曾振东，孙 波，邓嘉明

（1.广东青年职业学院计算机工程系，广州 510507；2.嘉应学院信息网络中心，广东 梅州 514015）

0 引言

无线传感网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）［1］已在多个领域广泛使用，如天气监测、康复医疗、动物跟踪。WSNs 内多个传感节点感测环境数据，再将数据传输至基站［2］，进而实现对环境的监测。然而，由于受资源限制，如能量、安全［3］，数据传输的可靠性仍存在挑战。

为了提高数据传输的可靠性，研究人员进行了大量的研究工作［4］，并提出基于转发节点的协作转发方案。例如，Vallimayil 分析了转发节点对数据传输的影响。此外，通常WSNs 内的节点是由电池供电，属于有限能量。一旦能量消耗殆尽，节点就无法感测、接收和传输数据，这就降低了数据传输的可靠性。

能量采集（Energy Harvesting，EH）是缓解WSNs能量短缺问题的有效技术［5］。EH 技术通过从周围环境采集能量，如太阳光线、射频（Radio Frequency，RF）波，进而补充节点能量。例如，Nasir 等分析了RF-EH 的应用性能。

此外，节点与基站间的通信安全也是WSNs 的研究热点之一。Shannon［6］最先提出了物理层安全（Physical Layer Security，PLS）问题。Wyner 基于PLS框架，建立了信息理论架构，其认为源节点与目的节点间存在一个窃听者（Eavesdropper，EAV）。EAV窃听转发节点与目的节点间的通信。

为此，从安全的角度并面向EH 的WSNs 网络，提出多转发节点协作传输方案（Multi-relay Cooperative Scheme，MRCT）。MRCT 方案选择最优的节点构成转发节点，进而提高数据传输效率和安全性。仿真结果表明，MRCT 方案提高了系统吞吐量，并增强了安全能力。

1 系统模型

考虑如图1 所示的网络模型。整个网络由1 个基站（Base Station，BS）、M 个传感节点（S1，S2，…，SM）和N 个转发节点（Relay Node，RN）（R1，R2，…，RN）组成。系统内还存在被动窃听者EAV。EAV 试图从转发节点至传感节点间链路提取信息。

图1 系统模型

这些设备均由基站管理［7-8］，每个设备均安装了单个天线，以半-双工模式工作。令表示基站至转发节点Ri信道响应参数，且i=1，2，…，N表示转发节点Ri至窃听者EAV 信道响应参数；表示转发节点Ri至传感节点Sk信道响应参数，且k=1，2，…，M。

假定所有信道遵守Rayleigh 衰落［9］。用式（1）和式（2）分别表示信道的累加分布函数（Cumulative Distribution Function，CDF）和概率密度函数［9］：

2 MRCT 方案

2.1 通信协议

2.1.1 基站向转发节点传输信息

在αT 时间段，基站BS 向RNs 传输信息。其中T 表示一帧时隙长，而α 表示贡献于基站至转发节点传输阶段的时间比例，且0<α<1，如图2 所示。

图2 时间轴

式中，η 表示EH 的采集能量效率。

2.1.2 转发节点向传感节点转发信息

除αT 时间段外，剩下的（1-α）T 时间段的转发节点Ri传输功率可表示为：

2.2 信道容量及安全能力

采用文献［12］的安全能力的定义：在EAV 存在的情况下，从基站至传感节点Sk的无线传输信道的瞬时安全能力可表示为：

(四)收益分配风险问题，收益分配是公司经营成果的再分配，同时也是公司内部资金的再分配。公司经营发展过程中可能出现的收益分配风险主要包括收益确认风险以及收益分配形式、金额和时间节点风险。公司的收益分配不当，对于公司的投资者利益、公司的长远发展等都有可能带来不利影响。

2.3 非协作的转发节点策略

在非协作的转发节点（Non-cooperative Relay Node，NCRN）策略中，NCRN 策略从N 个转发节点中选择一个具有最大信道增益的节点向传感节点传输消息［13-14］，进而提高信息传输的可靠性和安全能力。

