基于中斷概率的多跳混合協(xié)作地理路由算法

張　嵩　　馬林華　　茹　樂　　張海威　　唐　紅　　胡　 星(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院　西安　710038)(宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　西安　710043)

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基于中斷概率的多跳混合協(xié)作地理路由算法

張嵩*①馬林華①茹樂①張海威②唐紅①胡 星①
①(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院西安710038)
②(宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西安710043)

摘要：為了減小無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由的路徑長(zhǎng)度，該文提出基于中斷概率的多跳混合協(xié)作地理路由(MHCGR)算法。首先對(duì)不同協(xié)作機(jī)制的鏈路進(jìn)行分析，理論分析表明，在一定中斷概率要求下，采用譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)混合協(xié)作機(jī)制可以進(jìn)一步擴(kuò)大傳輸距離，并推導(dǎo)了每跳協(xié)作鏈路的理想最大協(xié)作傳輸距離和理想中繼的位置。在無信標(biāo)地理路由(BLGR)算法的基礎(chǔ)上，MHCGR算法結(jié)合節(jié)點(diǎn)位置信息為每跳選擇最佳的中繼節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，建立從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的多跳協(xié)作路由。仿真表明，與ENBGCR算法和基于DF協(xié)作機(jī)制的MPCR算法兩種協(xié)作地理路由算法相比，MHCGR算法可明顯減少路由的跳數(shù)，改善路由的整體發(fā)射功率。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路徑長(zhǎng)度；協(xié)作路由；協(xié)作傳輸距離；位置信息

1　引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題之一是路由問題。無信標(biāo)(或基于競(jìng)爭(zhēng)意識(shí))地理路由(BeaconLess Geographic Routing，BLGR)[1]，因不再采用周期性發(fā)送信標(biāo)的機(jī)制，它相對(duì)于先應(yīng)式[2]、后應(yīng)式[3]等路由算法，可以在一定程度上降低網(wǎng)絡(luò)的開銷。

由于協(xié)作通信[4，5]通過信道的空間分集技術(shù)抵消了信息在傳播過程中的衰減，而基于協(xié)作的路由算法引起學(xué)者們的廣泛研究。最小功率協(xié)作路由(MPCR)算法[6]在保證一定的傳輸速率的情況下采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)協(xié)作機(jī)制選擇能使總的發(fā)射功率最小的傳輸路徑。文獻(xiàn)[7]在MPCR的基礎(chǔ)上，提出了基于位置的能量高效協(xié)作路由算法。同時(shí)結(jié)合了多跳協(xié)作策略，極大地降低了路由的整體發(fā)射功率。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于平均誤碼率的中繼意識(shí)協(xié)作路由(RACR)算法，充分發(fā)揮了物理層協(xié)作機(jī)制在傳輸半徑擴(kuò)展中帶來的優(yōu)勢(shì)，但其最大協(xié)作傳輸半徑的計(jì)算是假設(shè)在線性網(wǎng)絡(luò)的前提下求得的，并未給出一般網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r下的結(jié)果證明。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于邊界節(jié)點(diǎn)的貪婪協(xié)作地理路由(ENBGCR)算法，對(duì)基于中斷概率下的協(xié)作機(jī)制在傳輸半徑擴(kuò)展中的潛在優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了研究，但該算法選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)為協(xié)作節(jié)點(diǎn)，沒有充分發(fā)揮協(xié)作機(jī)制在傳輸半徑擴(kuò)展中的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[10]證明了單中繼譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)(DAF)混合協(xié)作機(jī)制相比于DF協(xié)作機(jī)制能更有效地提高系統(tǒng)分集增益。

為了充分發(fā)揮協(xié)作機(jī)制在擴(kuò)大傳輸半徑中的優(yōu)勢(shì)，減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由的路徑長(zhǎng)度，本文在BLGR算法[1]的基礎(chǔ)上，提出了基于中斷概率的多跳混合協(xié)作地理路由(MHCGR)算法。首先對(duì)不同協(xié)作機(jī)制的鏈路進(jìn)行了分析。理論分析表明，在滿足一定鏈路中斷概率的要求下，采用DAF混合協(xié)作機(jī)制可以充分發(fā)揮協(xié)作機(jī)制在擴(kuò)展傳輸距離上的優(yōu)勢(shì)。推導(dǎo)出理想中繼的位置和每跳協(xié)作鏈路的理想最大協(xié)作傳輸距離。最后結(jié)合最佳協(xié)作中繼和最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選取，有效地減少了路由的路徑長(zhǎng)度，降低了路由的整體發(fā)射功率。

