基于虛擬MIMO技術的分簇WSN數據傳輸策略

重慶工商職業學院 秦曉琴

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基于虛擬MIMO技術的分簇WSN數據傳輸策略

重慶工商職業學院 秦曉琴

【摘要】分簇無線傳感器網絡運用于大型結構設施的狀態監測，其傳輸速率低、實時性差，難以滿足災異情況下結構設施監測中大量數據的實時傳輸要求。本文提出基于虛擬MIMO技術的分簇無線傳感器網絡數據傳輸策略，將虛擬MIMO技術運用于分簇無線傳感器網絡中，并結合傳感器節點的位置信息和信道SNR值對簇內區域進行劃分，以提高系統吞吐量，獲取盡可能全面的數據信息對結構設施的健康狀態進行監測。通過仿真分析得出，在相同的時間內，基于虛擬MIMO技術的分簇WSN數據傳輸策略相比傳統分簇WSN數據傳輸策略可以獲得更高的數據吞吐量且數據信息分布更均勻。

【關鍵詞】無線傳感器網絡；虛擬MIMO技術；分簇

1.引言

近年來，無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）［1］因其較高的魯棒性、準確性、靈活性等特點被廣泛運用于大型結構設施（如海洋平臺）的狀態監測。當結構設施遭遇自然災害等突發事件時其狀態會發生劇烈變化，產生大量的傳感數據，在這種情況下需要將大量數據信息實時可靠的傳輸給監控中心以進行正確的安全性評估。傳統分簇WSN傳輸速率低、實時性差，無法滿足災異情況下大量數據的實時傳輸要求，將虛擬MIMO技術運用于分簇WSN中并結合節點位置信息與信道SNR值，提出基于虛擬MIMO技術的分簇WSN數據傳輸策略，以提高系統吞吐量，實時傳輸盡可能全面的數據信息。

2.傳統分簇WSN數據傳輸策略

如圖1所示，在監測的結構設施上采用傳統分簇結構，每個簇包含一個簇首節點和若干個普通節點。當監測的結構狀態發生變化時，簇內普通節點進行數據采集處理后傳輸給簇首節點。簇首節點將接收到的數據信息轉發給其他簇首節點，經過多個簇首節點的轉發，最后將數據實時傳送給匯聚節點。匯聚節點存儲數據并將部分數據通過衛星通信遠程傳送給控制中心，由控制中心對數據進行分析并正確判斷出結構的健康狀態。

在傳統分簇WSN數據傳輸系統中，簇內通信通常采用傳統時分復用技術，稀缺的時/頻資源無法得到有效利用，而采用碼分復用技術，傳感器節點很多的情況下，需要專門對碼字分配進行管理，簇首節點的復雜度增加，難以快速應對大量數據。傳統的通信技術無法滿足大量數據的實時傳輸要求，將虛擬MIMO技術運用于分簇WSN中進行數據傳輸，可以提高系統吞吐量，彌補傳統方式的不足。

圖1　傳統分簇WSN數據傳輸系統模型

3.虛擬MIMO技術

虛擬MIMO技術［2］是通過將多個單天線節點聯合組成一個虛擬的多天線陣列，構成的虛擬天線陣列使用相同的時/頻資源進行通信，增加時/頻資源利用率，提高系統吞吐量，從而實現可靠傳輸。簇內采用最簡單的2×2MIMO系統，由兩個普通節點和一個簇首節點構成，如圖2所示。節點A和B構成一個虛擬的天線陣列，可以同時向簇首節點C發送數據。節點C可以通過MIMO的接收系統分別正確的接收到節點A和節點B的數據。

圖2　2×2虛擬MIMO結構

圖2對應的信道矩陣表示為：

式1中H1n、H2n分別表示兩個節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表示的是兩個節點的發射信號向量，n表示的是噪聲向量。從式2 得出，節點A和節點B占用相同時頻資源發送數據信號，節點C接收到的信號向量近似等于A，B單獨發送時接收到的信號之和。即2×2的虛擬MIMO系統吞吐量是兩個簇內節點單獨的信道容量的疊加，理論上可以將系統的容量提升兩倍。

由此可見，虛擬MIMO系統吞吐量會受到節點A和節點B與簇首節點之間的信道矩陣的影響。而在虛擬MIMO系統中通常采用RPS［3］，OPS［4］，DPS［5］等方式選擇節點A和節點B作為通信節點對，但當兩個節點距離很近時，采用這些方式會出現數據冗余度過大的情況，影響數據傳輸系統的有效性。因此，為了避免數據采集過于集中，在最短的時間內獲取分布盡可能均勻的數據信息，必須優化與簇首節點進行通信的節點對的選擇。

4.基于虛擬MIMO技術的數據傳輸策略

在分簇WSN數據傳輸系統中，簇內節點配置一根天線，其各項性能完全相同且傳輸的數據量也相同，簇首節點有兩根天線用于簇內傳輸且具備簇內所有節點的位置信息，結合簇內節點位置信息與信道SNR值，在這里提出基于虛擬MIMO技術的數據傳輸策略，簇內數據傳輸的綜合示意圖如圖3所示。

圖3　簇內數據傳輸的綜合示意圖

當傳感器節點部署完成后，簇首節點就為其所管理的簇劃分區域。如果結構狀態發生變化，簇首節點立即測量簇內普通節點信道的SNR值，然后選擇與簇首節點進行通信的節點對。節點對選取完成后，由簇首節點為節點對分配數據傳輸的時間片，節點對便開始將數據發送給簇首節點，時間片以循環的方式分配一直到結構設施狀態穩定為止。

