重慶工商職業(yè)學(xué)院 秦曉琴
?
基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略
重慶工商職業(yè)學(xué)院 秦曉琴
【摘要】分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用于大型結(jié)構(gòu)設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測,其傳輸速率低、實(shí)時(shí)性差,難以滿足災(zāi)異情況下結(jié)構(gòu)設(shè)施監(jiān)測中大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸要求。本文提出基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸策略,將虛擬MIMO技術(shù)運(yùn)用于分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,并結(jié)合傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息和信道SNR值對簇內(nèi)區(qū)域進(jìn)行劃分,以提高系統(tǒng)吞吐量,獲取盡可能全面的數(shù)據(jù)信息對結(jié)構(gòu)設(shè)施的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。通過仿真分析得出,在相同的時(shí)間內(nèi),基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略相比傳統(tǒng)分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略可以獲得更高的數(shù)據(jù)吞吐量且數(shù)據(jù)信息分布更均勻。
【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò);虛擬MIMO技術(shù);分簇
近年來,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)[1]因其較高的魯棒性、準(zhǔn)確性、靈活性等特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于大型結(jié)構(gòu)設(shè)施(如海洋平臺)的狀態(tài)監(jiān)測。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)施遭遇自然災(zāi)害等突發(fā)事件時(shí)其狀態(tài)會發(fā)生劇烈變化,產(chǎn)生大量的傳感數(shù)據(jù),在這種情況下需要將大量數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)可靠的傳輸給監(jiān)控中心以進(jìn)行正確的安全性評估。傳統(tǒng)分簇WSN傳輸速率低、實(shí)時(shí)性差,無法滿足災(zāi)異情況下大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸要求,將虛擬MIMO技術(shù)運(yùn)用于分簇WSN中并結(jié)合節(jié)點(diǎn)位置信息與信道SNR值,提出基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略,以提高系統(tǒng)吞吐量,實(shí)時(shí)傳輸盡可能全面的數(shù)據(jù)信息。
如圖1所示,在監(jiān)測的結(jié)構(gòu)設(shè)施上采用傳統(tǒng)分簇結(jié)構(gòu),每個(gè)簇包含一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)普通節(jié)點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)測的結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理后傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)。簇首節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給其他簇首節(jié)點(diǎn),經(jīng)過多個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā),最后將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)存儲數(shù)據(jù)并將部分?jǐn)?shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程傳送給控制中心,由控制中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并正確判斷出結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。
在傳統(tǒng)分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,簇內(nèi)通信通常采用傳統(tǒng)時(shí)分復(fù)用技術(shù),稀缺的時(shí)/頻資源無法得到有效利用,而采用碼分復(fù)用技術(shù),傳感器節(jié)點(diǎn)很多的情況下,需要專門對碼字分配進(jìn)行管理,簇首節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度增加,難以快速應(yīng)對大量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的通信技術(shù)無法滿足大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸要求,將虛擬MIMO技術(shù)運(yùn)用于分簇WSN中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,可以提高系統(tǒng)吞吐量,彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足。
圖1 傳統(tǒng)分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型
虛擬MIMO技術(shù)[2]是通過將多個(gè)單天線節(jié)點(diǎn)聯(lián)合組成一個(gè)虛擬的多天線陣列,構(gòu)成的虛擬天線陣列使用相同的時(shí)/頻資源進(jìn)行通信,增加時(shí)/頻資源利用率,提高系統(tǒng)吞吐量,從而實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。簇內(nèi)采用最簡單的2×2MIMO系統(tǒng),由兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)和一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,如圖2所示。節(jié)點(diǎn)A和B構(gòu)成一個(gè)虛擬的天線陣列,可以同時(shí)向簇首節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)C可以通過MIMO的接收系統(tǒng)分別正確的接收到節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)。
圖2 2×2虛擬MIMO結(jié)構(gòu)
圖2對應(yīng)的信道矩陣表示為:
式1中H1n、H2n分別表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)與簇首之間的信道矩陣。簇首接收到的信號向量r表示為:
式2中x表示的是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號向量,n表示的是噪聲向量。從式2 得出,節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B占用相同時(shí)頻資源發(fā)送數(shù)據(jù)信號,節(jié)點(diǎn)C接收到的信號向量近似等于A,B單獨(dú)發(fā)送時(shí)接收到的信號之和。即2×2的虛擬MIMO系統(tǒng)吞吐量是兩個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)的信道容量的疊加,理論上可以將系統(tǒng)的容量提升兩倍。
