WSN中一種多跳協作MIMO傳輸策略

張朝霞 謝 達 羅智勇

（1.湖南化工職業技術學院，湖南 株洲412004；2.中國人民解放軍廣州軍區75741部隊，廣東 廣州510510）

0 引言

無線傳感器網絡中，數以萬計的無線傳感器節點被隨機地布署在人類難以接近的場所，通過自組織的方式快速構成一個有效、可靠的無線通信網絡。給這些節點更換電池通常是不現實的，故，節省能量在WSN設計中非常重要，其直接關系到網絡的實際生存時間。協作MIMO（多入多出Multiple-Input Multiple-Output）技術作為WSN（無線傳感器網絡）的有效節能技術之一，近年來成為了國內外學者研究的熱點[1－2]。ECVT等傳輸策略能延長生存時間，而沒有考慮多跳模型，沒有按照實際情況將SINK節點其放在監測區域之外。

基于以上問題，本文根據地理信息的算法進行動態分域，在考慮信道正交度和節點剩余能量的情況下，建立了一個應用更為廣泛的多跳協作MIMO模型，提出多跳協作MIMO傳輸策略。

1 基于多跳協作MIMO的WSN模型

建立一個在邊長為M的方形區域內隨機分布著N個節點，所有傳感器節點同構且能量有限，只具有簡單的計算能力[3]。SINK節點能量、形狀等不受限制，有較強的計算能力。各個節點完成定位后不能移動，節點之間能相互通信（包括SINK節點）得知彼此信息。

基于地理信息對WSN劃分域，域的個數kc與每輪存活節點數Ni成一定比例（kc=βNi），并在運行過程中根據節點能量大小動態輪換域首節點。如圖1所示，在形成域之后，假設每一輪只有其中一個域因檢測到突發事件而產生數據，這些數據經域首節點融合后以多跳協作傳輸的方式發送到SINK節點。當所有的域形成后，每個域的域首節點開始選擇個Mt協作節點作為MIMO傳輸系統的發送/接收節點。域首節點廣播一個協作傳輸請求信息給協作節點，協作節點收到協作傳輸請求信息后，記下域首節點的ID并且發送一個反饋信息。每個域首節點每輪都需要動態地創建一個包含目標域首節點ID信息、下一跳域首節點、協作節點ID以及本域協作傳輸節點ID的路由表。每一輪數據傳輸完成后，域首節點都需要及時更新路由表中的數值并將其廣播給其它的域首節點。

當某個區域內檢測到觸發事件時，普通節點采集數據，并將其傳送到域首節點，域首節點對采集的數據進行融合后發往協作節點，協作節點對其進行STBC（空時分組碼Space-Time Block Coding）編碼后再轉發到下一跳，直至SINK節點。

2 節點剩余能量及能耗分析

對于未參與協作傳輸的普通節點與域首節點的剩余能量Eren、Ereh分別與上輪（首輪為初始值）傳輸后的普通節點與域首節點的剩余能量Eren0和Ereh0，域內短距離傳輸、接收的每比特能耗Etrl和Erel，域間協作節點到下一跳協作節點（最后一跳為節點到SINK節點）長距離傳輸的每比特能耗EtrL，域首節點融合數據時的每比特能耗Eda，一輪（round）中節點i需要傳輸數據的比特數為Lri，數據聚合因子dagg，每輪中第j個協作MIMO域內的存活節點數目Nj等因素有關。

每一輪傳輸數據的能量消耗由以下兩個部分組成：域內的傳輸能量消耗Elocal和域間（最后一跳為協作MIMO域到SINK節點）的傳輸能量消耗Ectoc。

3 實驗仿真與分析

實驗中，采用Matlab7.0對本文提出的多跳協作MIMO傳輸策略進行仿真驗證與分析。設100個節點均勻分布在100*100米的方形區域內，每個節點的初始能量為0.5J，SINK節點分布在區域外。每一輪形成域個數為kc=ceil（βNi）（β=0.1，Ni是上輪存活節點數，ceil（·）為向下取整函數），每個域中選擇的協作節點個數均為3，星座調制級數b=4。

為驗證該策略的節點存活率性能，針對E-MIMO（現有典型的基于LEACH協議的協作MIMO傳輸策略）和本文策略進行了對比仿真實驗。

圖1 100m*100m監測區域內的節點存活率

圖1為100m*100m監測區域內的節點存活率。兩種策略存活節點的分布性都比較好，但是在檢測區域的右下方，本文策略的節點存活率要優于E-MIMO策略，本文提出的傳輸策略在采用了基于地理位置的動態分域后則有效地避免了節點能耗過早耗盡出現了監測空洞的現象。

4 結論

為解決無線傳感器網絡中的能耗問題，針對現在算法在監測空洞和信道正交度方面考慮的不足，根據節點地理信息分域，并聯合信道正交度和節點剩余能量來選擇協作節點提出了一種高效節能的多跳協作MIMO傳輸策略。仿真結果表明，文中提出的策略能有效地避免了監測空洞的現象。

［1］Jayaweera S.K.,V-BLAST-Based Virtual MIMO for Distributed Wireless Sensor Networks[J].IEEE Transactions on Communications.2007,55(2)：1867-1872.

［2］Islam M R,Kim J.On the cooperative MIMO communication for energyefficient cluster-to-cluster transmission at wireless sensor network[J].Annals of Telecommunications,2010,65(5)：325-340.

［3］Pei T,Xie D,Li Z,et al.A Heterogeneous-aware Cooperative MIMO Transmission Scheme in WSN[J].Journal of Software,2013,8(3)：639-644.