本文的內(nèi)容安排如下，第2節(jié)介紹了系統(tǒng)模型，對(duì)不同協(xié)作機(jī)制的鏈路進(jìn)行了分析，第3節(jié)提出MHCGR算法，推導(dǎo)出理想中繼的位置和理想最大協(xié)作傳輸距離，給出了最佳中繼節(jié)點(diǎn)和最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇策略，仿真和相關(guān)分析在第4節(jié)給出，第5節(jié)給出了結(jié)論。

2　系統(tǒng)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都工作在半雙工模式下，且所有節(jié)點(diǎn)間的信道均服從相互獨(dú)立的平坦快衰落瑞利分布[11]，且在一定時(shí)間內(nèi)信道響應(yīng)保持不變。考慮由一個(gè)有向圖G=(V，E)表示的多跳網(wǎng)絡(luò)，其中，V表示網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，E表示節(jié)點(diǎn)之間的連線。為了方便表述，引入?yún)f(xié)作路由[12]的概念。如圖1所示，路徑經(jīng)過源節(jié)點(diǎn)S0和中繼節(jié)點(diǎn)a協(xié)作傳輸給轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)b，然后轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)b在下一跳作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用相同策略發(fā)送信息，直至信息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，這樣的路由稱為協(xié)作路由。而點(diǎn)劃線表示為傳統(tǒng)直接傳輸路徑。

2.2 信號(hào)模型

圖1　多跳協(xié)作地理路由網(wǎng)絡(luò)模型

設(shè)S，R和F分別為當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(或下一跳節(jié)點(diǎn))。在三點(diǎn)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)模型中，信息的發(fā)送分為兩個(gè)時(shí)隙進(jìn)行：第1個(gè)時(shí)隙，發(fā)送節(jié)點(diǎn)(S)向中繼節(jié)點(diǎn)(R)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(F)發(fā)送信號(hào)；相應(yīng)地，中繼節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到的基帶等效信號(hào)為

其中，x為發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，PS為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，nS，R，nS，F(xiàn)為零均值方差為N0的復(fù)加性高斯白噪聲，無線信道由增益因子，表示，其中，dS，F(xiàn)，dS，F(xiàn)為兩節(jié)點(diǎn)間的距離，k為路徑損耗指數(shù)，hS，R，hS，F(xiàn)為兩節(jié)點(diǎn)間的信道系數(shù)。在瑞利衰落信道中，信道增益服從概率密度函數(shù)為的分布。第2個(gè)時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)(R)根據(jù)設(shè)定的協(xié)作機(jī)制轉(zhuǎn)發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(F)的信息為

最后，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(F)對(duì)2個(gè)階段接收到的信號(hào)進(jìn)行最大比合并[12]。

2.3 鏈路分析

2.3.1直接傳輸鏈路分析對(duì)于直接傳輸鏈路來說，對(duì)于任意一對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)(S)到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(F)間的互信息IS，F(xiàn)為

2.3.2 DF協(xié)作鏈路分析根據(jù)文獻(xiàn)[7]的分析可得，采用DF協(xié)作機(jī)制的協(xié)作鏈路(S，R，F(xiàn))互信息為

根據(jù)公式exp(-t)≈ 1-t(當(dāng)t很小時(shí))，可將式(8)化簡(jiǎn)為

2.3.3 DAF混合協(xié)作鏈路分析根據(jù)文獻(xiàn)[10]可得，采用DAF混合協(xié)作機(jī)制的協(xié)作鏈路(S，R，F(xiàn))的互信息為

因此，DAF混合協(xié)作鏈路的中斷概率為

根據(jù)文獻(xiàn)[10]的推導(dǎo)，可得DAF混合協(xié)作鏈路的中斷概率為

3　MHCGR算法

3.1 BLGR算法

BLGR算法通過競(jìng)爭(zhēng)的方式根據(jù)MFR(Most Forward within R)準(zhǔn)則來選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)[1]可得，BLGR算法的理想轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)應(yīng)位于發(fā)送節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的連線上。

3.2理想中繼節(jié)點(diǎn)和理想最大協(xié)作傳輸距離計(jì)算

在三點(diǎn)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)模型中，設(shè)平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于發(fā)送節(jié)點(diǎn)(S)，S和F的連線設(shè)為X軸，協(xié)作傳輸距離為d，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)(S)的坐標(biāo)可表示為(0，0)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(d，0)，設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)(R)的坐標(biāo)為(x，y)，所以式(12)中的dS，R，dS，F(xiàn)，dR，F(xiàn)可表示為

