MIMO多跳簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法及其能耗研究

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年無線通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。受體積和成本的限制，能耗問題成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的難點(diǎn)和關(guān)鍵問題。針對能耗問題，許多學(xué)者先后提出了不同的解決方案。其中，W.B.Heinzelman、A.P.Chandrakasan和H.Balakrishman等首先在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議方面提出了適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇結(jié)構(gòu)分層協(xié)議LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy)協(xié)議。他們討論了簇首的選擇算法、簇的形成算法以及基于中心控制的改進(jìn)協(xié)議LEACH-C，并對LEACH協(xié)議的能耗模型進(jìn)行了初步研究。在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，又有不少學(xué)者設(shè)計(jì)了基于分簇結(jié)構(gòu)的多跳路由協(xié)議。其中，文獻(xiàn)提出了改進(jìn)LEACH協(xié)議一Multihop-LEACH，它以最近的鄰居簇首作為下一跳路由；文獻(xiàn)采用了MTE路由算法，并引入沖突避免機(jī)制；文獻(xiàn)則采用中心控制思想，由基站基于路徑損耗進(jìn)行路由選擇。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常工作在惡劣的環(huán)境，信道衰落嚴(yán)重，而MIMO技術(shù)能很好地對抗多徑衰落，因此，MIMO技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也備受重視。文獻(xiàn)研究了STBC(Space-TimeBlockCode-Encoded)和MIMO技術(shù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的改善，其中文獻(xiàn)考慮了合作節(jié)點(diǎn)的同步問題，文獻(xiàn)研究了最優(yōu)合作節(jié)點(diǎn)數(shù)的問題。

分層簇結(jié)構(gòu)、多跳路由和MIMO技術(shù)都在一定程度上改善了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，因此形成了“跨層設(shè)計(jì)(Cross-layerDesign)”思想，即將網(wǎng)絡(luò)分層模型中的若干層聯(lián)合起來綜合考慮，使不相鄰的層之間也能傳遞信息，以得到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)將多跳路由和MIMO技術(shù)嵌入LEACH協(xié)議進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，大大延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期(Lifetime)；文獻(xiàn)采用半中心控制思想對文獻(xiàn)的有關(guān)算法進(jìn)行了改進(jìn)。

在研究方法上，目前大多數(shù)的研究都是基于Matlab、C語言等通用仿真工具，以網(wǎng)絡(luò)生命周期為衡量指標(biāo)，沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)實(shí)際工作過程中的相關(guān)問題和能量損耗。因此，本文以UCLA(UniversityofCaliforniaatLosAngeles)提出的SersorSim仿真架構(gòu)為基礎(chǔ)，在J-sim仿真平臺實(shí)現(xiàn)了一個(gè)貼近實(shí)際的模擬無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并提出了一種基于距離矢量的改進(jìn)路由算法。在此基礎(chǔ)上，研究了多跳路由技術(shù)、MIMO技術(shù)對改善LEACH協(xié)議性能的問題。其方法和結(jié)果對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議優(yōu)化及其應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1系統(tǒng)模型與改進(jìn)路由算法

1.1系統(tǒng)模型

系統(tǒng)采用與文獻(xiàn)基本架構(gòu)相同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)模型，圖1所示是結(jié)合MIMO技術(shù)的多跳LEACH協(xié)議工作模型。系統(tǒng)按照LEACH協(xié)議不斷重復(fù)簇的重構(gòu)過程，每次重構(gòu)稱為一個(gè)回合。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)層采用了多跳路由技術(shù)，在物理層嵌入了MIMO技術(shù)，源節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)以多跳MIMO方式傳送到基站。簇內(nèi)采用具有二次衰落特性的高斯白噪聲信道，簇間采用非頻率選擇性慢衰落瑞利信道模型。

假設(shè)各節(jié)點(diǎn)具有全局唯一的標(biāo)識ID且已知基站位置，各節(jié)點(diǎn)具有相同的初始能量且發(fā)射功率可調(diào)。系統(tǒng)的工作過程分為一個(gè)個(gè)回合，每個(gè)回合又分為建立階段和穩(wěn)定階段。

