[论文解读] Lifetime Improvement of Wireless Sensor Networks by Collaborative Beamforming and Cooperative Transmission

Zhu Han, H. Vincent Poor|ArXiv.org|Apr 25, 2007

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 19被引用 11

一句话总结

本文提出了一种新型无线传感器网络路由协议，通过协作波束成形（CB）和协作传输（CT）技术，绕过靠近汇聚节点的能耗耗尽节点，从而延长网络生命周期。通过使用空间波束成形增强信号强度，实现更长距离传输，减少对高能耗节点的依赖，相较于传统转发方式，在二维圆盘拓扑中实现高达90%的生命周期提升，在一般网络中实现10%的提升。

ABSTRACT

Extending network lifetime of battery-operated devices is a key design issue that allows uninterrupted information exchange among distributive nodes in wireless sensor networks. Collaborative beamforming (CB) and cooperative transmission (CT) have recently emerged as new communication techniques that enable and leverage effective resource sharing among collaborative/cooperative nodes. In this paper, we seek to maximize the lifetime of sensor networks by using the new idea that closely located nodes can use CB/CT to reduce the load or even avoid packet forwarding requests to nodes that have critical battery life. First, we study the effectiveness of CB/CT to improve the signal strength at a faraway destination using energy in nearby nodes. Then, a 2D disk case is analyzed to assess the resulting performance improvement. For general networks, if information-generation rates are fixed, the new routing problem is formulated as a linear programming problem; otherwise, the cost for routing is dynamically adjusted according to the amount of energy remaining and the effectiveness of CB/CT. From the analysis and simulation results, it is seen that the proposed schemes can improve the lifetime by about 90% in the 2D disk network and by about 10% in the general networks, compared to existing schemes.

研究动机与目标

• 为解决电池供电无线传感器网络运行生命周期延长的关键挑战。
• 减少靠近汇聚节点的节点的能量消耗，这些节点通常因多跳转发而负担过重。
• 设计一种动态避免能量关键节点的路由协议，利用协作波束成形和协作传输技术。
• 在固定数据速率下，将生命周期最大化问题建模为线性规划问题；在动态速率下，采用启发式算法求解。
• 在理想化和一般网络拓扑中，评估所提方案相对于现有路由策略的性能增益。

提出的方法

• 在能量约束下建立网络生命周期最大化问题，将生命周期定义为首个节点失效前的时间。
• 利用协作波束成形（CB）和协作传输（CT）提高目的地的信噪比（SNR），从而实现更长的传输距离。
• 推导出在CB/CT下SNR增益的闭式表达式，表明多个节点联合传输可提高有效信号功率并减少路径损耗。
• 在固定数据速率下，将路由问题建模为带有能量约束和流量守恒约束的线性规划（LP）问题。
• 在动态数据速率下，提出一种启发式成本函数，根据剩余能量和CB/CT有效性动态调整链路成本：$\text{cost}_{ij} = \left(\frac{E_i}{\underline{E}_i}\right)^{\beta_1} + \sum_{l\in C_i^j}\left(\frac{E_l}{\underline{E}_l}\right)^{\beta_2}$。
• 在路由算法中应用该成本函数，优先选择剩余能量较高且具备有效协作伙伴的路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 协作波束成形和协作传输是否能有效延长无线传感器网络的传输距离并减少多跳转发需求？
• RQ2 CB/CT的使用如何影响节点的能量分布和生命周期，特别是那些容易过早失效的靠近汇聚节点的节点？
• RQ3 与传统直接转发和现有能量感知路由协议相比，基于CB/CT的路由在生命周期方面能带来多大性能增益？
• RQ4 如何动态调整路由成本，以同时反映剩余能量和协作传输的有效性？
• RQ5 在二维圆盘模型与一般随机网络拓扑中，网络生命周期的理论与实际提升分别是什么？

主要发现

• 在均匀节点分布的二维圆盘网络中，所提出的基于CB/CT的路由方案相较于传统直接数据包转发，使网络生命周期提升了约90%。
• 在一般随机网络拓扑中，所提方案相较于文献[2]中提出的算法，实现了约10%的网络生命周期提升。
• 仿真结果表明，采用CB/CT后，网络生命周期从直接转发下的0.2个单位提升至6节点网络中的0.333个单位，提升幅度达67%。
• CB/CT的使用使替代传输路径成为可能，例如通过节点5的6跳路径，有助于重新分配流量，避免靠近汇聚节点的节点2过载。
• 结合剩余能量和协作潜力的启发式成本函数能有效引导路由选择能量效率更高的路径，减少节点过早失效。
• 在固定数据速率下，线性规划模型成功平衡了能量消耗，并最大化首个节点失效前的时间，验证了理论模型的有效性。