LEACH无线传感器网络中增加协作传输的能耗研究*

蒋 阳，陈碧云，吴 磊，王 鹭

（重庆大学通信工程学院，重庆 400044）

0 引言

由于传感器节点采用电池供电且大部分电池无法更换，这就使得无线传感器网络的能量问题成为无线传感器网络研究的关键问题之一。解决能量消耗不均是解决无线传感器网络能量问题，延长网络寿命的主要途径之一。为此，相关学者专家展开了大量的研究工作。文献［1］给出的基于簇的LEACH路由协议通过周期性地选择簇头节点的方法，有效地均衡了簇内节点的能耗，但是LEACH路由协议要求网络中的节点都能直接与Sink节点进行通信，簇头节点将本簇数据信息直接向Sink节点传送，这样距Sink节点远的簇相比于距Sink节点近的簇将消耗更多的能量，因此，这种由距离产生的簇之间的能耗不均现象仍然存在。

本文在LEACH路由协议的基础上进行分析研究，将协作传输的思想应用到无线传感器网络之中，即vMISO（virtual multiple-input single-output）系统。仿真结果表明:网络中的能量消耗不均现象得到了有效的改善，从而延长网络的生存时间。

1 网络模型和能耗模型

1.1 网络模型

本文研究的是基于LEACH的无线传感器网络能量均衡问题，因此，网络模型采用基于LEACH的分簇结构，如图1所示。

图1 LEACH协议的分簇结构Fig 1 Clustering structure of LEACH protocal

针对此模型，现做如下假设:

1）网络中的节点一但部署则静止不动;2）除Sink节点不受能量限制外，网路中的其他节点具有相同的初始能量;3）网络中的节点能够自动调整合适的发射功率与Sink节点进行直接通信。

1.2 能耗模型

为便于对网络能耗进行分析，现构建如下的无线传感器网络通信能量消耗模型［2］

式中Emember为节点发送sbit的数据所消耗的能量，ERx为节点接收sbit的数据所消耗能量，Eelec表示发射电路损耗的能量，若传输距离小于阈值d0时，功率放大损耗采用自由空间模型;若传输距离大于d0时，功率放大损耗采用多路径衰减模型，在无线传感器网络中阈值d0一般取87m［2］，εfs，εamp分别为自由空间模型和多路径衰减模型中功率放大所需的能量。

1.3 问题描述

根据上述能耗模型，可看到传感器网路中节点的能耗和距离的n（n=2，4）次方成正比。根据LEACH分簇结构，网路中的簇头节点直接和Sink节点进行通信，虽然簇头节点由簇内节点循环担任，保证了簇内节点能量消耗均衡，但是，簇与簇之间的能耗不均现象仍然存在。LEACH结构下传感器节点的能耗与距离的关系如图2所示。由图2可知，当传感器节点到Sink节点的距离大于阈值87 m时，节点的能耗将迅速的增大。因此，当基于LEACH的传感器网络的范围较大时，这种由距离差异所带来的能耗不均现象对整个网络的寿命将起决定性的作用。因此，本文所要解决的关键问题就是要消除这种由距离产生的能耗不均现象。

图2 节点的能耗与距离的关系Fig 2 Relationship between node’s energy consumption and distance

2 协作传输

2.1 协同MIMO（vMIMO）技术

MIMO（mutiple-input mutiple-output）是使用多根发送天线和多根接收天线进行无线传输的技术。它可以利用MIMO信道提供的空间分集增益有效地消除无线信道多径、时变衰落的影响，提高信号传输的可靠性和降低误码率［3］。为了进一步应用MIMO技术，文献［4］提出了一种新的空间分集技术，即协同MIMO（cooperative MIMO），也称为虚拟MIMO（virtual MIMO）。协同MIMO的基本原理是多用户环境中的单天线用户在传输自己信息时，也能传输接收到的邻近用户的信息。实质就是利用同伴的天线和自身的天线构成多发射天线，形成虚拟的MIMO系统来得到分集增益。鉴于无线传感器网络节点分布密度高、体积小、能量有限等特点，将协同MIMO技术应用于无线传感器网络的研究越来越多［5～7］。

2.2 分集增益

分集增益广义上描述的是系统采用协同MIMO技术时在性能上的改善程度。狭义上可以理解为采用协同时的系统信噪比所获得的改善程度。

对于vMISO系统，现假定采用STBC进行编码协同，调制方式为BPSK，当误码率为10－3时，不同的协作节点个数带来的分集增益和当节点采用相同的发射功率所带来的距离的扩展如表 1［6］。

表1 分集增益和距离扩展因子Tab 1 Diversity gain and range extension factor

表1中2个节点协作传输时，获得的分集增益为10 dB，此时若2个节点采用相同的发射功率，节点可达的发射距离将扩展为一个节点时的2.71倍，同理可见协作节点个数为3，4，5，10 的情况。