在基于虛擬MIMO技術的數據傳輸系統中，每個簇首節點維護一張表T，T表中包含多張區域子表TA，各區域子表存儲該區域內的節點信息，包括節點編號Nodei（i=1，2，3…n），位置信息（Xi， Yi），信噪比SNRi，數據發送標識DATAi（標識為1表示有數據發送，為0表示沒有數據發送），計數器P［Nodei］（初始值為0，當某一節點被選擇成為傳輸節點進行通信時，其P［Nodei］=1，每被選中一次P［Nodei］就增加一）。具體步驟如下：

（1）區域劃分。以簇首節點O（0，0）為中心建立坐標系，將整個簇劃分為大小完全相等的N個扇形區域，每個扇形區域對應的圓心角α=3600/N。簇首節點統計（0， α）范圍的節點個數Ki（i=1，2，..，N），并結合簇內節點總數n（n＞＞N）判斷Mi的取值范圍按照以下方式對 （0， α）范圍進行調整：

①當Ki∈（1，n/2N）時，則該區域內節點數量過少，需按照式（3）（i值表示循環次數，每循環一次i值遞增加一）調整該區域范圍，再統計（0，γ）范圍內的節點數Ki，并判斷Ki的范圍。

② 當Ki∈（3n/2N，n）時，則說明該子區域內節點數量過多，需按照式（4）對區域進行調整，再統計（0，β）范圍內的節點數Ki，并判斷Ki的范圍。

③當Ki∈（n/2N，3n/2N）時，節點數量比較合理，則不需要調整子區域范圍；

④當Ki= 0時，則在該子區域不進行任何操作。

劃分好第一個區域后，再進行第二個區域的劃分，即（γ，γ+α）或者（β， β+α）。按照步驟①-④再對第二子區域范圍進行調整，依次逆時針進行劃分，直到將整個簇內區域劃分結束。簇首節點根據簇內各個節點所屬區域將其位置信息存儲到T表中對應的區域子表內。

（2） 測量SNR值。當簇內節點有數據發送給簇首節點時，簇內節點首先發送一個包含DATA標識的短幀SR給簇首節點。簇首節點獲取SR中的DATA標識并計算各節點的SNR值，再將各節點信息存儲到T表中相應的區域子表內。

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

①判斷區域子表中是否有DATAi為1的節點，若沒有，則不再考慮該區域節點的選取；若有，則進行步驟②；

②若只存在一個DATAi為1的節點，則選取該節點作為區域子表的候選節點，若存在多個DATAi為1的節點，則進行步驟③；

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

簇首節點按照上述步驟從每一個區域子表中選取一個候選節點，然后按照PF調度算法［6，7］，計算出節點的優先級。簇首節點按照優先級的高低選取第一個傳輸節點，該節點的計數器P［Nodei］值自動加一。待選取第一個傳輸節點之后，簇首節點按照DPS算法，計算第一個傳輸節點與其他各節點進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點，完成節點對的選取。

（4） 數據傳輸。將選取的節點對放入調度隊列中，節點對的天線分別與簇首節點的2根天線聯合構成虛擬MIMO結構，并使用相同的時/頻資源進行通信。

5.仿真分析

在單跳網絡場景，傳感器節點隨機分布在網絡中，具體仿真參數設置如表1所示：

表1　仿真參數設置

（1）基于虛擬MIMO技術的數據傳輸策略與傳統分簇WSN數據傳輸策略的系統吞吐量進行比較，我們采用網絡平均吞吐量（見圖4）來衡量基于虛擬MIMO技術的數據傳輸策略的性能。

（2）比較各區域提供的數據量占總簇內區域的數據量的百分比，同一環境下進行多次仿真得出的平均統計圖如圖5所示。從圖中可以知道采用基于虛擬MIMO技術的數據傳輸策略獲取數據信息時，各個區域的數據信息分布更均勻，而采用傳統方式則會出現某些子區域沒有數據信息分布的情況。

圖4　網絡平均吞吐量仿真圖

圖5　子區域數據量/總區域數據量分布圖

6.結論

基于虛擬MIMO技術的分簇WSN數據傳輸策略既在一定程度上提高了系統吞吐量，又有效的保證了簇首節點所獲取的數據信息來源不過于集中，能夠滿足災異情況下大量數據的實時傳輸要求。但是該算法仍存在不足，如簇內區域劃分越多，分簇算法的復雜度會增加，同時帶來時間和功耗的增加，從而影響數據的傳輸，在今后的研究中有待于進一步改進。

參考文獻

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡［M］.北京：清華大學出版社，2005：1-10.

［2］Jong-Moon Chung， Joonhyung Kim， Donghyuk Han. Multihop Hybrid Virtual MIMO Scheme for Wireless Sensor Networks［J］. Vehicular Technology.2012.61（9）.4069-4078.

［3］Nortel.R1-051423.3GPP TSG-RAN1 Meeting #43.UL Virtual MIMO Scheduling. Seoul，Korea.2005.

［4］Nortel.R1-051422. 3GPP TSG-RAN1 WG1 #43. UL Virtual MIMO System Level Performance Evaluation for E-UTRA.Seoul，Korea.7th-11th November. 2005.

［5］Nortel. R1-051162. 3GPP TSG-RAN1 Meeting #42bit.UL Virtual.

［6］A Jalali，R Padovani and R Pankaj. Data throughput of CDMAHDR a high efficiency high data rate personal communication wireless system［C］. In Proc IEEE VTC2000-Spring， Boston， Ma，USA. 2000.1854-1858.

［7］T.Park，O.Shin，and K.B.Lee.Proportional fair scheduling for wireless communication with multiple transmit and receive antennas ［C］.In Proc.IEEE Vehicular Technology Conference （VTC2003-Fall）. Orlando，FL.USA.2003.1573-1577.

作者簡介：

秦曉琴（1989—），女，碩士，助教，主要研究方向：無線傳感器網絡，數字圖像處理等。