將式(13)代入式(12)，可得

為了得到一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，協(xié)作傳輸距離d取得最大時(shí)理想中繼節(jié)點(diǎn)的位置，對(duì)式(14)求y的導(dǎo)數(shù)，可得

將式(16)代入式(12)，可得在滿足額定中斷概率C的前提下，協(xié)作傳輸距離為

對(duì)式(17)求λ的導(dǎo)數(shù)，可得

當(dāng)式(18)等于0時(shí)，協(xié)作傳輸距離d取最大值，求解可得λ為

將式(19)代入式(17)，可得采用DAF混合協(xié)作機(jī)制時(shí)理想最大協(xié)作傳輸距離為

同理可得，采用DF協(xié)作機(jī)制的理想最大協(xié)作傳輸距離為

3.3最佳中繼節(jié)點(diǎn)的選擇

在本文中，最佳中繼節(jié)點(diǎn)和最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇是基于節(jié)點(diǎn)位置信息和退避時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，MAC層采用文獻(xiàn)[14]提出的PBC-CMAC協(xié)議機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要采用協(xié)作機(jī)制發(fā)送信息時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將它和目的節(jié)點(diǎn)的位置信息寫進(jìn)CRS(Cooperation Relay Selection)幀廣播給其鄰居節(jié)點(diǎn)。接收到CRS幀的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)接收到的信息和自己的位置信息計(jì)算出回退時(shí)間，最先回復(fù)RFC(Ready For Cooperation)幀的節(jié)點(diǎn)將作為最佳中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作傳輸。

圖2為發(fā)送端位于(0，0)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(d，0)，中繼節(jié)點(diǎn)位于不同位置時(shí)，采用DAF混合協(xié)作機(jī)制的擴(kuò)展傳輸距離情況。設(shè)采用協(xié)作機(jī)制時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率均，為 -8 dBm，噪聲功率為-70 dBm，路徑衰落指數(shù)為2，中斷概率C為0.0142，頻譜效率η0為0.7。定義擴(kuò)展因子，其中R0為直接傳輸半徑。如圖3所示，當(dāng)y =0時(shí)協(xié)作傳輸距離取最大值，這驗(yàn)證了3.2節(jié)證明結(jié)果。

圖2　不同協(xié)作中繼位置的擴(kuò)展因子

圖3　最佳中繼節(jié)點(diǎn)搜索區(qū)域劃分

圖4為最佳中繼節(jié)點(diǎn)的選擇示意圖。設(shè)Fi為本跳發(fā)送節(jié)點(diǎn)，為理想轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，為理想中繼節(jié)點(diǎn)。設(shè)rf為中繼搜索區(qū)域半徑，以Fi為圓心的間距為Δ的同心圓環(huán)將中繼節(jié)點(diǎn)搜索區(qū)域分割成W等分，其中W=2 t -1，t為自然數(shù)。其中圓a有最小的半徑。

圓g有最大的半徑為

則編號(hào)為l的圓弧的半徑為

設(shè)中繼搜索區(qū)域中編號(hào)為l -1和編號(hào)為l的圓間的圓環(huán)記作Cl，則理想中繼節(jié)點(diǎn)位置所在的圓環(huán)編號(hào)應(yīng)為

BLGR算法采用MFR準(zhǔn)則選擇向著目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)選為下一跳節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，當(dāng)p＜ q時(shí)，圓環(huán)Sp內(nèi)的節(jié)點(diǎn)要早于圓環(huán)Sq內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RFC消息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)位于同一圓環(huán)Sp時(shí)，則距離圓環(huán)更近的節(jié)點(diǎn)將贏得競(jìng)爭(zhēng)，相對(duì)于，應(yīng)贏得競(jìng)爭(zhēng)。

所以中繼節(jié)點(diǎn)v競(jìng)爭(zhēng)成為最佳中繼節(jié)點(diǎn)的離散退避時(shí)間函數(shù)可以表示為

其中，ψ(v)是和中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的沿著發(fā)送節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)連線方向的協(xié)作傳輸距離有關(guān)的退避時(shí)間，φ(v)是和中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的沿著發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)連線方向的協(xié)作傳輸距離有關(guān)的退避時(shí)間。所以，ψ(v)應(yīng)該與成正比，φ(v)與成正比，即

