分簇式无线传感器网络中的协作通信方式.pdf

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分簇式无线传感器
网络中的协作通信方式

李成铖山东电子职业技术学院助教
李智中国联合网络通信集团有限公司助理工程师
周明霞国家信息中心助理工程师

无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实
摘要：文章研究分簇式无线传感器网络中簇头之
时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并
间的协同传输问题，簇头负责收集簇内各个节点
的数据，经由其他各簇头的共同协作将数据发送将这些信息发送到汇聚中心，以实现复杂的指定范围内目
至汇聚中心，簇内普通节点不参与协作过程。针标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔
对了两种协作通信方案。从网络吞吐量和系统中
的应用前景ｌ１．２］。但是单个传感器节点能量以及通信能力有
断概率的角度进行了理论分析与比较。最后，通
过数学仿真分析验证了选择中继方案优于全中限，而苛刻的无线环境中，信道的衰落、信道间的干扰以及
继方案。无线电波的不规则性都会加速传感器节点的能量消耗。在
关键词：无线传感器；分簇式；中继节点；协作通信
这种情况下，可以采用分簇式网络结构，簇内普通节点采

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｔｒａｎｓｍｉｓ—集信息只需要发送给相应簇的簇头，簇头之间采用协作通
ｓｉｏｎｏｆｃｌｕｓｔｅｒｌｅａｄｅｒｂａｓｅｄｏｎｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇｔｙｐｅｗｉｒｅ—信传输方式将信息发送至控制管理中心，从而节省簇内节
ｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓ—
点的传输能耗，延长网络寿命。
ｍｉｓｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｅａｃｈｃｌｕｓｔｅｒｌｅａｄｅｒｃｏｌｌｅｃｔｓｔｈｅｄａ－
ｔａｆｒｏｍｅａｃｈｎｏｄｅ，ａｎｄｓｅｎｄｄａｔａｔｏＣｌｕｓｔｅｒｃｅｎｔｅｒ本文主要讨论了在分簇式无线传感器网络中，簇首节
ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｏｔｈｅｒｃｌｕｓｔｅｒｌｅａｄｅｒ．０ｒｄｉ—点间的协同传输方案，从分析系统信道容量和中断概率的
ｎａｒｙｎｏｄｅｓｄｏｎｏｔｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｉｎｔｈｅｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ
角度对其性能进行了分析。
ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｗｏｃｏｉｌａｂｏｒａｔｉｖｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｏｌｕｔｉｏｎｓ

ａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｅｒｍｓｏｆｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ
ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔａｎｄｓｙｓｔｅｍｏｕｔａｇｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ．Ａｔｌａｓｔ，１系统模型
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｖｅｒｅｌａｙｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓ
ｂｅｔｔｅｒｔｈａｎａｌｌｒｅｌａｙｓｏｌｕｔｉｏｎ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＷＳＮｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ，ｒｅｌａｙｎｏｄｅ，ｃｏｏｐｅｒａ－该模型结合分簇式网络结构和ＡＦ协同传输协议，基
ｔｉｖｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
于多个簇节点和数据管理中心节点系统，如图１所示，每
个簇头安置单天线，各个簇头之间可以直接传输信息，假
设其中预发信息的簇头为源节点，汇聚中心为目的节点，
其他簇头作为中继节点协同源节点传输信息。
图１为一个包含３个簇头的无线传感器网络，假设每

２９１ｏ辱一题塞重》
Ｒ。ＥｏｏＢｐ，ｅ．＝Ｃ＝：……一

个传感器节点只有一根天线，各个簇头之间的平均１１和表示方差为Ⅳ、和的信道加性高斯白
距离远大于簇内节点间的距离，待发送数据的簇头噪声，满足ｎｓ，ｄ～ｃ』ｖ０，，『），ｎｓ，ｉ～ＣＮ（０，）。
节点为源节点ｓ，汇聚节点为目的节点ｄ，其他ｍ个在此系统中，中继节点采用放大转发模式，每个
簇头作为中继节点ｍ，同时假设源节点和目的节点中继节点归一化接收功率变量，所以，第ｉ个中继接
之间存在直接链路。＾一ｈ和ｈ分别表示源节点收信号表示为：

和目的节点、源节点和中继节点、中继节点和目的节Ｙ√向十，？

一一
点之间的信道衰落系数，＾，建模为独立、循环对称一丽一
的复高斯随机变量，均值为０，方差为那么对于
第二个阶段，中继节点放大转发来至源节点的
瑞利衰落相应的Ｉｈｌ，Ｉｈｌ和ＩｈＩ满足参数分布
信号。目的节点收到经过第个中继节点转发来的
为入。，入入的指数分布。
信号为：
４Ｐ，ｈ，ｄ＋，ｄ
Ｙｄ＝

，
（３）
＋而

，，

其中，只为第个中继节点发射功率，
ＣＮ（０，）为该中继节点和目的节点问的加性
ｎｉｄ￣

，
高斯自噪声，１１为目的端接收到信号的等效噪声，

、，
，
、，

一一
图１包含３簇头的无线传感器网络结构
，２：

簇首节点间的协同传输有全中继（ＡＰ—Ｒｅｌａｙ：可以看出ｎｉ，ｄ￣ＣＮ（０，），其中：
Ａｌｌｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｒｅｌａｙ）和选择中继（Ｓ～Ｒｅｌａｙ：ａｓｅｌｅｃｔｉｏｎ
ｒｅｌａｙ）￣种