式中，R*表示具有最大信道增益的转发节点。

相应地，R*所采集的能量可表示为：

2.4 多节点协作转发策略

与NCRN 方案不同，多节点协作转发MRCT 策略不是选择一个转发节点向传感节点传输信息，而是由多个转发节点将所接收的信息进行合并，合并后再传输至传感节点，进而提升信道的安全能力。

3 性能分析

3.1 仿真环境

利用MATLAB R2018 软件建立仿真平台，分析MRCT 方案的性能，包括吞吐量和安全中断概率（Security Outage Probability，SOP）［16］。SOP 指标能够反映WSNs 的安全性能［17］。下页表1 给出仿真参数的取值范围，其中dBR表示基站离转发节点的距离；dRE表示转发节点离EAV 的距离；dRS表示转发节点离传感节点的距离。

表1 仿真参数

同时，选择文献［18］的协作转发方案（Traditional Cooperative Relay，TCRA）Scheme 作为参照，并对NCRN 和MRCT 方案进行同步仿真，对比分析它们的性能。

TCRA 方案先依据来自传感节点的反馈信息决定是否需要协作传输。如果需要，每个转发节点就估计自己是否适合协作转发，并将这些适合协作转发的节点构建一个转发节点集。再从这转发节点集中选择具有最大瞬时互信息量的节点作为协作节点。表2 总结了TCRA、NCRN 和MRCT 方案的特点。

表2 TCRA、NCRN 和MRCT 方案的特点

3.2 吞吐量性能

先分析γ0对NCRN、TCRA 和MRCT 方案的吞吐量的影响。仿真过程中的参数如下：N=26、M=30、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。

图3 显示了NCRN、TCRA 和MRCT 3 个方案的吞吐量随γ0的变化情况。从图可知，MRCT 方案的吞吐量优于NCRN 和TCRA。同时，观察图3 不难发现，吞吐量随γ0的增加迅速上升。当γ0增加到一定程度后，吞吐量也保持稳定。原因在于：吞吐量与信噪比相关。信噪比越大，中断概率就下降。低的中断概率，就增加了吞吐量。

图3 吞吐量随γ0 变化情况

3.3 SOP 性能

本节先分析对SOP 性能的影响。仿真过程中的参数如下：N=25、M=30、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。

如图4 所示，当γ0增加NCRN 方案的SOP 只是很小程度地下降，甚至可忽略，但TCRA 方案的SOP 随γ0的增加而快速下降。原因在于：从基站至传感节点和从基站至EAV 的信道容量是关于γ0的函数。在NCRN 方案中，基站至节点和基站至EAV链路的信道容量只是与单一的γ0相关。而在TCRA和MRCT 方案中，信道容量与多个信道的γ0相关。因此，MRCT 和TCRA 的安全性能得到提高。

图4 SOP 性能随γ0 的变化曲线

图5 分析了SOP 性能随转发节点数N 的变化情况，其中γ0=10 dB、M=25、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。

从图5 可知，随着节点数的增加，NCRN 方案的安全性能提升幅度最小，而TCRA 和MRCT 方案安全性能提升速度很快，原因在于：NCRN 方案只选择了一个最优的转发节点，而TCRA 和MRCT 方案选择了多个转发节点。与图4 相似，MRCT 方案的SOP性能最优。

图5 SOP 性能随N 的变化曲线

最后，节点数M 对SOP 性能的影响，其中γ0=10 dB、N=25、α=0.4、ρ=0.6、η=0.7。从下页图6 可知，3 个方案的SOP 性能均随节点数M 的增加而上升。原因在于：节点数M 越多，节点处所获取的密度增益就越大。

图6 SOP 性能随M 的变化曲线

4 结论

针对EN-WSNs 网络，提出多转发节点协作传输方案MRCT。MRCT 通过选择最优的转发节点提高数据传输率，增强系统的安全性。仿真结果表明，通过加大转发节点数或者减少基站离转发节点距离，能够提高MRCT 方案的性能。后期，会分析非理想信道状态信息对安全性能的影响，并考虑路由性能，如数据包丢失率、传输时延等。