引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年無線通信技術(shù)的研究熱點之一,。受體積和成本的限制,，能耗問題成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的難點和關(guān)鍵問題,。針對能耗問題,，許多學(xué)者先后提出了不同的解決方案,。其中,，W.B.Heinzelman,、A.P.Chandrakasan和H.Balakrishman等首先在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議方面提出了適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇結(jié)構(gòu)分層協(xié)議LEACH（Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy）協(xié)議,。他們討論了簇首的選擇算法,、簇的形成算法以及基于中心控制的改進(jìn)協(xié)議LEACH-C，并對LEACH協(xié)議的能耗模型進(jìn)行了初步研究,。在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上,，又有不少學(xué)者設(shè)計了基于分簇結(jié)構(gòu)的多跳路由協(xié)議。其中,，文獻(xiàn)提出了改進(jìn)LEACH協(xié)議一Multihop-LEACH,，它以最近的鄰居簇首作為下一跳路由；文獻(xiàn)采用了MTE路由算法,，并引入沖突避免機制,；文獻(xiàn)則采用中心控制思想，由基站基于路徑損耗進(jìn)行路由選擇,。

　　由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常工作在惡劣的環(huán)境,，信道衰落嚴(yán)重，而MIMO技術(shù)能很好地對抗多徑衰落,，因此,，MIMO技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也備受重視。文獻(xiàn)研究了STBC（Space-TimeBlockCode-Encoded）和MIMO技術(shù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的改善,，其中文獻(xiàn)考慮了合作節(jié)點的同步問題,，文獻(xiàn)研究了最優(yōu)合作節(jié)點數(shù)的問題。

　　分層簇結(jié)構(gòu)、多跳路由和MIMO技術(shù)都在一定程度上改善了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能,，因此形成了“跨層設(shè)計（Cross-layerDesign）”思想,，即將網(wǎng)絡(luò)分層模型中的若干層聯(lián)合起來綜合考慮，使不相鄰的層之間也能傳遞信息,，以得到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能,。文獻(xiàn)將多跳路由和MIMO技術(shù)嵌入LEACH協(xié)議進(jìn)行跨層設(shè)計，大大延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期（Lifetime）,；文獻(xiàn)采用半中心控制思想對文獻(xiàn)的有關(guān)算法進(jìn)行了改進(jìn),。

　　在研究方法上，目前大多數(shù)的研究都是基于Matlab,、C語言等通用仿真工具,，以網(wǎng)絡(luò)生命周期為衡量指標(biāo)，沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)實際工作過程中的相關(guān)問題和能量損耗,。因此,，本文以UCLA（UniversityofCaliforniaatLosAngeles）提出的SersorSim仿真架構(gòu)為基礎(chǔ)，在J-sim仿真平臺實現(xiàn)了一個貼近實際的模擬無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),，并提出了一種基于距離矢量的改進(jìn)路由算法,。在此基礎(chǔ)上，研究了多跳路由技術(shù),、MIMO技術(shù)對改善LEACH協(xié)議性能的問題,。其方法和結(jié)果對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議優(yōu)化及其應(yīng)用具有一定的參考價值。

　　1系統(tǒng)模型與改進(jìn)路由算法

　　1.1系統(tǒng)模型

　　系統(tǒng)采用與文獻(xiàn)基本架構(gòu)相同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計模型,，圖1所示是結(jié)合MIMO技術(shù)的多跳LEACH協(xié)議工作模型,。系統(tǒng)按照LEACH協(xié)議不斷重復(fù)簇的重構(gòu)過程，每次重構(gòu)稱為一個回合,。數(shù)據(jù)傳輸時,，在網(wǎng)絡(luò)層采用了多跳路由技術(shù)，在物理層嵌入了MIMO技術(shù),，源節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)以多跳MIMO方式傳送到基站,。簇內(nèi)采用具有二次衰落特性的高斯白噪聲信道，簇間采用非頻率選擇性慢衰落瑞利信道模型,。

　　假設(shè)各節(jié)點具有全局唯一的標(biāo)識ID且已知基站位置,，各節(jié)點具有相同的初始能量且發(fā)射功率可調(diào)。系統(tǒng)的工作過程分為一個個回合,，每個回合又分為建立階段和穩(wěn)定階段,。

