]針對(duì)網(wǎng)絡(luò)分簇設(shè)計(jì)了多約束簇頭選擇策略，雖然涉及了關(guān)于能量和度的多種變量，可因其缺乏對(duì)位置關(guān)系的分析，使得在實(shí)際使用時(shí)存在一定的局限性。文獻(xiàn)[5]針對(duì)能量均衡，根據(jù)可用能量對(duì)節(jié)點(diǎn)采取分簇，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且可以在一定程度上延長(zhǎng)使用壽命，但是方案實(shí)現(xiàn)過于粗糙，細(xì)節(jié)考慮不夠全面。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種LEACH-C傳輸協(xié)議，著重對(duì)簇頭選擇和分簇策略進(jìn)行優(yōu)化，所有信息由Sink進(jìn)行匯集和指派，雖然對(duì)節(jié)點(diǎn)可用能量采取了討論，有利于分簇和節(jié)能，但是給Sink帶來了更多的壓力，從而引起延遲增加等一系列問題。文獻(xiàn)[7]針對(duì)LEACH成簇不均勻的缺點(diǎn)，引入CSMA機(jī)制來優(yōu)化傳輸速率，并通過感知來均衡能量。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了OCRP協(xié)議，全面分析了能量、距離對(duì)成簇的影響，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案優(yōu)于EH-LEACH與DEEC。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯恐校楷F(xiàn)了一些較為出色的協(xié)議和方案，針對(duì)能量、延遲和傳遞量等方面做出了一定的優(yōu)化。本文基于它們的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于反饋協(xié)作的數(shù)據(jù)傳輸方案。首先設(shè)計(jì)具有反饋與協(xié)作功能的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型，給出了信道最優(yōu)與簇頭選擇策略。然后對(duì)反饋協(xié)作過程中的能量模型進(jìn)行具體分析，根據(jù)最小能耗加權(quán)策略確定最優(yōu)中繼與路徑。最后通過多方面的仿真，驗(yàn)證了反饋協(xié)作方案在數(shù)據(jù)傳輸過程中的有效性與先進(jìn)性。

2 反饋協(xié)作網(wǎng)絡(luò)傳輸模型

基于反饋協(xié)作的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，要求所有的中繼節(jié)點(diǎn)擁有感知反饋的能力。因?yàn)槟芰繘Q定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期與傳輸可靠性，所以將能量作為感知對(duì)象，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的監(jiān)控。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，將直接與協(xié)作兩種傳輸方式的路由情況視為非耦合，并通過反饋確定傳輸結(jié)果。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳輸給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的過程中，區(qū)域內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理。若目標(biāo)節(jié)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)幀為ACK，代表本次傳輸成功，數(shù)據(jù)被正確解析；若目標(biāo)節(jié)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)幀為FAIL，代表本次傳輸失敗。在發(fā)現(xiàn)反饋結(jié)果是ACK時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)清除接收到的相應(yīng)數(shù)據(jù)；反饋結(jié)果是FAIL時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)便會(huì)啟動(dòng)協(xié)作傳輸，利用信道最優(yōu)策略得到最優(yōu)中繼，將數(shù)據(jù)重新發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。信道最優(yōu)策略的公式表示為

Ropt=max(qk，ci/dk，ci)

(1)

qk，ci為節(jié)點(diǎn)k與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ci間信道質(zhì)量；dk，ci為k與ci間距離。

對(duì)于分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)，在每個(gè)分簇中，信道質(zhì)量是決定數(shù)據(jù)發(fā)送成功與否的主要影響因子。因此，在確定最優(yōu)中繼過程中沒有將能量考慮其中。而在確定分簇簇頭的過程中，根據(jù)能量來計(jì)算節(jié)點(diǎn)當(dāng)選的概率大小。不同簇之間，或者簇頭與匯聚中心之間的數(shù)據(jù)傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)可用能量越大，意味著其所在的傳輸路徑質(zhì)量越好[9]?；谠撍枷?，將簇頭選擇公式表示為

(2)

3 能量協(xié)作

即使采取協(xié)作模式，仍然不可避免全部節(jié)點(diǎn)可用能量不夠的情況發(fā)生，于是提出將節(jié)點(diǎn)采取能量協(xié)作模式。通過廣播EC數(shù)據(jù)幀來進(jìn)入合作狀態(tài)。如節(jié)點(diǎn)ni發(fā)現(xiàn)能量不夠，則向外廣播EC幀。當(dāng)nj收到EC時(shí)，就會(huì)利用EC包含的信息推導(dǎo)出與ni間的信道情況，包括質(zhì)量、距離和RF能量。根據(jù)RF能量，可以得到節(jié)點(diǎn)ni需要的協(xié)助能量

