無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇分集數(shù)據(jù)傳遞方案

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇分集數(shù)據(jù)傳遞方案

1通過分簇的方式組織能量效率由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)控、安全和系統(tǒng)控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景，因此已成為信息研究、通信、網(wǎng)絡(luò)等許多專業(yè)方向的研究領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,每個(gè)節(jié)點(diǎn)由無線發(fā)送器、微控制器和能量源組成。能量源通常是電池。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,要更換電池或充電是不可能的,或者很困難。一旦傳感器節(jié)點(diǎn)的能量耗盡,該節(jié)點(diǎn)就不能使用了,這樣會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域。所以如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量效率成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的方面,也是當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,如何組織這些節(jié)點(diǎn)會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的能量效率。研究表明,分簇是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提高能量效率的一種有效機(jī)制。有大量的研究集中在協(xié)議層如何提高能量效率,如HEED協(xié)議,LEACH協(xié)議。在基于分簇的傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)首先分成若干個(gè)簇,每個(gè)簇都有一個(gè)簇頭,簇中的節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳送給簇頭,由簇頭向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(sink)傳去。Yuan和Cui提出了基于分簇的協(xié)作通信方案:簇內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)以協(xié)作的方式共享他們的天線而形成一個(gè)虛擬天線陣列,可以獲得虛擬MIMO的增益。Cui比較了SISO和MIMO的能量開銷,當(dāng)傳輸距離較小時(shí),SISO比MIMO能量有效,隨著距離的增加MIMO越來越能量高效。Gai等考慮同一簇內(nèi)傳感器感應(yīng)的原始數(shù)據(jù)的相關(guān)性,對(duì)比了MIMO與SISO方案的能量效率。由于在網(wǎng)絡(luò)各層上都有能量開銷,跨層考慮能量有效的數(shù)據(jù)傳輸方案會(huì)比單層考慮更加有效。文獻(xiàn)比較了3種數(shù)據(jù)傳輸方式的能量效率,但沒有考慮電路消耗的能量;文獻(xiàn)綜合考慮物理層的誤碼率和應(yīng)用層的服務(wù)質(zhì)量(QoS)從而提高了能量效率;本文提出的分簇多用戶分集數(shù)據(jù)傳送方案將物理層的信道增益用于MAC層決定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)工作,從而獲得了較高的能量效率。2傳統(tǒng)計(jì)劃與合作計(jì)劃的效率2.1節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)融合一維傳感器網(wǎng)絡(luò)(onedimensionalWSN)又稱為多對(duì)一傳感器網(wǎng)絡(luò)(many-to-oneWSN),由N個(gè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(sink)構(gòu)成,N個(gè)節(jié)點(diǎn)呈圓形或直線型排列,節(jié)點(diǎn)之間的距離遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離,本文考慮的分簇結(jié)構(gòu)由相鄰位置的ni個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇,所有節(jié)點(diǎn)分成M個(gè)簇,從而有。節(jié)點(diǎn)之間的信道可認(rèn)為是AWGN信道。節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的信道認(rèn)為是帶有平方律路徑損耗的瑞利衰落信道,信道矩陣中每一個(gè)元素可以用零均值圓對(duì)稱的復(fù)高斯(ZMCSCG)隨機(jī)變量表示,那么,信道增益g就可以表示為指數(shù)分布的隨機(jī)變量,設(shè)其均值為1,即E(g)=1。傳感器節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的信道是獨(dú)立的,傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率是可控的,可根據(jù)發(fā)射距離或信道增益的大小調(diào)整。傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)部的通信采用TDMA調(diào)度,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在分配的時(shí)隙內(nèi)先把數(shù)據(jù)傳給簇頭,由簇頭執(zhí)行數(shù)據(jù)融合。傳統(tǒng)方案中,由簇頭把融合后的數(shù)據(jù)直接送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。