1.1.1建立階段

各節(jié)點(diǎn)按照leach協(xié)議的分布式算法決定自己在本回合是否成為簇首節(jié)點(diǎn)(ClusterHead，CH)，各簇首節(jié)點(diǎn)用同樣大小的發(fā)射功率Pout廣播一個(gè)通告信息(AdvertisementMessage，ADV)。這里采用非堅(jiān)持CSMAMAC層協(xié)議，ADV包括簇首節(jié)點(diǎn)的ID和地理狀態(tài)信息。如果簇首節(jié)點(diǎn)接收到ADV，貝丫將其加入鄰居節(jié)點(diǎn)列表，用于構(gòu)建路由表，具體的路由算法將在后面詳細(xì)說明；如果非簇首節(jié)點(diǎn)接收到ADV，則選擇接收信號強(qiáng)度最大的一個(gè)作為其簇首并發(fā)送一個(gè)加入簇請求信息(JoinRequestMessage，Join-REQ)。

簇建立后，各簇首節(jié)點(diǎn)選擇J個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)作為合作節(jié)點(diǎn)(CooperativeNodes，CNs),充當(dāng)MIMO的多根天線，為簡化模型，本文以就近原則選擇合作節(jié)點(diǎn)。然后，各簇首節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)TDMA時(shí)間調(diào)度表，并進(jìn)行簇內(nèi)廣播，廣播信息包括TDMA調(diào)度表、合作節(jié)點(diǎn)ID和天線序號以及下一跳簇首節(jié)點(diǎn)ID。各節(jié)點(diǎn)接收到TDMA調(diào)度表后，查看自己是否被選為合作節(jié)點(diǎn)。如果是，則繼續(xù)監(jiān)聽，否則進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

1.1.2穩(wěn)定階段

簇建立后進(jìn)入穩(wěn)定階段，各源節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)以多跳MIMO的方式接力傳送給基站。由于沖突、丟包等原因，在某一回合，某一節(jié)點(diǎn)可能沒有成功加入簇，或者沒有接收到TDMA調(diào)度表，導(dǎo)致空簇、找不到合作節(jié)點(diǎn)等問題，相關(guān)文獻(xiàn)都沒有或者較少考慮這些具體的細(xì)節(jié)問題。本文對這些問題進(jìn)行了較全面的研究，由此設(shè)計(jì)了一個(gè)貼近實(shí)際的模擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其具體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程如下：

普通節(jié)點(diǎn)判斷是否被分配到TDMA時(shí)間片。如果是,則在自己的TDMA時(shí)間片內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn)，其他時(shí)間進(jìn)入睡眠狀態(tài)；否則直接進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

簇首節(jié)點(diǎn)判斷簇內(nèi)是否存在其他節(jié)點(diǎn)。如果是，則在接收完簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，與自身數(shù)據(jù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后轉(zhuǎn)(3)；否則直接轉(zhuǎn)(3)。

簇首節(jié)點(diǎn)判斷是否存在合作節(jié)點(diǎn)。如果是，則將數(shù)據(jù)廣播給合作節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)(4)；否則轉(zhuǎn)(5)。

(4)合作節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的天線序號對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行STBC編碼后發(fā)送給下一跳簇首節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)(6)。

(5)簇首節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給下一跳簇首節(jié)點(diǎn)。

簇首節(jié)點(diǎn)接收到來自上一跳的數(shù)據(jù)后，判斷是否為STBC編碼數(shù)據(jù)。如果是，則等待接收完各天線數(shù)據(jù)后進(jìn)行STBC解碼；否則直接轉(zhuǎn)(7)。

重復(fù)(3)?(6),直到數(shù)據(jù)發(fā)送到基站(BS)。

為減少碼間干擾和沖突，系統(tǒng)采用與文獻(xiàn)相同的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和CSMA發(fā)送方式。

1.2基于距離矢量的改進(jìn)路由算法

文獻(xiàn)采用的是傳統(tǒng)的距離失量算法，最初路由表中只包含鄰居節(jié)點(diǎn)，通過各節(jié)點(diǎn)不斷地廣播和更新，最終收斂到最優(yōu)的路由表。這種路由方式需要一定的機(jī)制和算法來保證路由表收斂，甚至還可能出現(xiàn)目標(biāo)不可達(dá)的情況。為此，本文提出了一種基于距離矢量的改進(jìn)路由算法。算法具體描述如下:

（1）在簇首廣播狀態(tài)信息階段，簇首節(jié)點(diǎn)接收其他簇首的廣播消息，將其標(biāo)識為鄰居簇首，并計(jì)算各鄰居簇首到BS的直接傳輸能量損耗。

