WSN中一种多跳协作MIMO传输策略

张朝霞 谢 达 罗智勇

（1.湖南化工职业技术学院，湖南 株洲412004；2.中国人民解放军广州军区75741部队，广东 广州510510）

0 引言

无线传感器网络中，数以万计的无线传感器节点被随机地布署在人类难以接近的场所，通过自组织的方式快速构成一个有效、可靠的无线通信网络。给这些节点更换电池通常是不现实的，故，节省能量在WSN设计中非常重要，其直接关系到网络的实际生存时间。协作MIMO（多入多出Multiple-Input Multiple-Output）技术作为WSN（无线传感器网络）的有效节能技术之一，近年来成为了国内外学者研究的热点[1－2]。ECVT等传输策略能延长生存时间，而没有考虑多跳模型，没有按照实际情况将SINK节点其放在监测区域之外。

基于以上问题，本文根据地理信息的算法进行动态分域，在考虑信道正交度和节点剩余能量的情况下，建立了一个应用更为广泛的多跳协作MIMO模型，提出多跳协作MIMO传输策略。

1 基于多跳协作MIMO的WSN模型

建立一个在边长为M的方形区域内随机分布着N个节点，所有传感器节点同构且能量有限，只具有简单的计算能力[3]。SINK节点能量、形状等不受限制，有较强的计算能力。各个节点完成定位后不能移动，节点之间能相互通信（包括SINK节点）得知彼此信息。

基于地理信息对WSN划分域，域的个数kc与每轮存活节点数Ni成一定比例（kc=βNi），并在运行过程中根据节点能量大小动态轮换域首节点。如图1所示，在形成域之后，假设每一轮只有其中一个域因检测到突发事件而产生数据，这些数据经域首节点融合后以多跳协作传输的方式发送到SINK节点。当所有的域形成后，每个域的域首节点开始选择个Mt协作节点作为MIMO传输系统的发送/接收节点。域首节点广播一个协作传输请求信息给协作节点，协作节点收到协作传输请求信息后，记下域首节点的ID并且发送一个反馈信息。每个域首节点每轮都需要动态地创建一个包含目标域首节点ID信息、下一跳域首节点、协作节点ID以及本域协作传输节点ID的路由表。每一轮数据传输完成后，域首节点都需要及时更新路由表中的数值并将其广播给其它的域首节点。

当某个区域内检测到触发事件时，普通节点采集数据，并将其传送到域首节点，域首节点对采集的数据进行融合后发往协作节点，协作节点对其进行STBC（空时分组码Space-Time Block Coding）编码后再转发到下一跳，直至SINK节点。

2 节点剩余能量及能耗分析

对于未参与协作传输的普通节点与域首节点的剩余能量Eren、Ereh分别与上轮（首轮为初始值）传输后的普通节点与域首节点的剩余能量Eren0和Ereh0，域内短距离传输、接收的每比特能耗Etrl和Erel，域间协作节点到下一跳协作节点（最后一跳为节点到SINK节点）长距离传输的每比特能耗EtrL，域首节点融合数据时的每比特能耗Eda，一轮（round）中节点i需要传输数据的比特数为Lri，数据聚合因子dagg，每轮中第j个协作MIMO域内的存活节点数目Nj等因素有关。

每一轮传输数据的能量消耗由以下两个部分组成：域内的传输能量消耗Elocal和域间（最后一跳为协作MIMO域到SINK节点）的传输能量消耗Ectoc。

3 实验仿真与分析

实验中，采用Matlab7.0对本文提出的多跳协作MIMO传输策略进行仿真验证与分析。设100个节点均匀分布在100*100米的方形区域内，每个节点的初始能量为0.5J，SINK节点分布在区域外。每一轮形成域个数为kc=ceil（βNi）（β=0.1，Ni是上轮存活节点数，ceil（·）为向下取整函数），每个域中选择的协作节点个数均为3，星座调制级数b=4。

为验证该策略的节点存活率性能，针对E-MIMO（现有典型的基于LEACH协议的协作MIMO传输策略）和本文策略进行了对比仿真实验。

图1 100m*100m监测区域内的节点存活率

图1为100m*100m监测区域内的节点存活率。两种策略存活节点的分布性都比较好，但是在检测区域的右下方，本文策略的节点存活率要优于E-MIMO策略，本文提出的传输策略在采用了基于地理位置的动态分域后则有效地避免了节点能耗过早耗尽出现了监测空洞的现象。

4 结论

为解决无线传感器网络中的能耗问题，针对现在算法在监测空洞和信道正交度方面考虑的不足，根据节点地理信息分域，并联合信道正交度和节点剩余能量来选择协作节点提出了一种高效节能的多跳协作MIMO传输策略。仿真结果表明，文中提出的策略能有效地避免了监测空洞的现象。

［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.