　　1.1.1建立階段

　　各節(jié)點按照leach協(xié)議的分布式算法決定自己在本回合是否成為簇首節(jié)點（ClusterHead，CH）,，各簇首節(jié)點用同樣大小的發(fā)射功率Pout廣播一個通告信息（AdvertisementMessage,，ADV）,。這里采用非堅持CSMAMAC層協(xié)議，ADV包括簇首節(jié)點的ID和地理狀態(tài)信息,。如果簇首節(jié)點接收到ADV,，貝丫將其加入鄰居節(jié)點列表，用于構(gòu)建路由表,，具體的路由算法將在后面詳細(xì)說明,；如果非簇首節(jié)點接收到ADV，則選擇接收信號強度最大的一個作為其簇首并發(fā)送一個加入簇請求信息（JoinRequestMessage,，Join-REQ）,。

　　簇建立后，各簇首節(jié)點選擇J個簇內(nèi)節(jié)點作為合作節(jié)點（CooperativeNodes,，CNs）,，充當(dāng)MIMO的多根天線，為簡化模型,，本文以就近原則選擇合作節(jié)點,。然后，各簇首節(jié)點生成一個TDMA時間調(diào)度表,，并進(jìn)行簇內(nèi)廣播,，廣播信息包括TDMA調(diào)度表、合作節(jié)點ID和天線序號以及下一跳簇首節(jié)點ID,。各節(jié)點接收到TDMA調(diào)度表后,，查看自己是否被選為合作節(jié)點,。如果是,，則繼續(xù)監(jiān)聽，否則進(jìn)入睡眠狀態(tài),。

　　1.1.2穩(wěn)定階段

　　簇建立后進(jìn)入穩(wěn)定階段,，各源節(jié)點采集的數(shù)據(jù)以多跳MIMO的方式接力傳送給基站。由于沖突,、丟包等原因,，在某一回合，某一節(jié)點可能沒有成功加入簇,，或者沒有接收到TDMA調(diào)度表,，導(dǎo)致空簇、找不到合作節(jié)點等問題,，相關(guān)文獻(xiàn)都沒有或者較少考慮這些具體的細(xì)節(jié)問題,。本文對這些問題進(jìn)行了較全面的研究，由此設(shè)計了一個貼近實際的模擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),。其具體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程如下：

　　普通節(jié)點判斷是否被分配到TDMA時間片,。如果是，則在自己的TDMA時間片內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點，其他時間進(jìn)入睡眠狀態(tài),；否則直接進(jìn)入睡眠狀態(tài),。

　　簇首節(jié)點判斷簇內(nèi)是否存在其他節(jié)點。如果是,，則在接收完簇內(nèi)所有節(jié)點的數(shù)據(jù)后,，與自身數(shù)據(jù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后轉(zhuǎn)（3）,；否則直接轉(zhuǎn)（3）,。

　　簇首節(jié)點判斷是否存在合作節(jié)點。如果是,，則將數(shù)據(jù)廣播給合作節(jié)點,，轉(zhuǎn)（4）；否則轉(zhuǎn)（5）,。

　?。?）合作節(jié)點根據(jù)自己的天線序號對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行STBC編碼后發(fā)送給下一跳簇首節(jié)點，轉(zhuǎn)（6）,。

　?。?）簇首節(jié)點直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給下一跳簇首節(jié)點。

　　簇首節(jié)點接收到來自上一跳的數(shù)據(jù)后,，判斷是否為STBC編碼數(shù)據(jù),。如果是，則等待接收完各天線數(shù)據(jù)后進(jìn)行STBC解碼,；否則直接轉(zhuǎn)（7）,。

　　重復(fù)（3）？（6）,，直到數(shù)據(jù)發(fā)送到基站（BS）,。

　　為減少碼間干擾和沖突，系統(tǒng)采用與文獻(xiàn)相同的直接序列擴頻技術(shù)和CSMA發(fā)送方式,。

　　1.2基于距離矢量的改進(jìn)路由算法

　　文獻(xiàn)采用的是傳統(tǒng)的距離失量算法,，最初路由表中只包含鄰居節(jié)點，通過各節(jié)點不斷地廣播和更新,，最終收斂到最優(yōu)的路由表,。這種路由方式需要一定的機制和算法來保證路由表收斂，甚至還可能出現(xiàn)目標(biāo)不可達(dá)的情況,。為此,，本文提出了一種基于距離矢量的改進(jìn)路由算法。算法具體描述如下：

