基于反馈协作的无线传感器网络数据传输研究

刘 芳，汤永利

(1. 郑州工业应用技术学院信息工程学院，河南 新郑 451100；2. 河南理工大学计算机科学与技术学院 河南 焦作454000)

1 引言

数字化电子设备大规模替换传统机械设备，使得越来越多的应用终端可以接入数据交换网络，形成物联网[1]。作为这种网络的基础设施，无线传感器网络需要完成数据采集、交换和融合[2]，在规模日益增长以及环境日益复杂的情况下面临着巨大的挑战。如何在节点规模增加的过程中，高效利用有限能量，提高传输性能，依然是研究重点[3]。

文献[4]针对网络分簇设计了多约束簇头选择策略，虽然涉及了关于能量和度的多种变量，可因其缺乏对位置关系的分析，使得在实际使用时存在一定的局限性。文献[5]针对能量均衡，根据可用能量对节点采取分簇，该方法实现简单，且可以在一定程度上延长使用寿命，但是方案实现过于粗糙，细节考虑不够全面。文献[6]设计了一种LEACH-C传输协议，着重对簇头选择和分簇策略进行优化，所有信息由Sink进行汇集和指派，虽然对节点可用能量采取了讨论，有利于分簇和节能，但是给Sink带来了更多的压力，从而引起延迟增加等一系列问题。文献[7]针对LEACH成簇不均匀的缺点，引入CSMA机制来优化传输速率，并通过感知来均衡能量。文献[8]设计了OCRP协议，全面分析了能量、距离对成簇的影响，经过实验验证了该方案优于EH-LEACH与DEEC。

在传感器网络数据传输的研究中，涌现了一些较为出色的协议和方案，针对能量、延迟和传递量等方面做出了一定的优化。本文基于它们的优缺点，提出了基于反馈协作的数据传输方案。首先设计具有反馈与协作功能的网络传输模型，给出了信道最优与簇头选择策略。然后对反馈协作过程中的能量模型进行具体分析，根据最小能耗加权策略确定最优中继与路径。最后通过多方面的仿真，验证了反馈协作方案在数据传输过程中的有效性与先进性。

2 反馈协作网络传输模型

基于反馈协作的无线传感器网络，要求所有的中继节点拥有感知反馈的能力。因为能量决定了无线传感器网络的生命周期与传输可靠性，所以将能量作为感知对象，从而可以实现对整个网络中节点能量的监控。当网络需要传输数据时，将直接与协作两种传输方式的路由情况视为非耦合，并通过反馈确定传输结果。当某节点把数据传输给目标节点的过程中，区域内的其它节点也会对数据进行接收处理。若目标节点反馈的数据帧为ACK，代表本次传输成功，数据被正确解析；若目标节点反馈的数据帧为FAIL，代表本次传输失败。在发现反馈结果是ACK时，中继节点会清除接收到的相应数据；反馈结果是FAIL时，中继节点便会启动协作传输，利用信道最优策略得到最优中继，将数据重新发送给目标节点。信道最优策略的公式表示为

Ropt=max(qk，ci/dk，ci)

(1)

qk，ci为节点k与目标节点ci间信道质量；dk，ci为k与ci间距离。

对于分簇传感器网络，在每个分簇中，信道质量是决定数据发送成功与否的主要影响因子。因此，在确定最优中继过程中没有将能量考虑其中。而在确定分簇簇头的过程中，根据能量来计算节点当选的概率大小。不同簇之间，或者簇头与汇聚中心之间的数据传输距离相对较远，节点可用能量越大，意味着其所在的传输路径质量越好[9]。基于该思想，将簇头选择公式表示为

(2)

3 能量协作

即使采取协作模式，仍然不可避免全部节点可用能量不够的情况发生，于是提出将节点采取能量协作模式。通过广播EC数据帧来进入合作状态。如节点ni发现能量不够，则向外广播EC帧。当nj收到EC时，就会利用EC包含的信息推导出与ni间的信道情况，包括质量、距离和RF能量。根据RF能量，可以得到节点ni需要的协助能量

E′ni(t)≥Eni(t)+EEC＿ni(t)-Eni(t-1)

(3)

其中，不等式的右侧三项代表RF能量。Eni(t)代表ni在周期t完成传输任务的能量；EEC＿ni(t)代表发送EC信息的能量；Eni(t-1)代表前一周期可用能量。由EC帧推导出的信息，可以计算出传输任务能量Eni(t)，计算公式表示为

(4)

其中，dni，nj、qni，nj分别是经过推导得出的距离和信道质量；η代表转换效率；λ代表衰减因子；pnj代表nj协助发送功率；T代表持续时间。

如果nj协助功率pnj是恒定值，则根据前述计算可以得出协助节点ni和nj的最大距离如下

(5)

图1 节点能量协作模型

一个中继节点在处理一帧长度为D的数据时，其能耗可以从接收与发送两种状态进行分析。接收时的能耗由数据的长度决定，表示为Er(D)，计算方法如下

Er(D)=DEr＿unit

(6)

Er＿unit为单位bit接收能量。

发送时的能耗则由功放和电路构成，受数据长度和发送距离决定，表示为Es(D，d)，计算方法如下

(7)

纵观整个传感器网络反馈协作过程，协议主要涉及节点分簇，以及簇内与簇间协作。为了便于协议能量模型构建，将协议分为两个阶段分析。两个阶段的能耗分别描述如下

Estage1=Ecn＿ch+Eccn＿ch+Ech

(8)

