無線傳感網絡中多轉發節點協作傳輸策略*

曾振東，孫 波，鄧嘉明

（1.廣東青年職業學院計算機工程系，廣州 510507；2.嘉應學院信息網絡中心，廣東 梅州 514015）

0 引言

無線傳感網絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）［1］已在多個領域廣泛使用，如天氣監測、康復醫療、動物跟蹤。WSNs 內多個傳感節點感測環境數據，再將數據傳輸至基站［2］，進而實現對環境的監測。然而，由于受資源限制，如能量、安全［3］，數據傳輸的可靠性仍存在挑戰。

為了提高數據傳輸的可靠性，研究人員進行了大量的研究工作［4］，并提出基于轉發節點的協作轉發方案。例如，Vallimayil 分析了轉發節點對數據傳輸的影響。此外，通常WSNs 內的節點是由電池供電，屬于有限能量。一旦能量消耗殆盡，節點就無法感測、接收和傳輸數據，這就降低了數據傳輸的可靠性。

能量采集（Energy Harvesting，EH）是緩解WSNs能量短缺問題的有效技術［5］。EH 技術通過從周圍環境采集能量，如太陽光線、射頻（Radio Frequency，RF）波，進而補充節點能量。例如，Nasir 等分析了RF-EH 的應用性能。

此外，節點與基站間的通信安全也是WSNs 的研究熱點之一。Shannon［6］最先提出了物理層安全（Physical Layer Security，PLS）問題。Wyner 基于PLS框架，建立了信息理論架構，其認為源節點與目的節點間存在一個竊聽者（Eavesdropper，EAV）。EAV竊聽轉發節點與目的節點間的通信。

為此，從安全的角度并面向EH 的WSNs 網絡，提出多轉發節點協作傳輸方案（Multi-relay Cooperative Scheme，MRCT）。MRCT 方案選擇最優的節點構成轉發節點，進而提高數據傳輸效率和安全性。仿真結果表明，MRCT 方案提高了系統吞吐量，并增強了安全能力。

1 系統模型

考慮如圖1 所示的網絡模型。整個網絡由1 個基站（Base Station，BS）、M 個傳感節點（S1，S2，…，SM）和N 個轉發節點（Relay Node，RN）（R1，R2，…，RN）組成。系統內還存在被動竊聽者EAV。EAV 試圖從轉發節點至傳感節點間鏈路提取信息。

圖1 系統模型

這些設備均由基站管理［7-8］，每個設備均安裝了單個天線，以半-雙工模式工作。令表示基站至轉發節點Ri信道響應參數，且i=1，2，…，N表示轉發節點Ri至竊聽者EAV 信道響應參數；表示轉發節點Ri至傳感節點Sk信道響應參數，且k=1，2，…，M。

假定所有信道遵守Rayleigh 衰落［9］。用式（1）和式（2）分別表示信道的累加分布函數（Cumulative Distribution Function，CDF）和概率密度函數［9］：

2 MRCT 方案

2.1 通信協議

2.1.1 基站向轉發節點傳輸信息

在αT 時間段，基站BS 向RNs 傳輸信息。其中T 表示一幀時隙長，而α 表示貢獻于基站至轉發節點傳輸階段的時間比例，且0<α<1，如圖2 所示。

圖2 時間軸

式中，η 表示EH 的采集能量效率。

2.1.2 轉發節點向傳感節點轉發信息

除αT 時間段外，剩下的（1-α）T 時間段的轉發節點Ri傳輸功率可表示為：

2.2 信道容量及安全能力

采用文獻［12］的安全能力的定義：在EAV 存在的情況下，從基站至傳感節點Sk的無線傳輸信道的瞬時安全能力可表示為：

(四)收益分配風險問題，收益分配是公司經營成果的再分配，同時也是公司內部資金的再分配。公司經營發展過程中可能出現的收益分配風險主要包括收益確認風險以及收益分配形式、金額和時間節點風險。公司的收益分配不當，對于公司的投資者利益、公司的長遠發展等都有可能帶來不利影響。

2.3 非協作的轉發節點策略

在非協作的轉發節點（Non-cooperative Relay Node，NCRN）策略中，NCRN 策略從N 個轉發節點中選擇一個具有最大信道增益的節點向傳感節點傳輸消息［13-14］，進而提高信息傳輸的可靠性和安全能力。