　?。?）在簇首廣播狀態(tài)信息階段,，簇首節(jié)點接收其他簇首的廣播消息,，將其標(biāo)識為鄰居簇首，并計算各鄰居簇首到BS的直接傳輸能量損耗,。

　?。?）如果存在鄰居簇首，則以BS為目標(biāo)節(jié)點,，用MTE算法找出最優(yōu)局部路由,，并初始化路由表；否則將路由表初始化為單跳傳輸?shù)紹S,。

　?。?）如果存在非下一跳簇首，則以最遠(yuǎn)的非下一跳簇首的傳輸能量廣播自己的路由表,。

　?。?）簇首節(jié)點接收到某一簇首節(jié)點的路由表后，計算將該簇首節(jié)點作為下一跳的總傳輸損耗,。如果比當(dāng)前路由路徑耗能更小,，則更新路由表，然后重復(fù)（3）（4）,。

　　由于目標(biāo)節(jié)點已知,，不需要從鄰居節(jié)點開始初始化路由表，可以直接把目標(biāo)節(jié)點加入路由表,，而且只需加入這一項,，這樣，就不會出現(xiàn)目標(biāo)不可達(dá)的問題,，同時,，整個路由表建立過程所需的廣播次數(shù)和廣播數(shù)據(jù)量也會大大減少。算法充分利用了原來實現(xiàn)LEACH協(xié)議所需的簇首廣播消息,，求出最優(yōu)局部路由路徑,，再次減少了需要的廣播次數(shù)。最后,，由于LEACH協(xié)議是一種不斷重構(gòu)的動態(tài)協(xié)議，即使路由不收斂,，也只是在本回合部分簇首找不到最優(yōu)路由路徑,，但不會形成廣播風(fēng)暴。

　　2能量模型

　　節(jié)點的能量消耗來自射頻模塊和CPU模塊,，射頻模塊采用與LEACH［2］類似的簡單模型,，所不同的是，文獻(xiàn)［2］以距離劃分,，而本文以簇劃分,。

　　發(fā)射機的能耗包括射頻電路損耗和功率放大器能耗,，分別用Eg（l）和琮*叫（/0）表示。假設(shè)簇間信道具有三次衰落特性,，簇內(nèi)信道具有二次衰落特性,，則發(fā)射/位數(shù)據(jù)的能耗為：

　　Etx（l,d）=（I）+&5（I,d）=‘輜吳+f，4,簇內(nèi)

　　IEeiec十mpd,簇間

　?。?）

　　接收機只有電路損耗部分,，即：

　　Erx（l,d）=ERx-elec（l）=lEelec（2）

　　其中，服為射頻電路損耗系數(shù),，誑和細(xì)取決于射頻放大電路,。

　　CPU模塊分活躍、空閑,、睡眠三種狀態(tài),，能耗表達(dá)式如下：

　　R曇xt,活躍狀態(tài)

　　EcPU（th=-RiteXt,空閑狀態(tài)（3）

　　?RtarXt,睡眠狀態(tài)

　　其中，PyPldle和Psleep分別為CPU在三種狀態(tài)下的功率,。由于加入了CPU能耗模塊,，由系統(tǒng)采用的協(xié)議、算法的復(fù)雜度帶來的能耗代價也考慮在內(nèi),，仿真結(jié)果會更全面,，更符合實際，這也是目前大部分文獻(xiàn)沒有考慮的問題,。

　　3仿真分析

　　為了分析前面所建立的有關(guān)算法和模型的有效性,，同時進(jìn)一步分析多跳路由技術(shù)和MIMO技術(shù)對LEACH協(xié)議帶來的性能改善問題，并便于比較,，本文對下述三個模型進(jìn)行了仿真,，具體特點如圖2所示。其中,，模型一為文獻(xiàn)［1-2］的單跳LEACH模型,，模型二為加入本文提出的改進(jìn)路由算法之后的多跳LEACH模型，模型三為加入改進(jìn)路由算法并結(jié)合MIMO的多跳LEACH模型,。需要說明的是,，圖2中的橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示節(jié)點的剩余能量,。各模型采用相同

　　的仿真場景,，系統(tǒng)具有23個節(jié)點，隨機分布在100mX30m的二維平面區(qū)域,，基站位于坐標(biāo)原點,，簇的一個回合為25s，其中,，建立階段5s,，穩(wěn)定階段20s,。能量模塊相關(guān)參數(shù)取值如下：elec=50nJ/bit，sfs=24.08nJ/（m2-bit）,，smp=24.08nJ/（m3-bit）,，PActive=2.9mJ/s，Pidie=200uJ/s,，Psieep=2.2nJ/s,。