其中，Δtψ是和ψ(v)有關(guān)的最小退避時(shí)間間隔，Δtφ是和φ(v)有關(guān)的最小退避時(shí)間間隔。如圖4所示，中繼節(jié)點(diǎn)在圓環(huán)Sp中比中繼節(jié)點(diǎn)距離理想中繼更近，所以有

因此，當(dāng)和ψ(v)有關(guān)的最小退避時(shí)間間隔Δtψ與和φ(v)有關(guān)的最小退避時(shí)間間隔Δtφ之間的關(guān)系滿足式(32)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)本文路由算法的最佳中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略。

3.4 最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇

當(dāng)最佳中繼節(jié)點(diǎn)確定后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將在下一個(gè)時(shí)隙將最佳中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的信息寫入RTS消息中，根據(jù)最大協(xié)作距離的需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整RTS消息的傳輸速率[14]后將RTS消息廣播給其鄰居節(jié)點(diǎn)。接收到該RTS數(shù)據(jù)包后，每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)u提取消息，根據(jù)MFR準(zhǔn)則計(jì)算其競(jìng)爭(zhēng)成為最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)間，根據(jù)退避時(shí)間最早發(fā)送CTS消息的節(jié)點(diǎn)將成為最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，即下一跳發(fā)送節(jié)點(diǎn)。發(fā)送CTS的退避時(shí)間為

3.5 MHCGR算法步驟

通過3.2節(jié)的推理分析，MHCGR算法采用先選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)，再選擇最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的策略，具體步驟如下：

(1)當(dāng)源節(jié)點(diǎn)或者發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)消息之前，根據(jù)3.3節(jié)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制在中繼搜索區(qū)域內(nèi)選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)。若沒有選擇到最佳中繼節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)或者發(fā)送節(jié)點(diǎn)則采用傳統(tǒng)BLGR算法進(jìn)行直接傳輸。否則執(zhí)行步驟(2)；

(2)當(dāng)最佳中繼節(jié)點(diǎn)確定后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)最佳中繼節(jié)點(diǎn)的位置和式(20)、式(21)，推算出最大協(xié)作傳輸距離來選擇最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。執(zhí)行步驟(3)；

(3)當(dāng)最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)確定后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)將采用協(xié)作的方式向最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)消息。執(zhí)行步驟(1)，直到發(fā)送的目的節(jié)點(diǎn)為止。

4　性能仿真

本文與現(xiàn)有的MPCR算法、ENBGCR算法兩種協(xié)作路由算法進(jìn)行了比較。為了體現(xiàn)對(duì)比的公平性，MPCR算法也考慮協(xié)作機(jī)制在擴(kuò)大傳輸半徑中帶來的優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1000 m×1000 m 的2維場(chǎng)景區(qū)域中，節(jié)點(diǎn)天線均為全向天線。直接傳輸時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為-8 dBm，采用協(xié)作機(jī)制時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率均為，噪聲功率為-70 dBm，路徑衰落指數(shù)為2，鏈路所要求的中斷概率閾值C為0.0142，頻譜效率設(shè)為0.7，T0設(shè)為200μs，W為13，則Δtφ為5μs，為27μs，可調(diào)常數(shù)α設(shè)為0.9。仿真中隨機(jī)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，然后建立路由，取2000個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境下成功接收的路徑的總條數(shù)平均值作為最終的仿真結(jié)果。為了更好地體現(xiàn)本文算法在減少路徑跳數(shù)上的優(yōu)勢(shì)，所隨機(jī)選擇的源節(jié)點(diǎn)橫坐標(biāo)位于[0，100 m]，縱坐標(biāo)位于[0，1000 m]，目的節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)位于[900 m，1000 m]，縱坐標(biāo)位于[0，1000 m]。

圖4表明了不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下，4種路由算法的平均路徑跳數(shù)比較。從圖5中可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)間距離的減小，4種路由算法的平均路徑跳數(shù)都明顯減少。在不同節(jié)點(diǎn)密度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，MHCGR算法的平均路徑跳數(shù)都要少于ENBGCR算法和MPCR算法。這是因?yàn)椋cENBGCR算法相比，MHCGR算法和MPCR算法都選擇最佳的中繼節(jié)點(diǎn)，充分發(fā)揮了協(xié)作機(jī)制在擴(kuò)大傳輸距離上優(yōu)勢(shì)，使得它的平均路徑跳數(shù)要少于ENBGCR算法。而與MPCR算法相比，MHCGR算法采用DAF協(xié)作機(jī)制充分發(fā)揮了中繼節(jié)點(diǎn)的分集作用，進(jìn)一步擴(kuò)大協(xié)作傳輸?shù)木嚯x，使得它的平均路徑跳數(shù)要少于MPCR算法。