E′ni(t)≥Eni(t)+EEC＿ni(t)-Eni(t-1)

(3)

其中，不等式的右側(cè)三項(xiàng)代表RF能量。Eni(t)代表ni在周期t完成傳輸任務(wù)的能量；EEC＿ni(t)代表發(fā)送EC信息的能量；Eni(t-1)代表前一周期可用能量。由EC幀推導(dǎo)出的信息，可以計(jì)算出傳輸任務(wù)能量Eni(t)，計(jì)算公式表示為

(4)

其中，dni，nj、qni，nj分別是經(jīng)過推導(dǎo)得出的距離和信道質(zhì)量；η代表轉(zhuǎn)換效率；λ代表衰減因子；pnj代表nj協(xié)助發(fā)送功率；T代表持續(xù)時(shí)間。

如果nj協(xié)助功率pnj是恒定值，則根據(jù)前述計(jì)算可以得出協(xié)助節(jié)點(diǎn)ni和nj的最大距離如下

(5)

圖1 節(jié)點(diǎn)能量協(xié)作模型

一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在處理一幀長(zhǎng)度為D的數(shù)據(jù)時(shí)，其能耗可以從接收與發(fā)送兩種狀態(tài)進(jìn)行分析。接收時(shí)的能耗由數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度決定，表示為Er(D)，計(jì)算方法如下

Er(D)=DEr＿unit

(6)

Er＿unit為單位bit接收能量。

發(fā)送時(shí)的能耗則由功放和電路構(gòu)成，受數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和發(fā)送距離決定，表示為Es(D，d)，計(jì)算方法如下

(7)

縱觀整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)反饋協(xié)作過程，協(xié)議主要涉及節(jié)點(diǎn)分簇，以及簇內(nèi)與簇間協(xié)作。為了便于協(xié)議能量模型構(gòu)建，將協(xié)議分為兩個(gè)階段分析。兩個(gè)階段的能耗分別描述如下

Estage1=Ecn＿ch+Eccn＿ch+Ech

(8)

Estage2=Ech+Ecdn+Esin k

(9)

其中，Estage1為簇內(nèi)協(xié)作階段的能耗；Ecn＿ch為數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)傳遞至簇頭所需能耗；Eccn＿ch為內(nèi)部協(xié)作節(jié)點(diǎn)所需能耗；Ech為簇頭所需能耗。Estage2為簇間協(xié)作階段的能耗；Ecdn為外部協(xié)作節(jié)點(diǎn)所需能耗；Esin k為sink所需能耗。

4 最小能耗策略

由于數(shù)據(jù)傳輸方案中涉及分簇與協(xié)作，對(duì)于能量有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)頻繁被選為中繼，則網(wǎng)絡(luò)能量很容易出現(xiàn)失衡，不僅能夠引發(fā)傳輸中斷，干擾傳輸協(xié)議的正常執(zhí)行，還將縮短生命周期。所以在粗略考慮能量和距離關(guān)系時(shí)，還需要進(jìn)一步精確分析中繼的選擇。考慮到能量對(duì)節(jié)點(diǎn)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期影響，以及對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的影響，本文綜合節(jié)點(diǎn)的可用能量與傳輸能量，設(shè)計(jì)了一種加權(quán)MEC算法。

可用能量越多越適合作為中繼，于是針對(duì)能量和距離滿足條件的節(jié)點(diǎn)候選集，采取如下操作

(10)

E(C)為節(jié)點(diǎn)候選集；Ei為節(jié)點(diǎn)i的可用能量；REmax為節(jié)點(diǎn)候選集中最大可用能量。

通過篩選出最大可用能量，能夠更好的平衡節(jié)點(diǎn)的能量差異，有利于能量均衡。此外，傳輸過程中，能耗越小的節(jié)點(diǎn)越適合作為中繼。于是對(duì)候選集采取最小傳輸能耗篩選

(11)

TEmin為最小傳輸能耗。

通過篩選出最小傳輸能耗，能夠降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的多余損耗。結(jié)合REmax與TEmin，將最小能耗表示如下

(12)

λ1與λ2為加權(quán)系數(shù)；SEmin為最小能耗。

在采用反饋協(xié)作時(shí)，能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，如果出現(xiàn)中斷情況，只能是系統(tǒng)找不到協(xié)作節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致。將無協(xié)作節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致的傳輸異常標(biāo)記為事件a，這種情況指的是在有效范圍內(nèi)尋找不到滿足能量協(xié)作的節(jié)點(diǎn)?；谑录，將節(jié)點(diǎn)ni出現(xiàn)中斷的概率描述如下

(13)