由此可見,虛擬MIMO系統(tǒng)吞吐量會受到節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B與簇首節(jié)點(diǎn)之間的信道矩陣的影響。而在虛擬MIMO系統(tǒng)中通常采用RPS[3],OPS[4],DPS[5]等方式選擇節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B作為通信節(jié)點(diǎn)對,但當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)距離很近時(shí),采用這些方式會出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余度過大的情況,影響數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的有效性。因此,為了避免數(shù)據(jù)采集過于集中,在最短的時(shí)間內(nèi)獲取分布盡可能均勻的數(shù)據(jù)信息,必須優(yōu)化與簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)對的選擇。
在分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)配置一根天線,其各項(xiàng)性能完全相同且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也相同,簇首節(jié)點(diǎn)有兩根天線用于簇內(nèi)傳輸且具備簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的位置信息,結(jié)合簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)位置信息與信道SNR值,在這里提出基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸策略,簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合示意圖如圖3所示。
圖3 簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合示意圖
當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)部署完成后,簇首節(jié)點(diǎn)就為其所管理的簇劃分區(qū)域。如果結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化,簇首節(jié)點(diǎn)立即測量簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)信道的SNR值,然后選擇與簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)對。節(jié)點(diǎn)對選取完成后,由簇首節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)對分配數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間片,節(jié)點(diǎn)對便開始將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn),時(shí)間片以循環(huán)的方式分配一直到結(jié)構(gòu)設(shè)施狀態(tài)穩(wěn)定為止。
在基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,每個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張表T,T表中包含多張區(qū)域子表TA,各區(qū)域子表存儲該區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息,包括節(jié)點(diǎn)編號Nodei(i=1,2,3…n),位置信息(Xi, Yi),信噪比SNRi,數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)識DATAi(標(biāo)識為1表示有數(shù)據(jù)發(fā)送,為0表示沒有數(shù)據(jù)發(fā)送),計(jì)數(shù)器P[Nodei](初始值為0,當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)被選擇成為傳輸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí),其P[Nodei]=1,每被選中一次P[Nodei]就增加一)。具體步驟如下:
(1)區(qū)域劃分。以簇首節(jié)點(diǎn)O(0,0)為中心建立坐標(biāo)系,將整個(gè)簇劃分為大小完全相等的N個(gè)扇形區(qū)域,每個(gè)扇形區(qū)域?qū)?yīng)的圓心角α=3600/N。簇首節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)(0, α)范圍的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)Ki(i=1,2,..,N),并結(jié)合簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)n(n>>N)判斷Mi的取值范圍按照以下方式對 (0, α)范圍進(jìn)行調(diào)整:
①當(dāng)Ki∈(1,n/2N)時(shí),則該區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量過少,需按照式(3)(i值表示循環(huán)次數(shù),每循環(huán)一次i值遞增加一)調(diào)整該區(qū)域范圍,再統(tǒng)計(jì)(0,γ)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)Ki,并判斷Ki的范圍。
② 當(dāng)Ki∈(3n/2N,n)時(shí),則說明該子區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量過多,需按照式(4)對區(qū)域進(jìn)行調(diào)整,再統(tǒng)計(jì)(0,β)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)Ki,并判斷Ki的范圍。
③當(dāng)Ki∈(n/2N,3n/2N)時(shí),節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較合理,則不需要調(diào)整子區(qū)域范圍;
④當(dāng)Ki= 0時(shí),則在該子區(qū)域不進(jìn)行任何操作。
劃分好第一個(gè)區(qū)域后,再進(jìn)行第二個(gè)區(qū)域的劃分,即(γ,γ+α)或者(β, β+α)。按照步驟①-④再對第二子區(qū)域范圍進(jìn)行調(diào)整,依次逆時(shí)針進(jìn)行劃分,直到將整個(gè)簇內(nèi)區(qū)域劃分結(jié)束。簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)所屬區(qū)域?qū)⑵湮恢眯畔⒋鎯Φ絋表中對應(yīng)的區(qū)域子表內(nèi)。
(2) 測量SNR值。當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn)時(shí),簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送一個(gè)包含DATA標(biāo)識的短幀SR給簇首節(jié)點(diǎn)。簇首節(jié)點(diǎn)獲取SR中的DATA標(biāo)識并計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的SNR值,再將各節(jié)點(diǎn)信息存儲到T表中相應(yīng)的區(qū)域子表內(nèi)。