協(xié)作分集方案中,簇頭把融合后的數(shù)據(jù)再傳回傳感器節(jié)點(diǎn),和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)一起把數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。由于同一簇內(nèi)傳感器感應(yīng)的數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的相關(guān)性,通過數(shù)據(jù)融合,傳給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)得到壓縮,這是所有基于分簇的通信方案所具備的能量高效的原因之一?？紤]的通信方案中主要的能量開銷的差異集中在兩個(gè)階段,簇內(nèi)通信和從簇到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送(簇間通信)。下面首先介紹一般通信鏈路的能量開銷模型,再對(duì)上述兩個(gè)階段的能量開銷建立數(shù)學(xué)模型。2.1.1效率面向單條路徑的總的平均功率開銷主要分成兩部分:所有功放的功率開銷Ppa和所有其他電路塊的功率開銷cP,Ppa由發(fā)送功率Pout決定,可以近似為α=(ξ/η)-1,η是RF功放的拖拽效率(drainefficiency);ξ是峰均比(peak-to-average,PAR),數(shù)值由調(diào)制方案和相關(guān)的星座尺寸決定。第2部分cP由下式給出式中Mt,Mr分別是發(fā)送、接收天線的數(shù)目,PDAC,Pmix,PLNA,PIFA,Pfilt,Pfilr,PADC,Psyn分別是DAC,混合器,低噪聲放大器(LNA),中頻放大器(IFA)發(fā)送和接收端的濾波器,ADC和頻率分析器的功率開銷。為了后文的表述方便,將cP表示為Mt,Mr的函數(shù),記為Pc(Mt,Mr)。固定速率(bR,比特速率)系統(tǒng)傳送一個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)的總能量開銷為2.1.2接收功率的確定設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)用于簇內(nèi)通信的發(fā)送功率為Pt-ina,每個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)量為H,M個(gè)簇內(nèi)的(ni-1)個(gè)傳感器向各自的簇頭傳送的數(shù)據(jù)量為∑Mi=1(ni-1)H,基于分簇的傳統(tǒng)方案簇內(nèi)通信的能量開銷為協(xié)作分集方案中,簇頭還要把融合后的數(shù)據(jù)再傳回給(ni-1)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),設(shè)融合比為AR,0<AR<1,則融合后的數(shù)據(jù)量為AR∑Mi=1(ni-1)H,簇內(nèi)通信的能量開銷為簇間通信指簇頭或傳感器節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。要使目標(biāo)節(jié)點(diǎn)一側(cè)滿足一定的誤碼率要求,不同的傳送方案條件下發(fā)送功率是不同的。因此,為了公平起見,假設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處的接收功率相同,比較不同傳送方案的能量開銷。傳送融合后的數(shù)據(jù)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的過程中,節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率Ptosink,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的接收功率rP,信道增益g之間滿足傳統(tǒng)方案由簇頭執(zhí)行傳送,簇頭到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的信道增益g是指數(shù)分布的隨機(jī)變量。能量開銷為此處E(·)表示求隨機(jī)變量的均值。根據(jù)定義式(8)的解析解不存在。為了計(jì)算式(8),設(shè)信道增益g存在門限值gth,低于此門限,節(jié)點(diǎn)就不發(fā)送,那么協(xié)作傳輸時(shí)如利用信道增益構(gòu)成發(fā)送端波束形成,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處獲得的信道增益gci可表示為各協(xié)作路徑的增益相ni加,即是獨(dú)立的同為指數(shù)分布的隨機(jī)變量,j=1那么gci為γ分布的隨機(jī)變量。協(xié)作傳輸時(shí)簇間通信的能量開銷為2.2傳統(tǒng)方案與協(xié)作分集結(jié)果比較對(duì)比兩種方案可以發(fā)現(xiàn)協(xié)作分集傳送方案簇內(nèi)通信的能量開銷比傳統(tǒng)方案的能量開銷增加了一項(xiàng)用于數(shù)據(jù)回傳,為了比較簇間通信階段各方案的能量開銷,用數(shù)值積分取gth=10-7求出了式(9)的近似值為15.54rP,由于rP>0,式(11)當(dāng)ni取不同值時(shí)的結(jié)果顯著小于式(9)的值。為了方便比較,假設(shè)每個(gè)簇內(nèi)的傳感器數(shù)目相同,即?i,j,有ni=nj=n,傳統(tǒng)方案和協(xié)作分集兩種方案在簇內(nèi)、簇間兩個(gè)階段的總能量開銷分別為比較式(12)和式(13),由于E(Pr/gci)<E(Pr/g),即使式(13)電路消耗的能量大于式(12)電路消耗能量,如果協(xié)作分集增益帶來的能量開銷的減小大于電路能量開銷的增加,仍會(huì)出現(xiàn)協(xié)作的能量開銷小于傳統(tǒng)方案的能量開銷。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中電路消耗的能量與數(shù)據(jù)傳送消耗的能量數(shù)量級(jí)是相當(dāng)?shù)?如果能夠在電路消耗能量增加不多的情況下減小數(shù)據(jù)傳送的能量開銷,則總的能量開銷還可以降低。