其中，M表示數(shù)據(jù)發(fā)送和接收端的互信息；f表示頻譜效率；I(ni)代表ni中斷概率。

根據(jù)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的中斷概率，推導(dǎo)得出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中斷概率為

(14)

5 仿真與結(jié)果分析

基于MATLABR2014對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能進(jìn)行測(cè)試。配置網(wǎng)絡(luò)部署范圍是100m×100m，設(shè)置全部節(jié)點(diǎn)硬件條件一致，非簇頭節(jié)點(diǎn)僅用于數(shù)據(jù)傳輸，而存儲(chǔ)及整合任務(wù)交由簇頭完成，其它配置參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)配置

為了確定最小能耗計(jì)算時(shí)的加權(quán)系數(shù)，通過調(diào)整λ1與λ2，統(tǒng)計(jì)得到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期，結(jié)果如表2所示。從生命周期輪數(shù)可知，當(dāng)λ1取值0.35，λ2取值0.65時(shí)效果最佳。于是，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過程中，均采用λ1=0.35、λ2=0.65。

表2 λ1、λ2對(duì)生命周期的影響關(guān)系

仿真測(cè)試分別從中斷、延遲、網(wǎng)絡(luò)壽命，以及吞吐量四方面，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸策略的均衡性與可靠性進(jìn)行分析，并將各項(xiàng)指標(biāo)與文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]進(jìn)行比較。

在不同信噪比條件下，統(tǒng)計(jì)得到不同數(shù)據(jù)傳輸策略對(duì)應(yīng)的中斷概率，結(jié)果如圖2所示。由于基于反饋協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸可以利用中繼來豐富路徑和能量，有利于改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，所以中斷概率明顯低于其它方法。該結(jié)果說明基于反饋協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸具有更好的可靠性。

圖2 中斷概率比較

在輪數(shù)增加的過程中，統(tǒng)計(jì)得到不同策略數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t情況，結(jié)果如圖3所示。為防止出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)或其它因素的干擾，在系統(tǒng)穩(wěn)定之后，截取前400～1000輪來統(tǒng)計(jì)平均延遲。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于反饋協(xié)作的延遲均值是25.19時(shí)隙，較文獻(xiàn)[8]少了35.34時(shí)隙，較文獻(xiàn)[7]多了8.18時(shí)隙，說明該策略在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)具有較低的延遲。

圖3 延遲比較

統(tǒng)計(jì)得到時(shí)間推移過程中死亡節(jié)點(diǎn)的情況，結(jié)果如圖4所示。根據(jù)曲線，文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]的數(shù)據(jù)傳輸策略在模擬執(zhí)行到第1310輪和1525輪時(shí)，產(chǎn)生第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)。隨后死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量開始加速增長(zhǎng)，分別到2403輪和2781輪時(shí)全部節(jié)點(diǎn)死亡。而基于反饋協(xié)作策略在第1793輪時(shí)才產(chǎn)生第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)，且死亡節(jié)點(diǎn)的增速較其它方法緩慢，直到3691輪時(shí)全部節(jié)點(diǎn)死亡。通過節(jié)點(diǎn)信息的反饋感知，以及中繼的協(xié)作，有效增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)能量的利用效率，較單純的最小能耗策略效果更佳。

圖4 生命周期比較

仿真得到吞吐量與輪數(shù)之間的關(guān)系，為了觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的吞吐量，實(shí)驗(yàn)截取前1200輪數(shù)據(jù)。圖5為數(shù)據(jù)傳輸量結(jié)果比較，比較發(fā)現(xiàn)基于反饋協(xié)作策略的吞吐量?jī)?yōu)于其它方法。這是由于反饋協(xié)作策略的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)低，所以吞吐量自然也更高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符，吞吐量越高，代表著數(shù)據(jù)傳輸?shù)男试礁摺?/p>

圖5 吞吐量比較

6 結(jié)束語

針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一種基于反饋協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸方案，通過反饋信息的感知獲取節(jié)點(diǎn)的傳輸狀態(tài)及其相關(guān)信息，根據(jù)情況利用信道最優(yōu)策略得到最優(yōu)中繼，啟動(dòng)中繼協(xié)作傳輸。對(duì)協(xié)議能量模型采取兩階段構(gòu)建，并設(shè)計(jì)了最小能耗策略，控制協(xié)作過程中能量的均衡性與利用率。最后通過多方面的仿真分析，得到最小能耗的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)，驗(yàn)證了基于反饋協(xié)作方案具有良好的能量利用率，有利于改善網(wǎng)絡(luò)均衡，提高使用壽命；同時(shí)良好的中斷概率與吞吐量充分表明所提方案在傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的可靠性。