盧詩堯，曾桂根

(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003)

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)［1-2］的應(yīng)用越來越廣泛，它具有多跳、無中心、自組織等特點(diǎn)。MAC協(xié)議作為通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，決定了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)接入共享無線信道的方式以及有限頻譜資源的分配，MAC協(xié)議性能的好壞直接影響通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能。由于無線信道衰落、多用戶信道競(jìng)爭(zhēng)接入等問題，使得傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)只能適用于負(fù)載較輕、距離較短、信道條件較好的環(huán)境，一旦上述情況惡化，性能就會(huì)大大降低，從而限制該類MAC協(xié)議的應(yīng)用。

協(xié)作通信技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代Gamal A E和Cover T關(guān)于中繼信道的信息論特性的研究工作［3］，它通過網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的中繼傳輸，在擴(kuò)大覆蓋范圍、消除盲區(qū)和弱區(qū)、提高系統(tǒng)容量以及靈活部署等方面獲得顯著優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)［4］提出了一種支持多速率協(xié)作傳輸?shù)?MAC協(xié)議CoopMAC，它通過預(yù)先選定的高速率節(jié)點(diǎn)中繼傳輸，能有效提高系統(tǒng)通信容量，降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。但由于不是基于瞬時(shí)信道信息，因而不能適應(yīng)信道和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟粩嘧兓Ｎ墨I(xiàn)［5］中繼利用MAC層的RTS/CTS獲得源與中繼以及中繼與目的之間的信道信息，并根據(jù)不同準(zhǔn)則(最小準(zhǔn)則或調(diào)和平均準(zhǔn)則)將這兩個(gè)信道的信息進(jìn)行綜合，獲得一個(gè)信道量度值，但沒有對(duì)這兩種準(zhǔn)則的最優(yōu)性給出理論分析，且所提準(zhǔn)則也并非最佳協(xié)作中繼的選擇準(zhǔn)則。文獻(xiàn)［6］提出了一種基于瞬時(shí)信道信息的最佳中繼選擇策略，它引入的固定退避時(shí)隙和改進(jìn)的隨機(jī)退避時(shí)隙解決了中繼碰撞問題，相比傳統(tǒng)CoopMAC對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和服務(wù)延遲性能都有顯著的提升。但是它忽略了節(jié)點(diǎn)的能量因素，而在某些現(xiàn)實(shí)環(huán)境下移動(dòng)設(shè)備通常是能量有限的。

本文在CoopMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種基于瞬時(shí)信道信息和節(jié)點(diǎn)剩余能量的無線MAC協(xié)作方案。首先各鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)RTS/CTS獲得通信雙方信道信息，然后通過對(duì)信道條件和自身剩余能量的綜合分析，考慮是否參與中繼競(jìng)爭(zhēng);目的節(jié)點(diǎn)決定傳輸方式以及中繼節(jié)點(diǎn)的選擇;最后源節(jié)點(diǎn)根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)反饋的信息來傳輸數(shù)據(jù)。

1 CR-MAC協(xié)作通信方案

1．1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

本文所討論網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CR-MAC無需維護(hù)中繼節(jié)點(diǎn)表，中繼的選擇由各鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道狀態(tài)信息和自身剩余能量來競(jìng)爭(zhēng)決定。IEEE802.11b協(xié)議采用了動(dòng)態(tài)速率漂移技術(shù)［7］，可以根據(jù)環(huán)境噪聲變化對(duì)傳輸速率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，數(shù)據(jù)幀傳輸距離和傳輸路徑之間關(guān)系如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀傳輸距離和傳輸速率對(duì)照表

1．2 CR-MAC中繼選擇算法及幀結(jié)構(gòu)

本文在IEEE802.11b的基礎(chǔ)上引入了3種新的控制幀，即 C-CTS(Coop-Clear To Send)，HTS(Help To Send)，CTC(Compete To Send)。C-CTS為協(xié)作允許發(fā)送幀，HTS為協(xié)作請(qǐng)求幀，CTC為協(xié)作確認(rèn)幀，幀格式如圖2所示，它們的持續(xù)時(shí)間分別表示為 TC-CTS，THTS，TCTC。其他控制幀 ACK，PLCP(物理層匯聚協(xié)議頭)，SIFS(最短幀間隔)的持續(xù)時(shí)間分別表示為TACK，TPLCP，TSIFS;源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸速率分別表示為Rsd，Rsh，Rhd;數(shù)據(jù)幀采用直傳方式和協(xié)作中繼方式時(shí)間分別表示為Tdirect和Tcoop，數(shù)據(jù)幀長度表示為L。