Estage2=Ech+Ecdn+Esin k

(9)

其中，Estage1为簇内协作阶段的能耗；Ecn＿ch为数据从节点传递至簇头所需能耗；Eccn＿ch为内部协作节点所需能耗；Ech为簇头所需能耗。Estage2为簇间协作阶段的能耗；Ecdn为外部协作节点所需能耗；Esin k为sink所需能耗。

4 最小能耗策略

由于数据传输方案中涉及分簇与协作，对于能量有限的传感器网络而言，如果一个节点频繁被选为中继，则网络能量很容易出现失衡，不仅能够引发传输中断，干扰传输协议的正常执行，还将缩短生命周期。所以在粗略考虑能量和距离关系时，还需要进一步精确分析中继的选择。考虑到能量对节点和整个网络的生命周期影响，以及对数据传输可靠性的影响，本文综合节点的可用能量与传输能量，设计了一种加权MEC算法。

可用能量越多越适合作为中继，于是针对能量和距离满足条件的节点候选集，采取如下操作

(10)

E(C)为节点候选集；Ei为节点i的可用能量；REmax为节点候选集中最大可用能量。

通过筛选出最大可用能量，能够更好的平衡节点的能量差异，有利于能量均衡。此外，传输过程中，能耗越小的节点越适合作为中继。于是对候选集采取最小传输能耗筛选

(11)

TEmin为最小传输能耗。

通过筛选出最小传输能耗，能够降低数据传输时的多余损耗。结合REmax与TEmin，将最小能耗表示如下

(12)

λ1与λ2为加权系数；SEmin为最小能耗。

在采用反馈协作时，能够提高数据传输的可靠性，如果出现中断情况，只能是系统找不到协作节点导致。将无协作节点导致的传输异常标记为事件a，这种情况指的是在有效范围内寻找不到满足能量协作的节点。基于事件a，将节点ni出现中断的概率描述如下

(13)

其中，M表示数据发送和接收端的互信息；f表示频谱效率；I(ni)代表ni中断概率。

根据单个节点的中断概率，推导得出整个网络的中断概率为

(14)

5 仿真与结果分析

基于MATLABR2014对传感器网络数据传输性能进行测试。配置网络部署范围是100m×100m，设置全部节点硬件条件一致，非簇头节点仅用于数据传输，而存储及整合任务交由簇头完成，其它配置参数如表1所示。

表1 参数配置

为了确定最小能耗计算时的加权系数，通过调整λ1与λ2，统计得到对应的网络生命周期，结果如表2所示。从生命周期轮数可知，当λ1取值0.35，λ2取值0.65时效果最佳。于是，在后续的实验过程中，均采用λ1=0.35、λ2=0.65。

表2 λ1、λ2对生命周期的影响关系

仿真测试分别从中断、延迟、网络寿命，以及吞吐量四方面，对数据传输策略的均衡性与可靠性进行分析，并将各项指标与文献[7]和文献[8]进行比较。

在不同信噪比条件下，统计得到不同数据传输策略对应的中断概率，结果如图2所示。由于基于反馈协作数据传输可以利用中继来丰富路径和能量，有利于改善数据传输的成功率，所以中断概率明显低于其它方法。该结果说明基于反馈协作数据传输具有更好的可靠性。

图2 中断概率比较

在轮数增加的过程中，统计得到不同策略数据传输的延迟情况，结果如图3所示。为防止出现死亡节点或其它因素的干扰，在系统稳定之后，截取前400～1000轮来统计平均延迟。根据实验结果，基于反馈协作的延迟均值是25.19时隙，较文献[8]少了35.34时隙，较文献[7]多了8.18时隙，说明该策略在数据传输时具有较低的延迟。

图3 延迟比较

统计得到时间推移过程中死亡节点的情况，结果如图4所示。根据曲线，文献[7]和文献[8]的数据传输策略在模拟执行到第1310轮和1525轮时，产生第一个死亡节点。随后死亡节点数量开始加速增长，分别到2403轮和2781轮时全部节点死亡。而基于反馈协作策略在第1793轮时才产生第一个死亡节点，且死亡节点的增速较其它方法缓慢，直到3691轮时全部节点死亡。通过节点信息的反馈感知，以及中继的协作，有效增强了节点能量的利用效率，较单纯的最小能耗策略效果更佳。

图4 生命周期比较

仿真得到吞吐量与轮数之间的关系，为了观测网络稳定运行时的吞吐量，实验截取前1200轮数据。图5为数据传输量结果比较，比较发现基于反馈协作策略的吞吐量优于其它方法。这是由于反馈协作策略的数据传输延时低，所以吞吐量自然也更高，实验结果与理论分析相符，吞吐量越高，代表着数据传输的效率越高。

图5 吞吐量比较

6 结束语

针对传感器网络提出了一种基于反馈协作数据传输方案，通过反馈信息的感知获取节点的传输状态及其相关信息，根据情况利用信道最优策略得到最优中继，启动中继协作传输。对协议能量模型采取两阶段构建，并设计了最小能耗策略，控制协作过程中能量的均衡性与利用率。最后通过多方面的仿真分析，得到最小能耗的最优加权系数，验证了基于反馈协作方案具有良好的能量利用率，有利于改善网络均衡，提高使用寿命；同时良好的中断概率与吞吐量充分表明所提方案在传感器网络数据传输时的可靠性。