WSNs中基于协作通信的分簇路由算法研究

张晓青，黎作鹏，李志华，赵继军

(河北工程大学信息与电气工程学院，河北邯郸056038)

在采用协作路由的无线传感器网络中，节点之间相互协作共同完成监测任务，这样不仅可以延长网络生命周期［1］，而且可以保障网络吞吐量［2］。以减少能量消耗、降低丢包率、优化平均传输时延［3］、降低路径损耗［4］为目标的现有算法，均是在寻找最短路径的基础上优化网络性能指标，但最短路径不一定是最优路由。关于如何保障数据传输可靠性的问题，文献［5－6］侧重研究如何最小化中断概率和优化源节点与中继节点的发送功率等问题。文献［7］则重点阐述了如何保证每条链路所需的误码率和网络吞吐量。文献［8－9］提出了优化网络资源的数据信息传输策略。上述所提到的路由算法都忽略了网络节点的分布状况对数据传输可靠性的影响，因此存在路由效率低，扩展性差等缺陷。针对上述策略的不足，本文综合考虑网络节点分布状况对数据传输可靠性的影响，将协作路由和分簇拓扑结构相结合，实现多跳网络中成员节点间的协作通信，达到优化源－目的节点路径，提高网络频谱利用率，增强网络数据信息传输的可靠性，提出了一种基于协作通信的分簇路由算法。

1 系统模型

WSNs由传感器节点和sink节点组成，节点集合则称为簇。传感器节点随机分布在监测区域内，这些节点在分簇机制作用下组成不同的簇，每个簇选取一个节点作为簇首节点，簇中其余节点则称之为成员节点。

WSNs均采用正交信道，即网络中每个节点用于发送和接收数据信息的信道相互独立，协作通信网络模型如图1所示。在协作通信网络模型中，协作节点r首先将来自于源节点s的数据信息解码、检测估计处理，然后将其传送至目的节点d。d将来自s的信息和来自r的信息进行融合处理后得到最终数据。研究表明协作路由可以提高系统吞吐量、增大网络系统容量、提升数据传输速率、有效地对抗衰落并提高系统的频谱利用率，优化系统的服务质量和提高网络数据信息传输可靠性。

在分簇过程中，依据权值In选取簇首节点，权值In为

式中Dn－该节点通信半径范围内的邻居节点个数，即该节点的度数;Pn－该节点的邻居节点与其距离之和;Bn－该节点剩余的可用带宽。

系数a、b和c满足a+b+c=1，用户可以根据具体应用需求调整系数a、b和c分配比例。

当节点i(s，r∈i)将信息发送到节点j(r，d∈j)时，节点j的信噪比SNRi.j［5］为

式中节点i和节点j－信道中的路径损耗系数为－ 节点i的发送功率－ 节点j的协方差;hi，j－信道本身的衰减及衰落特性。

信道增益hi，j［5］为

由Shannon信道容量公式可知，C=Wlog(1+SNR)中的信道带宽W通过归一化可得到信道频谱利用率

2 算法描述

本文在将节点的分布密度和协作通信相结合的基础上进行路由算法优化。为降低路由计算的复杂度，本文中的WSNs采用分簇拓扑结构，来寻找频谱利用率最大的协作路径。该算法分为以下三个步骤:

1)分簇。WSNs的分簇拓扑结构包括簇首和成员两类节点。在选簇过程中主要研究邻居节点数量、节点的发送功率和信道的剩余带宽，且根据用户具体要求调整其各自的权重因子。分簇的具体过程如下:(1)网络中节点周期性交换HELLO信息，确定邻居节点的位置。(2)选取邻居节点中权值In最大的作为簇首节点，并向其他节点广播自己的身份信息。(3)重复上述步骤，直到所有节点找到归属的簇，分簇完成。簇首节点之间广播消息，并收集其他簇首节点的位置信息建立簇间拓扑。至此，分簇过程结束，如图2所示。

2)簇间路由。分簇完成后，当簇中有成员节点需要将数据信息发送至其他簇中的目的节点时，s所在簇的簇首节点需要确定该数据信息要通过哪个簇的转发，其路径如图3所示。簇间路由分为两个进程:(1)簇间路由选择。s所在簇中的簇首节点依据分簇过程中建立的簇间拓扑信息，确定到d所在簇簇首节点之间的路径。然后根据公式(2)和公式(4)计算每条路径的SNR和η，并选取η最大的路径作为传输路径;(2)协作通信优化路由。首先在选择的簇间路径上确定每一跳中可以作为备选协作节点的传感器节点;在簇间通信过程中，簇首节点之间可以选取两种传输方式:直接传输方式和协作传输方式。由于传输路径中存在多个备选协作节点，因此通过计算公式(2)和(4)得出SNR和η，进而确定簇首节点之间的传输方式。