圖2 C-CTS，HTS，CTC 幀結(jié)構(gòu)圖

具體協(xié)作策略如下:

1)源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀，Duration字段設(shè)置DurationRTS=TSIFS+TC-CTS，所有能接收到該RTS幀的節(jié)點(diǎn)(除目的節(jié)點(diǎn)外)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度，估計(jì)與源節(jié)點(diǎn)間的距離，查表1得到Rsh，并且設(shè)置自己的網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV為DurationRTS。同時(shí)源節(jié)點(diǎn)設(shè)置超時(shí)定時(shí)器，如果定時(shí)器結(jié)束時(shí)還未收到目的節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)幀C-CTS，那么將進(jìn)行隨機(jī)退避，然后重傳RTS。

2)目的節(jié)點(diǎn)收到RTS幀，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算得到Rsd，然后回傳確認(rèn)幀C-CTS，C-CTS幀格式如圖2a所示，它包含了Rsd信息。所有潛在中繼節(jié)點(diǎn)既能接收到RTS幀和C-CTS幀，它們通過C-CTS幀的信息獲得Rsd和Rhd。

3)各潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)Rsd，Rsh，Rhd和自身剩余能量信息來決定是否參與協(xié)作以及計(jì)算退避時(shí)間。

(1)若Rsd=11 Mbit/s或5 Mbit/s，說明源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)良好，不需要協(xié)作中繼，源節(jié)點(diǎn)采用直傳方式即可。直傳時(shí)間如下

(2)若 Rsd=2 Mbit/s，則只有滿足條件 min(Rsh，Rhd)≥5.5 Mbit/s的節(jié)點(diǎn)才能參與中繼節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)。退避時(shí)間計(jì)算分3種情況

式中:α為信道狀態(tài)權(quán)值系數(shù);(1-α)為節(jié)點(diǎn)剩余能量權(quán)值系數(shù);En為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量值;Eno為節(jié)點(diǎn)初始能量值;X表示不大于X的最大整數(shù);k值是一個(gè)時(shí)間常數(shù)，而Tmax與k的取值有關(guān)。α值由網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況決定。由上述公式可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量高于門限值時(shí)(此處為初始能量值的30%)，中繼節(jié)點(diǎn)的選擇可以忽略能量因素，而只考慮瞬時(shí)信道狀態(tài)。相反，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量低于門限值，假設(shè)k值等于40，可以看到，(Rsh，Rhd)=(11，11)的節(jié)點(diǎn)極有可能比(Rsh，Rhd)=(11，5.5)的節(jié)點(diǎn)退避時(shí)間還長，即高速節(jié)點(diǎn)退化為低速節(jié)點(diǎn)，避免了信道條件優(yōu)良的節(jié)點(diǎn)因頻繁參與協(xié)作而能量快速耗盡，從而改善系統(tǒng)能耗均衡性。

如果節(jié)點(diǎn)滿足式(7)，則向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送HTS幀，幀結(jié)構(gòu)如圖2b所示，Duration字段設(shè)置為DurationHTS=TSIFS+TCTC。若不滿足式(7)，設(shè)置自己的NAV為3TSIFS+Tmax+TPLCP+8L/Rsd，不參與協(xié)作。

(3)若 Rsd=1 Mbit/s，則只有滿足 min(Rsh，Rhd)≥2 Mbit/s的節(jié)點(diǎn)才能參與中繼節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)。退避時(shí)間計(jì)算分以下5種情況

其中，Tn的計(jì)算與式(3)一致。如果節(jié)點(diǎn)滿足式(7)，則向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送HTS幀，Duration字段設(shè)置為DurationHTS=TSIFS+TCTC。若不滿足式(7)，則設(shè)置自己的NAV為3TSIFS+Tmax+TPLCP+8L/Rsd，不參與協(xié)作。

(4)若多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)滿足式(7)，則退避時(shí)間最短的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先發(fā)送HTS幀，其他節(jié)點(diǎn)在自身退避時(shí)間內(nèi)如果偵聽到HTS，則放棄競(jìng)爭(zhēng)，并根據(jù)該HTS幀里的Duration字段更新自己的NAV。具體傳輸流程如圖3所示。

圖3 沒有節(jié)點(diǎn)沖突時(shí)的傳輸策略

圖4 有節(jié)點(diǎn)沖突時(shí)的傳輸策略

但也可能出現(xiàn)互為隱終端的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送HTS，從而發(fā)生碰撞，這時(shí)各節(jié)點(diǎn)將隨機(jī)退避然后重新參與競(jìng)爭(zhēng)。這里，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)兩次競(jìng)爭(zhēng)失敗，則退出競(jìng)爭(zhēng)，以減小其余節(jié)點(diǎn)的碰撞概率。