(3) 節(jié)點(diǎn)對的選擇。簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)各區(qū)域子表的信息,按照以下步驟在每個(gè)子表中選取一個(gè)候選節(jié)點(diǎn):
①判斷區(qū)域子表中是否有DATAi為1的節(jié)點(diǎn),若沒有,則不再考慮該區(qū)域節(jié)點(diǎn)的選?。蝗粲?,則進(jìn)行步驟②;
②若只存在一個(gè)DATAi為1的節(jié)點(diǎn),則選取該節(jié)點(diǎn)作為區(qū)域子表的候選節(jié)點(diǎn),若存在多個(gè)DATAi為1的節(jié)點(diǎn),則進(jìn)行步驟③;
③判斷DATAi為1的節(jié)點(diǎn)的SNR值是否屬于[SNR0,SNRn](該SNR值的范圍根據(jù)具體環(huán)境進(jìn)行設(shè)置)。如果節(jié)點(diǎn)的SNR值屬于這個(gè)范圍,則選取P[Nodei]值最小的一個(gè)作為候選節(jié)點(diǎn)(當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的P[Nodei]值相等且都是最小值時(shí),選取SNR值最大的節(jié)點(diǎn)),否則在這些節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入調(diào)度隊(duì)列,簇首節(jié)點(diǎn)為該節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙資源;
簇首節(jié)點(diǎn)按照上述步驟從每一個(gè)區(qū)域子表中選取一個(gè)候選節(jié)點(diǎn),然后按照PF調(diào)度算法[6,7],計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級。簇首節(jié)點(diǎn)按照優(yōu)先級的高低選取第一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)器P[Nodei]值自動加一。待選取第一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)之后,簇首節(jié)點(diǎn)按照DPS算法,計(jì)算第一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)與其他各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配對過后的行列式因子,選取行列式因子最大的作為第二個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn),完成節(jié)點(diǎn)對的選取。
(4) 數(shù)據(jù)傳輸。將選取的節(jié)點(diǎn)對放入調(diào)度隊(duì)列中,節(jié)點(diǎn)對的天線分別與簇首節(jié)點(diǎn)的2根天線聯(lián)合構(gòu)成虛擬MIMO結(jié)構(gòu),并使用相同的時(shí)/頻資源進(jìn)行通信。
在單跳網(wǎng)絡(luò)場景,傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在網(wǎng)絡(luò)中,具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示:
表1 仿真參數(shù)設(shè)置
(1)基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸策略與傳統(tǒng)分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略的系統(tǒng)吞吐量進(jìn)行比較,我們采用網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量(見圖4)來衡量基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸策略的性能。
(2)比較各區(qū)域提供的數(shù)據(jù)量占總簇內(nèi)區(qū)域的數(shù)據(jù)量的百分比,同一環(huán)境下進(jìn)行多次仿真得出的平均統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示。從圖中可以知道采用基于虛擬MIMO技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸策略獲取數(shù)據(jù)信息時(shí),各個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)信息分布更均勻,而采用傳統(tǒng)方式則會出現(xiàn)某些子區(qū)域沒有數(shù)據(jù)信息分布的情況。
圖4 網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量仿真圖
圖5 子區(qū)域數(shù)據(jù)量/總區(qū)域數(shù)據(jù)量分布圖
基于虛擬MIMO技術(shù)的分簇WSN數(shù)據(jù)傳輸策略既在一定程度上提高了系統(tǒng)吞吐量,又有效的保證了簇首節(jié)點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)信息來源不過于集中,能夠滿足災(zāi)異情況下大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸要求。但是該算法仍存在不足,如簇內(nèi)區(qū)域劃分越多,分簇算法的復(fù)雜度會增加,同時(shí)帶來時(shí)間和功耗的增加,從而影響數(shù)據(jù)的傳輸,在今后的研究中有待于進(jìn)一步改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)
[1]孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:1-10.
[2]Jong-Moon Chung, Joonhyung Kim, Donghyuk Han. Multihop Hybrid Virtual MIMO Scheme for Wireless Sensor Networks[J]. Vehicular Technology.2012.61(9).4069-4078.
[3]Nortel.R1-051423.3GPP TSG-RAN1 Meeting #43.UL Virtual MIMO Scheduling. Seoul,Korea.2005.
[4]Nortel.R1-051422. 3GPP TSG-RAN1 WG1 #43. UL Virtual MIMO System Level Performance Evaluation for E-UTRA.Seoul,Korea.7th-11th November. 2005.
[5]Nortel. R1-051162. 3GPP TSG-RAN1 Meeting #42bit.UL Virtual.
[6]A Jalali,R Padovani and R Pankaj. Data throughput of CDMAHDR a high efficiency high data rate personal communication wireless system[C]. In Proc IEEE VTC2000-Spring, Boston, Ma,USA. 2000.1854-1858.
[7]T.Park,O.Shin,and K.B.Lee.Proportional fair scheduling for wireless communication with multiple transmit and receive antennas [C].In Proc.IEEE Vehicular Technology Conference (VTC2003-Fall). Orlando,F(xiàn)L.USA.2003.1573-1577.
作者簡介:
秦曉琴(1989—),女,碩士,助教,主要研究方向:無線傳感器網(wǎng)絡(luò),數(shù)字圖像處理等。