　　（a）模型一的節(jié)點能耗特點

　?。╞）模型二的節(jié)點能耗特點

　?。╟）模型三的節(jié)點能耗特點

　　圖2節(jié)點能耗特點仿真圖

　　3.1網(wǎng)絡(luò)生命周期和節(jié)點能耗特點

　　圖2比較了三種模型下網(wǎng)絡(luò)生命周期和節(jié)點能耗特點。仿真中采用與文獻(xiàn)［8-9］相同的假設(shè)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點數(shù)少于60%時,，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)死亡,。由圖2可知，三個模型的網(wǎng)絡(luò)生命周期分別為1139s,、1817s和1845s,。改進(jìn)的路由算法使LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期延長至1.6倍，而模型三的網(wǎng)絡(luò)生命周期比模型二略有提高,，但改善幅度不大,。

　　比較圖2中各曲線的特點還可以發(fā)現(xiàn)，模型一具有非常明顯的周期性陡峭邊緣,，代表簇首節(jié)點能量的急劇下降,，這是直接到基站的長距離射頻傳輸損耗造成的；模型二相對比較平緩,，這說明通過多跳傳送,，節(jié)點的射頻能量損耗大大減小,；模型三的陡峭邊緣已經(jīng)難以區(qū)分,，這說明通過MIMO技術(shù)進(jìn)行協(xié)作通信，進(jìn)一步降低了節(jié)點的發(fā)射功率,，射頻能耗已經(jīng)可以跟電路損耗相比擬了,。這也是模型三與模型二網(wǎng)絡(luò)生命周期比較相近的原因,，因為MIMO技術(shù)雖然降低了射頻損耗,，但電路損耗和CPU損耗會有所增加。

　　3.2BER,，性能

　　圖3比較了模型二與模型三的BER性能,，其中橫坐標(biāo)為節(jié)點編號，0號節(jié)點為基站,，可見模型三通過MIMO技術(shù)降低了節(jié)點射頻發(fā)射機所需的發(fā)射功率,。另外,，由圖3可以看出，即使降低了發(fā)射功率,，模型三的BER性能仍優(yōu)于模型二,。另外，兩種模型的BER都比較大,，約為7X10'3,這是因為仿真中兩者的射頻發(fā)射功率（也即信號功率）都較低,，或者說信噪比較低，上面已經(jīng)提到,，MIMO技術(shù)只能降低射頻能量損耗,，但會帶來額外的電路損耗和CPU損耗。事實上,，在考慮了電路損耗和CPU損耗等因素后,，MIMO技術(shù)仍具有降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗，可延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的潛能,，但在低信噪比條件下能耗改善幅度不大,。

　　3.3死亡節(jié)點分布

　　圖4比較了三種模型的死亡節(jié)點分布情況，圖中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別代表節(jié)點分布區(qū)域的二維平面坐標(biāo),，基站位于坐標(biāo)原點,，數(shù)字表示節(jié)點死亡的順序。

　　從圖4中可以看到,，模型一的死亡節(jié)點集中在離基站最遠(yuǎn)的地方,；模型二通過多跳路由技術(shù)遠(yuǎn)距離節(jié)點的能耗由各中繼節(jié)點分擔(dān)，靠近基站的節(jié)點也較早死亡,，因為這些節(jié)點要中繼更多的數(shù)據(jù)包,；而模型三通過MIMO技術(shù)簇首節(jié)點的能耗由合作節(jié)點分擔(dān)，使得死亡節(jié)點的分布更加均勻,。

　　4結(jié)語

　　本文采用更符合實際情況的多跳簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型,，提出了一種基于距離矢量的改進(jìn)路由算法，在此基礎(chǔ)上研究了多跳路由技術(shù)和MIMO技術(shù)對LEACH協(xié)議性能的改善作用,，仿真結(jié)果證明了改進(jìn)路由算法的有效性,。另外，研究結(jié)果表明在考慮了電路損耗和CPU損耗等因素后,，MIMO技術(shù)仍具有降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗,，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的潛能，但在低信噪比條件下BER性能改善幅度不大,。本文中搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型及改進(jìn)路由算法均考慮到了許多相關(guān)文獻(xiàn)沒有考慮到的具體問題,，因此具有更高的應(yīng)用參考價值。