4)如果目的節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確接收HTS信號(hào)，將發(fā)送CTC幀(結(jié)構(gòu)如圖2c所示)通知所有中繼節(jié)點(diǎn)，CTC的Duration字段設(shè)置為DurationCTC=3TSIFS+2TPLCP+8L/Rsh+8L/Rhd+TACK。中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)CTC里的Helper ID來判斷自己是否競(jìng)選成功，被選中的節(jié)點(diǎn)等待接收數(shù)據(jù)，未被選中的節(jié)點(diǎn)將自己的NAV更新為DurationCTC并退避。如果目的節(jié)點(diǎn)沒能接收到HTS，說明沒有節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)，或者有節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)，但是HTS幀丟失，后者很大原因是節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)鏈路質(zhì)量比較差，因此該節(jié)點(diǎn)并不是理想的中繼選擇。無論是哪一種，最終目的節(jié)點(diǎn)都將等待源節(jié)點(diǎn)直傳數(shù)據(jù)包。有節(jié)點(diǎn)沖突時(shí)的傳輸策略如圖4所示。

源節(jié)點(diǎn)在接收到C-CTS之后開始偵聽信道，若能收到CTC，則以Rsh的速率向最佳中繼發(fā)送數(shù)據(jù)包，然后最佳中繼以Rhd的速率向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。若源節(jié)點(diǎn)偵聽到信道連續(xù)空閑時(shí)間超過2TSIFS+Tmax，說明沒有節(jié)點(diǎn)競(jìng)選成功，以直傳方式向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

5)目的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀之后如果校驗(yàn)正確，則回送ACK。源節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)幀之后，將啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，如果定時(shí)器結(jié)束時(shí)還未收到ACK確認(rèn)幀，分以下兩種情況處理:

(1)直傳方式下。說明直傳鏈路質(zhì)量差，短時(shí)間內(nèi)可能不會(huì)變好，考慮采用協(xié)作方式重傳。如找不到合適中繼，則以直傳方式重傳，重傳次數(shù)超過特定值則丟棄該幀。

(2)協(xié)作中繼方式下。則首先源節(jié)點(diǎn)向選中的中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)詢問幀F(xiàn)LAG幀，來詢問中繼節(jié)點(diǎn)是否有收到ACK，這個(gè)幀只需對(duì)選中的中繼節(jié)點(diǎn)作回應(yīng)，其他節(jié)點(diǎn)退避，以防止信道沖突。如果中繼節(jié)點(diǎn)有收到ACK，則向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同的ACK，并且以后每次收到目的節(jié)點(diǎn)回的ACK后都需要再向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)相同的ACK;如果沒有收到ACK，說明原來選定的中繼節(jié)點(diǎn)不再適合協(xié)作中繼傳輸，考慮尋找其他中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重傳或直接采用直傳方式重傳。

以上兩種情況都需要再次進(jìn)行中繼選擇，這里的中繼選擇可以和一開始節(jié)點(diǎn)間建立連接的中繼選擇策略不同，這里重點(diǎn)考慮重傳成功率。具體的重傳策略不是本文的研究重點(diǎn)。

2 仿真結(jié)果與分析

2．1 仿真參數(shù)分析與設(shè)置

本文網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在以目的節(jié)點(diǎn)為圓心，半徑為100 m的圓內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)包投放速率為500 packet/s，每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸速率與傳輸距離有關(guān)，到達(dá)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間t服從泊松分布，即

式中:n為發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)。這里，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)滿負(fù)載運(yùn)行，并且數(shù)據(jù)傳輸在各個(gè)節(jié)點(diǎn)間平等分布。

本文采用對(duì)數(shù)-距離損耗模型來模擬無線信道，即

式中:n為路徑損耗指數(shù)，本文取值3;L(d0)為距離天線1 m處的路徑損耗，典型值為30 dB。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率恒定為Pt，則接收功率

接收端誤碼率與接收信噪比密切相關(guān)，當(dāng)接收端只有一路信號(hào)時(shí)，此時(shí)沒有碰撞，則接收信噪比定義為

當(dāng)有n路信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收端時(shí)，則會(huì)在接收端發(fā)生碰撞。對(duì)于每路信號(hào)來說，其能否被正確接收取決于自身SINR(信號(hào)與干擾加噪聲比)。第j路信號(hào)信干噪比定義為:

當(dāng)滿足SINRj＞SNRthreshold時(shí)，則能正確解碼。

參照文獻(xiàn)［8］，本文仿真要求接收端誤比特率達(dá)到10-5，各種調(diào)制方式及其SNRthreshold值關(guān)系如表2所示。

表2 調(diào)制方式與信噪比對(duì)照表

仿真在MATLAB上完成，數(shù)據(jù)參數(shù)如表3所示。

表3 仿真參數(shù)

2．2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2.1 飽和吞吐量［9］

網(wǎng)絡(luò)吞吐量是指在沒有幀丟失的情況下，節(jié)點(diǎn)能夠接收的最大速率。在仿真中，系統(tǒng)的吞吐量等于單位時(shí)間內(nèi)傳輸成功的有效數(shù)據(jù)單元

式中:Lt為時(shí)隙長度;L為數(shù)據(jù)包長度;Ptr為任一隨機(jī)時(shí)隙內(nèi)有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率;Ps為數(shù)據(jù)包正確發(fā)送的概率;Ts為一個(gè)數(shù)據(jù)包正確傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)間;Tc為數(shù)據(jù)包碰撞消耗的平均時(shí)間，Ts和Tc的計(jì)算都需要同時(shí)考慮協(xié)作和非協(xié)作兩種情況。

仿真時(shí)，網(wǎng)絡(luò)滿負(fù)載運(yùn)行，即任意時(shí)刻至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包等待發(fā)送，這里不考慮RTS/CTS幀的碰撞問題。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間［10］

根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，可以有不同的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間度量標(biāo)準(zhǔn)。為方便描述，本文采用一種最為常用的度量方法，即以首個(gè)節(jié)點(diǎn)耗盡能量的時(shí)刻計(jì)算網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。由于本文主要對(duì)比RCHC-MAC和CR-MAC算法的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，因此在這里不考慮直傳的情況，只考慮中繼節(jié)點(diǎn)在協(xié)作傳輸時(shí)的生存時(shí)間。以下仿真取k=40，α=0.5，則一個(gè)(11，11)的節(jié)點(diǎn)在剩余能量處于20% ～30%時(shí)直接退化為一個(gè)(11，5.5)的節(jié)點(diǎn)，其余情況同理。

2．3 仿真結(jié)果分析

圖5給出了數(shù)據(jù)包長度為1 024 byte情況下，飽和吞吐量與節(jié)點(diǎn)數(shù)目之間的關(guān)系。

由圖5可以看出，兩種協(xié)作MAC算法RCHC-MAC和CR-MAC的吞吐量明顯高于傳統(tǒng)IEEE 802.11b MAC，這是因?yàn)樵谥眰鞯退贍顩r下，協(xié)作MAC算法可以尋找高速中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作傳輸。而隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，鏈路質(zhì)量差的節(jié)點(diǎn)尋找到高速中繼節(jié)點(diǎn)的概率增大，飽和吞吐量隨之增大。

圖5 飽和吞吐量與節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系

另外，CR-MAC由于考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)剩余能量低于門限值時(shí)，高速節(jié)點(diǎn)退化為低速節(jié)點(diǎn)，鏈路質(zhì)量差的節(jié)點(diǎn)尋找到高速中繼節(jié)點(diǎn)的概率降低，因而從圖中可以看出，飽和吞吐量相比RCHC-MAC略有下降，但是差別并不明顯。

圖6給出了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間與節(jié)點(diǎn)數(shù)目之間的關(guān)系。

圖6 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間與節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系

由圖6可以看出，兩種協(xié)作MAC算法的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間都隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)越多，可選的信道條件好的中繼節(jié)點(diǎn)也就越多，單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)頻繁被選中的幾率就越低。而隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)超過一定值，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的增長開始變緩慢，再多的節(jié)點(diǎn)，只會(huì)帶來較小的性能增益，而復(fù)雜度大大增加。還可以看出，CR-MAC算法的性能要明顯優(yōu)于RCHC-MAC，例如當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)N=25時(shí)，前者的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是后者的兩倍之多，這說明考慮了剩余能量因素，對(duì)延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間有重大意義。

3 結(jié)束語

CR-MAC算法綜合考慮瞬時(shí)信道信息和節(jié)點(diǎn)剩余能量，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能略微下降的情況下，大大增加了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間;新算法無需維護(hù)中繼節(jié)點(diǎn)列表，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)資源;針對(duì)不同的直傳速率有不同的中繼選擇策略和重傳機(jī)制;動(dòng)態(tài)選擇中繼節(jié)點(diǎn)，適用于有突發(fā)業(yè)務(wù)的自組織移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

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