圖4　不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下的平均路徑跳數(shù)比較

圖5　不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下的平均路徑跳數(shù)比

圖6　不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下節(jié)省發(fā)射功率比

圖7　不同頻譜效率下的平均路徑跳數(shù)比

圖5表明了不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下，各種路由算法的平均路徑跳數(shù)比。如圖6所示，隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的減少，與BLGR算法相比，3種協(xié)作路由算法在減少路徑平均跳數(shù)上優(yōu)勢(shì)更加明顯。這是因?yàn)橥ㄟ^協(xié)作傳輸可以增大傳輸距離，減少路徑的平均跳數(shù)。而隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，最佳協(xié)作中繼選擇的概率增大，使得協(xié)作機(jī)制在增大協(xié)作傳輸距離方面的優(yōu)勢(shì)更明顯，因此，在節(jié)點(diǎn)密度大時(shí)，MHCGR算法、MPCR算法的平均路由跳數(shù)上的減少要更優(yōu)于ENBGCR算法，而MHCGR算法采用DAF協(xié)作機(jī)制充分發(fā)揮了中繼節(jié)點(diǎn)的分集作用，MHCGR算法的平均路由跳數(shù)上要少于MPCR算法。由于4.1節(jié)中設(shè)采用協(xié)作傳輸時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的功率均為直接傳輸時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)功率的一半，因此，圖5中的平均路徑跳數(shù)上的比值也反映了不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)路由整體發(fā)射功率的影響。如圖6所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為100時(shí)，與BLGR算法相比，MHCGR算法可以節(jié)省約47%的發(fā)射功率。當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為200時(shí)，MHCGR算法可以選出最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)最大的分集增益，此時(shí)，與MPCR算法相比，可以節(jié)省約9%的發(fā)射功率，且與ENBGCR算法相比，可以節(jié)省約15%的發(fā)射功率。

圖7表明了在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為500時(shí)，不同頻譜效率下各種算法的平均路徑跳數(shù)比。如圖7所示，隨著頻譜效率的增大，與BLGR算法相比，3種協(xié)作路由算法在減少路徑平均跳數(shù)上優(yōu)勢(shì)逐漸減弱。這是因?yàn)殡S著頻譜效率的減小，3種協(xié)作路由算法的擴(kuò)展因子也都逐漸減小。

5　結(jié)論

為了充分發(fā)揮協(xié)作機(jī)制在擴(kuò)大傳輸半徑中的優(yōu)勢(shì)，減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由的路徑長(zhǎng)度，本文在BLGR算法的基礎(chǔ)上，提出了基于中斷概率的MHCGR算法。理論分析表明，在滿足一定鏈路中斷概率的要求下，采用DAF混合協(xié)作機(jī)制可以充分發(fā)揮其在擴(kuò)展傳輸距離上的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)推導(dǎo)出每跳協(xié)作鏈路的理想最大協(xié)作傳輸距離和理想中繼的位置，提出了最佳中繼節(jié)點(diǎn)和最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇策略。仿真結(jié)果表明，MHCGR算法可以有效地減少了路由的路徑長(zhǎng)度，降低了路由的整體發(fā)射功率。

參考文獻(xiàn)

[1]HEISSENBUTTEL M，BRAUN T，BERNOULLI T，et al.BLR:Beacon-less routing algorithm for mobile ad hoc networks[J].Elsevier Compter Communication，2004，27(11):1076-1086.

[2]WANG Anbao and ZHU Bin.Improving MPR selection algorithm in OLSR protocol based on node localization technology[J].Journal of Networks，2014，9(7):1674-1681.

[3]JENI P R J，JULIET A V，and BOSE A M.A secured and reliable route maintenance mechanism for AODV routing protocol[J].International Journal on Information Technology，2014，2(2):56-62.

[4]NOARATINIA A，HUNTER T E，and HEDAYAT A.Cooperative communication in wireless networks[J].IEEE Communications Magazine，2004，42(10):74-80.

[5]SU Weifeng，SADEK A K，and LIU K J R.Cooperative communication protocols in wireless networks:Performance analysis and optimum power allocation[J].Wireless Personal Communications，2008，44(2):181-217.

[6]IBRAHIM A，HAN Zhu，and LIU K J R.Distributed energy-efficient cooperative routing in wireless networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7(10):3930-3941.