式中，R*表示具有最大信道增益的轉發節點。

相應地，R*所采集的能量可表示為：

2.4 多節點協作轉發策略

與NCRN 方案不同，多節點協作轉發MRCT 策略不是選擇一個轉發節點向傳感節點傳輸信息，而是由多個轉發節點將所接收的信息進行合并，合并后再傳輸至傳感節點，進而提升信道的安全能力。

3 性能分析

3.1 仿真環境

利用MATLAB R2018 軟件建立仿真平臺，分析MRCT 方案的性能，包括吞吐量和安全中斷概率（Security Outage Probability，SOP）［16］。SOP 指標能夠反映WSNs 的安全性能［17］。下頁表1 給出仿真參數的取值范圍，其中dBR表示基站離轉發節點的距離；dRE表示轉發節點離EAV 的距離；dRS表示轉發節點離傳感節點的距離。

表1 仿真參數

同時，選擇文獻［18］的協作轉發方案（Traditional Cooperative Relay，TCRA）Scheme 作為參照，并對NCRN 和MRCT 方案進行同步仿真，對比分析它們的性能。

TCRA 方案先依據來自傳感節點的反饋信息決定是否需要協作傳輸。如果需要，每個轉發節點就估計自己是否適合協作轉發，并將這些適合協作轉發的節點構建一個轉發節點集。再從這轉發節點集中選擇具有最大瞬時互信息量的節點作為協作節點。表2 總結了TCRA、NCRN 和MRCT 方案的特點。

表2 TCRA、NCRN 和MRCT 方案的特點

3.2 吞吐量性能

先分析γ0對NCRN、TCRA 和MRCT 方案的吞吐量的影響。仿真過程中的參數如下：N=26、M=30、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。

圖3 顯示了NCRN、TCRA 和MRCT 3 個方案的吞吐量隨γ0的變化情況。從圖可知，MRCT 方案的吞吐量優于NCRN 和TCRA。同時，觀察圖3 不難發現，吞吐量隨γ0的增加迅速上升。當γ0增加到一定程度后，吞吐量也保持穩定。原因在于：吞吐量與信噪比相關。信噪比越大，中斷概率就下降。低的中斷概率，就增加了吞吐量。

圖3 吞吐量隨γ0 變化情況

3.3 SOP 性能

本節先分析對SOP 性能的影響。仿真過程中的參數如下：N=25、M=30、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。

如圖4 所示，當γ0增加NCRN 方案的SOP 只是很小程度地下降，甚至可忽略，但TCRA 方案的SOP 隨γ0的增加而快速下降。原因在于：從基站至傳感節點和從基站至EAV 的信道容量是關于γ0的函數。在NCRN 方案中，基站至節點和基站至EAV鏈路的信道容量只是與單一的γ0相關。而在TCRA和MRCT 方案中，信道容量與多個信道的γ0相關。因此，MRCT 和TCRA 的安全性能得到提高。

圖4 SOP 性能隨γ0 的變化曲線

圖5 分析了SOP 性能隨轉發節點數N 的變化情況，其中γ0=10 dB、M=25、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。

從圖5 可知，隨著節點數的增加，NCRN 方案的安全性能提升幅度最小，而TCRA 和MRCT 方案安全性能提升速度很快，原因在于：NCRN 方案只選擇了一個最優的轉發節點，而TCRA 和MRCT 方案選擇了多個轉發節點。與圖4 相似，MRCT 方案的SOP性能最優。

圖5 SOP 性能隨N 的變化曲線

最后，節點數M 對SOP 性能的影響，其中γ0=10 dB、N=25、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。從下頁圖6 可知，3 個方案的SOP 性能均隨節點數M 的增加而上升。原因在于：節點數M 越多，節點處所獲取的密度增益就越大。

圖6 SOP 性能隨M 的變化曲線

4 結論

針對EN-WSNs 網絡，提出多轉發節點協作傳輸方案MRCT。MRCT 通過選擇最優的轉發節點提高數據傳輸率，增強系統的安全性。仿真結果表明，通過加大轉發節點數或者減少基站離轉發節點距離，能夠提高MRCT 方案的性能。后期，會分析非理想信道狀態信息對安全性能的影響，并考慮路由性能，如數據包丟失率、傳輸時延等。