3 协作传输在无线传感器网络中的能耗研究

表1描述了节点以相同的发射功率协作传输时在通信距离上的扩展。也就是说，采用协作传输技术当节点消耗相同的能量时，节点可以与更远距离处的节点进行通信。现在研究当节点的通信距离不变时，协作传输技术对节点发射功率的影响，进而得到协作传输技术对节点能耗的影响。

3.1 协作传输对节点发射功率的影响

为了方便分析，假设距离Sink节点d处的簇头节点为了将数据可靠传输，发射功率为Pt，通过信道传输，Sink节点接收到的功率为Pr。根据无线信道数据传输的特性，有

其中，k为一个常系数，α为信道衰落参数，α的取值一般为2～4。

根据表1，知道了采用STBC进行编码协同，调制方式为BPSK，当误码率为10－3时，不同的协作节点个数带来的分集增益的大小。另一方面，可以知道这个分集增益是节点协同时所带来的单条链路接收端信噪比的下降，即

其中，γ表示协作之前接收端的信噪比，γC表示有协作节点时的接收端信噪比，G（Nc）表示有节点协作时的增益。

联合式（3），式（4）得到

3.2 协作传输对节点能耗的影响

基于LEACH路由协议的无线传感器网络中的能量消耗包括本地能量消耗（簇内能量消耗）和远距离能量消耗（簇头节点与Sink节点的无线通信能量消耗）。当簇内节点协作传输时，协同编码和协作节点之间信息的交换都是在簇内完成，因此，可以将其归为本地能耗。由于簇内节点之间均为短距离通信，本地能耗相对远距离能耗小很多，而且，它不会导致整个网络的能量消耗不均衡，因此，只讨论簇头节点与Sink节点通信产生的远距离能量消耗。

根据本文采用的能耗模型，若节点发射sbit的数据，消耗的能量由两部分组成，电路损耗和功率放大损耗。现假定节点的数据发射速率为Rs，若节点的发射时间为1 s，则有

式中Es为节点在单位时间内发送Rsbit的数据所消耗的能量，根据功率与能耗之间的关系，知道单位时间内节点的能量消耗就等于节点的发射功率。联合式（5），式（6）就可得到当Mt个节点协作时单位时间内的簇内总能耗如下

至此，在无线传感器网络经典能耗模型［3］的基础上，通过分析推理，得到了增加协作传输之后的能量消耗的数学模型。

4 仿真分析

为了验证协作传输能够解决LEACH路由存在的能量消耗不均衡现象，利用Matlab软件进行仿真分析。根据仿真需要，参数设置［3］如表 2。

表2 仿真参数Tab 2 Simulation parameters

根据3.1节对节点发射功率的分析，得到不同数目的节点协作传输相同的距离时单个节点发射功率的变化关系，如图3所示。

图3 协作传输时的节点发射功率Fig 3 Node’s transmitting power of cooperative transmission

由图3可知，当通信距离大于阈值d0时，由于此时采用多径信道模型，协作传输技术大大降低了单个发送节点的发射功率，尤其是随着距离的增大，发射功率降低的趋势越明显。并且，随着协作节点数目的增多，单个节点的发射功率越小。

在此基础上，根据3.2节的分析，得到协作传输时簇内节点的能量消耗与协作节点数目的关系。由图3可知，虽然随着协作节点数目的增多，单个节点的发射功率减小，但簇内总能耗将变成所有协作节点能耗的和。因此，由图4可知，虽然4个节点协作时单个节点的发射功率最低，但对于整个簇而言，此时的簇内总能耗大于3个节点协作时的情况，由此可见，协作节点的数目并不是越多越好，而是存在一个最优的情况。虽然3个节点协作时簇内能耗低于2个节点，但是，协作节点数目越多网络的复杂性就越大，编码协同就越复杂，因此，对于基于LEACH的无线传感器网络，采用2个节点进行协作传输就能达到均衡网络能耗，延长网络寿命的目的。

图4 协作传输时单位时间簇内节点的总能耗Fig 4 Total energy consumption of cluster per sencond of cooperative transmission

5 结束语

LEACH路由协议要求所有节点直接和Sink节点进行通信，这样距离Sink节点远的簇相对于距Sink节点近的簇将消耗更多的能量。为了消除这种由距离带来的能量消耗不均衡现象，将协作传输技术应用于网络中，研究了协作传输时网路中节点的能量消耗情况，并得到了协作传输时簇内节点的能量消耗模型。仿真结果表明:协作传输技术能够有效降低远距离簇内节点的能耗，从而达到了均衡网络能耗的目的。

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