（2）如果存在鄰居簇首，則以BS為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，用MTE算法找出最優(yōu)局部路由，并初始化路由表；否則將路由表初始化為單跳傳輸?shù)紹S。

（3）如果存在非下一跳簇首，則以最遠(yuǎn)的非下一跳簇首的傳輸能量廣播自己的路由表。

（4）簇首節(jié)點(diǎn)接收到某一簇首節(jié)點(diǎn)的路由表后，計(jì)算將該簇首節(jié)點(diǎn)作為下一跳的總傳輸損耗。如果比當(dāng)前路由路徑耗能更小，則更新路由表，然后重復(fù)(3)(4)。

由于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)已知,不需要從鄰居節(jié)點(diǎn)開始初始化路由表,可以直接把目標(biāo)節(jié)點(diǎn)加入路由表，而且只需加入這一項(xiàng)，這樣,就不會出現(xiàn)目標(biāo)不可達(dá)的問題，同時(shí)，整個(gè)路由表建立過程所需的廣播次數(shù)和廣播數(shù)據(jù)量也會大大減少。算法充分利用了原來實(shí)現(xiàn)LEACH協(xié)議所需的簇首廣播消息，求出最優(yōu)局部路由路徑，再次減少了需要的廣播次數(shù)。最后，由于LEACH協(xié)議是一種不斷重構(gòu)的動(dòng)態(tài)協(xié)議，即使路由不收斂，也只是在本回合部分簇首找不到最優(yōu)路由路徑，但不會形成廣播風(fēng)暴。

2能量模型

節(jié)點(diǎn)的能量消耗來自射頻模塊和CPU模塊，射頻模塊采用與LEACH［2］類似的簡單模型，所不同的是，文獻(xiàn)［2］以距離劃分，而本文以簇劃分。

發(fā)射機(jī)的能耗包括射頻電路損耗和功率放大器能耗，分別用Eg(l)和琮*叫(/0)表示。假設(shè)簇間信道具有三次衰落特性，簇內(nèi)信道具有二次衰落特性，則發(fā)射/位數(shù)據(jù)的能耗為：

Etx(l,d)=(I)+&5(I,d)='輜吳+f，，4,簇內(nèi)

IEeiec十mpd,簇間

(1)

接收機(jī)只有電路損耗部分，即：

Erx(l,d)=ERx-elec(l)=lEelec(2)

其中，服為射頻電路損耗系數(shù),誑和細(xì)取決于射頻放大電路。

CPU模塊分活躍、空閑、睡眠三種狀態(tài)，能耗表達(dá)式如下:

R曇xt,活躍狀態(tài)

EcPU(th=-RiteXt,空閑狀態(tài)(3)

?RtarXt,睡眠狀態(tài)

其中，PyPldle和Psleep分別為CPU在三種狀態(tài)下的功率。由于加入了CPU能耗模塊，由系統(tǒng)采用的協(xié)議、算法的復(fù)雜度帶來的能耗代價(jià)也考慮在內(nèi)，仿真結(jié)果會更全面，更符合實(shí)際，這也是目前大部分文獻(xiàn)沒有考慮的問題。

3仿真分析

為了分析前面所建立的有關(guān)算法和模型的有效性，同時(shí)進(jìn)一步分析多跳路由技術(shù)和MIMO技術(shù)對LEACH協(xié)議帶來的性能改善問題，并便于比較，本文對下述三個(gè)模型進(jìn)行了仿真，具體特點(diǎn)如圖2所示。其中，模型一為文獻(xiàn)［1-2］的單跳LEACH模型，模型二為加入本文提出的改進(jìn)路由算法之后的多跳LEACH模型，模型三為加入改進(jìn)路由算法并結(jié)合MIMO的多跳LEACH模型。需要說明的是，圖2中的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量。各模型采用相同

的仿真場景，系統(tǒng)具有23個(gè)節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)分布在100mX30m的二維平面區(qū)域，基站位于坐標(biāo)原點(diǎn)，簇的一個(gè)回合為25s，其中，建立階段5s，穩(wěn)定階段20s。能量模塊相關(guān)參數(shù)取值如下：elec=50nJ/bit，sfs=24.08nJ/(m2-bit),smp=24.08nJ/(m3-bit)，PActive=2.9mJ/s，Pidie=200uJ/s，Psieep=2.2nJ/s。

(a)模型一的節(jié)點(diǎn)能耗特點(diǎn)