[7]張晚生，劉凱.無線網(wǎng)絡(luò)中基于位置的能量高效協(xié)作路由算法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2012，34(1):63-68.doi:10.3724/SP.J.1146.2011.00425.ZHANG Wansheng and LIU Kai.Energy-efficient locationbased cooperative routing in wireless network[J].Jounal of Electronics ＆ Information Technology，2012，34(1):63-68.doi:10.3724/SP.J.1146.2011.00425.

[8]SYUE S J，WANG Chinliang，AGUILAR T，et al.Cooperative geographic routing with radio coverage extension for SER-constrained wireless relay networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2012，30(2):271-279.

[9]ABDULHADI S，JASEEMUDDIN M，and ANPALAGAN A.Multi-hop routing with cooperative transmission:A cross-layer approach[J].Wireless Network，2014，20(7):1685-1697.

[10]SU Weifeng and LIU Xin.On optimum selection relaying protocols in cooperative wireless networks[J].IEEE Transactions on Communications,2010，58(1):52-57.

[11]XIONG Ke，F(xiàn)AN Pingyi，LI Tao，et al.Outage probability of space-time network coding over rayleigh fading channels[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2014，63(4):1965-1970.

[12]BHATNAGAR M R and ARTI M K.On the closed-form performance analysis of maximal ratio combining in Shadowed-Rician fading LMS channels[J].IEEE Communications Letters，2014，18(1):54-57.

[13]MUTHUKUMAR S and NAGARAJAN V.Performance analysis of selective decode and forward protocol with partner selection[J].International Journal of Mobile Communications，2014，12(2):192-206.

[14]劉云，劉凱，曾峰.無線網(wǎng)絡(luò)中基于優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)作媒質(zhì)接入控制協(xié)議研究[J].通信學(xué)報(bào)，2011，32(8):183-190.LIU Yun，LIU Kai，and ZENG Feng.Study in a cooperative MAC protocol with priority-based contention for wireless networks[J].Journal on Communications，2011，32(8):183-190.

[15]AGUILAR T，SYUE S，GAUTHIER V，et al.CoopGeo:A beaconless geographic cross-layer protocol for cooperative wireless ad hoc networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2011，10(8):2554-2565.

張嵩：男，1987年生，博士生，研究方向?yàn)锳d hoc 網(wǎng)絡(luò)、協(xié)同通信.

馬林華：男，1965年生，教授，研究方向?yàn)锳d hoc 網(wǎng)絡(luò)、信道編碼與調(diào)制.

茹樂：男，1979年生，副教授，研究方向無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)、抗干擾通信.

Multi-hop Hybrid Cooperative Geographic Routing
Algorithm with Outage-probability-constrained

ZHANG Song①M(fèi)A Linhua①RU Le①ZHANG Haiwei②TANG Hong①HU Xing①
①(Institute of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China)
②(State Key Laboratory of Astronautics Dynamics，Xi’an 710043，China)

Abstract:A Multi-hop Hybrid Cooperative Geographic Routing(MHCGR)algorithm with outage-probabilityconstrained is proposed to reduce the path length for routing in wireless sensor networks.The cooperative links using different cooperative strategies are analyzed.With theoretical analysis，the decode-amplify-and-forward hybrid cooperative strategy can further expand the transmission distance.The ideal maximum cooperative transmission distance and the location of ideal relay node are proved for per-hop cooperative transmission link.Based on the BeaconLess Geographic Routing(BLGR)algorithm，the MHCGR algorithm uses the location information of nodes to select the optimum relay node and optimum forward node for each hop.Then MHCGR algorithm forms the cooperative route from the source node to destination node by mentioned cooperative strategy.Simulation results show that，compared with the ENBGCR algorithm and the MPCR algorithm using DF strategy，the MHCGR algorithm can reduce the number of routing hop，and reduce the overall transmission power routing.

Key words:Wireless sensor networks; Path length; Cooperative routing; Cooperative transmission distance; Location information

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61372167)，航空科學(xué)基金(20130596008)

*通信作者：張嵩zhangsong1949@163.com

收稿日期：2015-04-29；改回日期：2015-10-13；網(wǎng)絡(luò)出版：2015-11-18

DOI:10.11999/JEIT150487

中圖分類號(hào)：TP393.04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A

文章編號(hào)：1009-5896(2016)02-0332-08

Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China(61372167)，National Aerospace Science Foundation of China(20130596008)