本文提出的分簇多用戶分集數(shù)據(jù)傳送方案(CMDDTS)具備這個(gè)特點(diǎn)。3多用戶分集的總能量開裂分簇的過程與前兩種方案相同,傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)通信采用TDMA調(diào)度,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在分配的時(shí)隙內(nèi)先把數(shù)據(jù)傳給簇頭。多用戶分集是把所有的發(fā)送資源分給擁有最好瞬時(shí)信道的用戶。因此,選擇擁有最好瞬時(shí)信道的傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇頭,由該節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn),就可形成多用戶分集,這樣簇內(nèi)通信的能量開銷與傳統(tǒng)分簇方案的相同,即Emul=Eclu。簇間通信采用多用戶分集發(fā)送,發(fā)送節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的信道增益gmi為第i簇中各信道的增益中的最大值,即gmi=max{g1i,g2ignii},g1i,g2i,gnii是獨(dú)立的同為指數(shù)分布的隨機(jī)變量,則gmi的概率分布函數(shù)為多用戶分集簇間通信階段的能量開銷為假設(shè)每個(gè)簇內(nèi)的傳感器數(shù)目相同,那么簇內(nèi)、簇間通信所用的總能量為式(17)中,E(Pr/gmi)的數(shù)值非常關(guān)鍵,為了對(duì)比,表1列出了式(11),式(16)的具體數(shù)值。從表1中可以看出,式(16)比式(11)增加的數(shù)值不大,而多用戶分集比協(xié)作分集在電路上所花的能量要小,從而可能會(huì)出現(xiàn)多用戶分集的總能量開銷小于協(xié)作分集的總能量開銷。比較式(12)和式(17),一定有即多用戶分集方案的總能量開銷一定小于傳統(tǒng)的分簇傳送方案的能量開銷。比較式(13)和式(17),當(dāng)時(shí)有式(18),式(20)說明,如果考慮電路開銷的能量,多用戶分集方案比傳統(tǒng)方案能量有效;多用戶分集方案與協(xié)作分集方案的能量效率比較結(jié)果與數(shù)據(jù)融合比AR,簇內(nèi)通信的發(fā)送功率Pt-ina,簇間通信的接收功率rP以及電路消耗的功率及簇內(nèi)傳感器的數(shù)目n有關(guān),當(dāng)滿足式(19)時(shí),多用戶分集方案的能量效率優(yōu)于協(xié)作分集方案的能量效率。第4節(jié)的數(shù)值仿真將討論這個(gè)條件。4能量開裂與pt-ina的關(guān)系下面通過一個(gè)具體的例子來計(jì)算比較各種方案的能量開銷。系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值如下:B=20kb/s,Ml=40dB,Nf=10dB,1m處的增益因子α=0.5,G1=30dB,N=60,AR=0.5,Rb=5kb/s,Pct=98mw,Pcr=112mw,每個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)比特H=2kbit,Pb=10-3,d=10m,D=100m~200m,N0/2=-174dBm/Hz。從第3節(jié)分析中可以知道能量開銷的比較結(jié)果與融合比AR,簇內(nèi)通信的發(fā)送功率Pt-ina,簇間通信的接收功率Pr以及電路消耗的功率及簇內(nèi)傳感器的數(shù)目n有關(guān),考慮到協(xié)作空時(shí)編碼的需要,n最大取為5。固定Pt-ina,n,可得到能量開銷與Pr之間的關(guān)系。Pt-ina要滿足簇內(nèi)通信誤碼率的要求,根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值計(jì)算后取15mw。圖1表示了n=2時(shí)能量開銷與Pr之間的關(guān)系。為了對(duì)比,圖2給出了n=2時(shí)不考慮電路時(shí)能量開銷的關(guān)系圖?？梢园l(fā)現(xiàn),不論是否考慮電路消耗的功率,多用戶分集的能量開銷始終小于傳統(tǒng)的分簇的能量開銷,不考慮電路能量開銷時(shí),隨著接收功率增加,協(xié)作分集的能量開銷逐漸低于多用戶分集的能量開銷,這是因?yàn)閺膮f(xié)作分集獲得的增益所導(dǎo)致的能量開銷減小與簇內(nèi)通信能量開銷的增加相抵消的結(jié)果;當(dāng)考慮電路能量開銷時(shí),多用戶分集的能量總開銷最小,當(dāng)接收功率較小時(shí),協(xié)作的能量開銷最大,這是因?yàn)閰f(xié)作分集方案在電路上的能量開銷最多,當(dāng)接收功率較小時(shí),從協(xié)作分集獲得的增益不足以抵消多出的電路能量開銷,這與文獻(xiàn)中當(dāng)傳送距離較小時(shí),SISO比MIMO能量有效的結(jié)論是一致的。圖中沒有出現(xiàn)協(xié)作分集能量開銷最小的情況,把系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)代入式(19),求出滿足式(19)的Pr值為Pr<1120mw,這說明在傳感器節(jié)點(diǎn)接收功率工作范圍內(nèi),多用戶分集的能量效率高于協(xié)作分集的能量效率。當(dāng)n為3,4,5時(shí),3種方案的能量開銷比較結(jié)果與上述結(jié)論相同。固定rP,n,設(shè)Pr=60mw,可得到能量開銷與Pt-ina之間的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出,能量總開銷與Pt-ina之間的關(guān)系是線性的,并且3種方案的能量開銷對(duì)比結(jié)論依然是多用戶分集最小,協(xié)作分集其次,傳統(tǒng)方案能量開銷最大。5能量開裂分析針對(duì)一維無線傳感器網(wǎng)絡(luò),本文分析了基于分簇的3種通信方案的能量開銷,考慮了數(shù)據(jù)融合比,簇內(nèi)通信的發(fā)送功率,簇間通信的接收功率以及電路消耗的功率和簇內(nèi)傳感器的數(shù)目對(duì)能量開銷的影響,發(fā)現(xiàn)電路消