(b)模型二的節(jié)點(diǎn)能耗特點(diǎn)

(c)模型三的節(jié)點(diǎn)能耗特點(diǎn)

圖2節(jié)點(diǎn)能耗特點(diǎn)仿真圖

3.1網(wǎng)絡(luò)生命周期和節(jié)點(diǎn)能耗特點(diǎn)

圖2比較了三種模型下網(wǎng)絡(luò)生命周期和節(jié)點(diǎn)能耗特點(diǎn)。仿真中采用與文獻(xiàn)［8-9］相同的假設(shè):當(dāng)網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)數(shù)少于60%時(shí)，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)死亡。由圖2可知，三個(gè)模型的網(wǎng)絡(luò)生命周期分別為1139s、1817s和1845s。改進(jìn)的路由算法使LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期延長至1.6倍，而模型三的網(wǎng)絡(luò)生命周期比模型二略有提高，但改善幅度不大。

比較圖2中各曲線的特點(diǎn)還可以發(fā)現(xiàn)，模型一具有非常明顯的周期性陡峭邊緣，代表簇首節(jié)點(diǎn)能量的急劇下降，這是直接到基站的長距離射頻傳輸損耗造成的；模型二相對比較平緩，這說明通過多跳傳送，節(jié)點(diǎn)的射頻能量損耗大大減小;模型三的陡峭邊緣已經(jīng)難以區(qū)分，這說明通過MIMO技術(shù)進(jìn)行協(xié)作通信，進(jìn)一步降低了節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，射頻能耗已經(jīng)可以跟電路損耗相比擬了。這也是模型三與模型二網(wǎng)絡(luò)生命周期比較相近的原因，因?yàn)镸IMO技術(shù)雖然降低了射頻損耗，但電路損耗和CPU損耗會有所增加。

3.2BER，性能

圖3比較了模型二與模型三的BER性能，其中橫坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)編號，0號節(jié)點(diǎn)為基站，可見模型三通過MIMO技術(shù)降低了節(jié)點(diǎn)射頻發(fā)射機(jī)所需的發(fā)射功率。另外，由圖3可以看出,即使降低了發(fā)射功率，模型三的BER性能仍優(yōu)于模型二。另外,兩種模型的BER都比較大，約為7X10'3,這是因?yàn)榉抡嬷袃烧叩纳漕l發(fā)射功率(也即信號功率)都較低，或者說信噪比較低，上面已經(jīng)提到，MIMO技術(shù)只能降低射頻能量損耗，但會帶來額外的電路損耗和CPU損耗。事實(shí)上，在考慮了電路損耗和CPU損耗等因素后，MIMO技術(shù)仍具有降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗，可延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的潛能，但在低信噪比條件下能耗改善幅度不大。

3.3死亡節(jié)點(diǎn)分布

圖4比較了三種模型的死亡節(jié)點(diǎn)分布情況，圖中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別代表節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域的二維平面坐標(biāo)，基站位于坐標(biāo)原點(diǎn)，數(shù)字表示節(jié)點(diǎn)死亡的順序。

從圖4中可以看到，模型一的死亡節(jié)點(diǎn)集中在離基站最遠(yuǎn)的地方；模型二通過多跳路由技術(shù)遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)的能耗由各中繼節(jié)點(diǎn)分擔(dān)，靠近基站的節(jié)點(diǎn)也較早死亡，因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)要中繼更多的數(shù)據(jù)包；而模型三通過MIMO技術(shù)簇首節(jié)點(diǎn)的能耗由合作節(jié)點(diǎn)分擔(dān)，使得死亡節(jié)點(diǎn)的分布更加均勻。

4結(jié)語

本文采用更符合實(shí)際情況的多跳簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，提出了一種基于距離矢量的改進(jìn)路由算法，在此基礎(chǔ)上研究了多跳路由技術(shù)和MIMO技術(shù)對LEACH協(xié)議性能的改善作用，仿真結(jié)果證明了改進(jìn)路由算法的有效性。另外，研究結(jié)果表明在考慮了電路損耗和CPU損耗等因素后,MIMO技術(shù)仍具有降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的潛能，但在低信噪比條件下BER性能改善幅度不大。本文中搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型及改進(jìn)路由算法均考慮到了許多相關(guān)文獻(xiàn)沒有考慮到的具體問題，因此具有更高的應(yīng)用參考價(jià)值。

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