簇首节点通过以上步骤可以获得一条从A簇的簇首节点到C簇的簇首节点的簇间路由。

3)簇内路由。簇间路由确定后需要通过簇内路由算法确定簇内路径，具体过程如图4所示。s在A簇中需要经过簇内路由将数据信息发送至A簇的簇首节点，同样C簇的簇首节点也需要经过簇内路由将数据信息发送至C簇的d。此时簇内路由的传输方式可以采取协作传输或直接传输方式中的任意一种。

簇内路由算法具体描述如下:(1)分别计算s到本簇内簇首节点采取直接传输和协作传输的SNR和η，并比较计算结果，若最大η对应一个中继节点则选取该中继节点作为r，为了提高网络可靠性，此时系统将采取协作传输方式进行网络信息通信，反之则采取直接传输方式。(2)同样，d所在簇的簇首节点依据SNR和η选择直接传输或协作传输方式将数据信息发送至d，至此数据信息传输完成。

3 仿真结果与分析

采用MATLAB仿真平台，针对文献［7］中未分簇的协作路由算法和所提的基于协作通信的分簇路由算法分别在SNR和η方面进行了性能比较。

具体仿真环境设定如下:无线传感器网络为同构型网络，每个传感器节点具有相同的初始功率，在网络拓扑范围为1 000 m×1 000 m的监测区域内随机分布多个传感器节点。假设任意两个传感器节点之间通信的信道是瑞利慢衰落信道，且符合相互独立同分布的循环对称复高斯随机变量。噪声变量为－70 dbm，功率分配系数为0.5。

图5为基于协作通信的分簇路由算法与未分簇协作路由算法的SNR和η性能对比图。在网络中节点数量较少时，基于协作通信的分簇路由算法的SNR和未分簇协作路由算法相比优势并不明显。这是由于节点数量较少时，两种算法都没有足够多的r协助系统完成数据信息的传输。但当传感器节点数量足够多时，随着可备选的r数量增多，SNR迅速增大，且逐渐趋于平滑。这是由于当网络规模变大时未分簇协作路由算法不能根据网络具体变化做出迅速反应，且不能借助其他节点传输数据，导致传输可靠性偏低。而分簇协作路由算法根据分簇拓扑减少节点的通信量，且拥有足够多的邻居节点协作传输数据信息，更充分地利用了网络资源，提高了数据信息传输可靠性。

基于协作通信的分簇路由算法和未分簇协作路由算法的频谱利用率性能对比图如图6所示。由图可知，在无线传感器节点数量较少时，由于基于协作通信的分簇路由算法中簇首节点没有足够多的协作节点来协助传输数据，所以性能优势并不明显。随着无线传感器节点数量的增多，该算法在频谱利用率方面有了显著的提升。

4 结论

基于协作的分簇路由算法在无线传感器节点数量较少时，没有足够多的协作节点来协助传输数据，信噪比和频谱利用率的性能优势并不明显;随着节点数量的增多，该算法降低了路由通信的功耗，并提升了协作带来的路由增益，提高了无线传感器网络传输的可靠性。

［1］张晚生，刘凯.无线网络中基于位置的能量高效协作路由算法［J］.电子与信息学报，2012，34(1):63－68.

［2］乔宏，张大方，谢鲲，等.分布式多网关无线mesh网公平协作路由算法［J］.通信学报，2015，36(2):1－11.

［3］吴开兴，张荣华.基于信息分组的TDOA安全定位算法［J］.河北工程大学学报:自然科学版 ，2011，28(2):60－63.

［4］BABAEE R，BEAULIEU N C.Joint routing and power allocation optimization for multi－hop wireless networks［C］//Wireless Communications and Networking Conference(WCNC)，2010，1－6.

［5］MANSOURKIAIE F，AHMED M H.Joint Cooperative Routing and Power Allocation for Collision Minimization in Wireless Sensor Networks With Multiple Flows［J］.IEEE Wireless Communications Letters，2015，4(1):6－9.

［6］SHARMA S，SHI Y，HOU Y T，et al.Joint flow routing and relay node assignment in cooperative multi－hop networks［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2012，30(2):254 －262.

［7］ZHAI C，LIU J，ZHENG L，et al.Maximise lifetime of wireless sensor networks via a distributed cooperative routing algorithm［J］.Transactions on Emerging Telecommunications Technologies，2012，23(5):414－428.

［8］LI P，GUO S，CHENG Z.Max－min lifetime optimization for cooperative communications in multi－channel wireless networks［J］.IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2014，25(6):1533 －1542.

［9］SHARMA S，SHI Y，HOU Y T，et al.An optimal algorithm for relay node assignment in cooperative ad hoc networks［J］. IEEE/ACM TransactionsonNetworking(TON)，2011，19(3):879－892.