姜宇嘉， 李旭， 邵小桃，孫晨華， 李國(guó)彥

(1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100044； 2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 石家莊 050081)

無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸保障機(jī)制性能分析

姜宇嘉1，2， 李旭1，2， 邵小桃1，2，孫晨華1，2， 李國(guó)彥1，2

(1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100044； 2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 石家莊 050081)

無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)通過(guò)多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸，容易造成同一路徑上節(jié)點(diǎn)間干擾、路徑與路徑間干擾、多跳誤碼累積等問(wèn)題，使可靠性保障成為多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y點(diǎn)。針對(duì)目前無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下綜合考慮機(jī)制參數(shù)、業(yè)務(wù)參數(shù)與信道參數(shù)的可靠性機(jī)制性能研究不足的問(wèn)題，建立上述參數(shù)的相關(guān)機(jī)制模型，分析基本參數(shù)對(duì)冗余、重傳、網(wǎng)絡(luò)編碼3種多跳可靠性機(jī)制性能的影響。重點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制的適用參數(shù)與適用環(huán)境進(jìn)行建模、仿真、分析。根據(jù)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)信道環(huán)境優(yōu)化3種可靠性機(jī)制的機(jī)制參數(shù)，對(duì)比三者在不同環(huán)境下的性能。仿真結(jié)果表明：業(yè)務(wù)參數(shù)主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制的影響較大，在業(yè)務(wù)量大的情況下網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制能夠達(dá)到更優(yōu)的性能；機(jī)制參數(shù)對(duì)協(xié)議的性能產(chǎn)生主要影響，通過(guò)信道參數(shù)對(duì)機(jī)制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化能夠保證各機(jī)制在滿足投遞率性能的條件下達(dá)到更小的開銷；網(wǎng)絡(luò)編碼、混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳、前向糾錯(cuò)編碼機(jī)制分別在誤比特率較低、中等、偏高的水平發(fā)揮更優(yōu)的性能。

通信技術(shù)； 無(wú)線通信； 多跳； 可靠性； 網(wǎng)絡(luò)編碼

0 引言

無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)由多個(gè)無(wú)線收發(fā)設(shè)備組成，設(shè)備能夠自適應(yīng)地構(gòu)建無(wú)中心的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[1]。由于其組網(wǎng)快速、靈活、抗毀性強(qiáng)的特點(diǎn)，常被應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、臨時(shí)通信等環(huán)境[2]。通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到更廣的覆蓋范圍，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多也帶來(lái)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詳_與互擾。因此，如何在存在干擾的情況下進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸一直是無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)。

現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可靠性機(jī)制按照其原理可分為冗余機(jī)制、重傳機(jī)制、超時(shí)機(jī)制、確認(rèn)機(jī)制等。前向糾錯(cuò)(FEC)編碼是典型的冗余機(jī)制，F(xiàn)EC編碼的冗余部分允許接收方檢測(cè)并糾正可能出現(xiàn)在信息任何地方的有限個(gè)差錯(cuò)，且無(wú)需重傳[3]?；旌献詣?dòng)請(qǐng)求重傳(HARQ)中融入了冗余、重傳、超時(shí)與確認(rèn)機(jī)制，僅通過(guò)添加少量的冗余校驗(yàn)碼進(jìn)行檢錯(cuò)與糾錯(cuò)，對(duì)不能進(jìn)行糾正的錯(cuò)碼包通過(guò)請(qǐng)求重傳的方式進(jìn)行彌補(bǔ)，在一定程度上增大了時(shí)延，但每個(gè)數(shù)據(jù)包無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的編碼操作。網(wǎng)絡(luò)編碼(NC)是一種以降低吞吐量為目的被提出的通信傳輸策略，通過(guò)源節(jié)點(diǎn)設(shè)定冗余包個(gè)數(shù)，利用中繼節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包按照是否能夠正確譯碼分類存儲(chǔ)，不能譯碼的數(shù)據(jù)包結(jié)合已經(jīng)正確解碼進(jìn)行聯(lián)合譯碼，從而提高數(shù)據(jù)包的利用率與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

上述機(jī)制具有各自的優(yōu)勢(shì)，但在多跳網(wǎng)絡(luò)中也存在諸多問(wèn)題。

在多跳環(huán)境中，如采用FEC作為可靠性機(jī)制，為使數(shù)據(jù)包在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)信道狀況最差的一跳正確傳輸，需要根據(jù)最高誤比特率進(jìn)行冗余設(shè)定。在這種情況下，由于不是每一跳都需要糾正如此高的誤碼，將會(huì)造成不必要的編碼冗余開銷。此外，鏈路誤比特率不均會(huì)容易造成多跳鏈路中某一跳或多跳反復(fù)重傳，致使自動(dòng)請(qǐng)求重傳機(jī)制消耗大量資源。NC雖然能夠通過(guò)補(bǔ)充發(fā)包對(duì)壞損的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，數(shù)據(jù)包利用率高，但隨著跳數(shù)的增加，受信道條件影響，NC包的譯碼成功率必會(huì)下降，其需要更多的冗余包以彌補(bǔ)譯碼失敗，產(chǎn)生更多的資源消耗。

針對(duì)上述3種機(jī)制存在的機(jī)制性能問(wèn)題，現(xiàn)有的研究方向主要有基于信道估計(jì)的自適應(yīng)碼率調(diào)整算法、基于編碼方式改進(jìn)的編碼算法、基于場(chǎng)景的性能分析與機(jī)制策略改進(jìn)等。但其中綜合考慮機(jī)制參數(shù)、業(yè)務(wù)參數(shù)、信道參數(shù)與跳數(shù)的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)性能分析較少，缺乏不同多跳場(chǎng)景下機(jī)制性能分析與比較，不能為無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)實(shí)際可靠性機(jī)制選擇、優(yōu)化與設(shè)計(jì)提供參考。

在機(jī)制參數(shù)研究方面，文獻(xiàn)[4]針對(duì)FEC冗余機(jī)制需要根據(jù)信道狀況得出當(dāng)前情況下最優(yōu)的碼率需求，提出在線碼率自適應(yīng)算法，通過(guò)接收消息的信噪比計(jì)算最適的FEC碼率。該種算法能夠根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸情況進(jìn)行相應(yīng)的FEC碼率調(diào)整，使FEC能夠針對(duì)不同信道條件添加最少的冗余，但其在優(yōu)化了FEC自身冗余開銷的同時(shí)由于需要接收端提供相應(yīng)的信噪比反饋，增加了不必要的時(shí)間、空間資源消耗。大部分關(guān)于FEC的研究均為編碼矩陣的改進(jìn)[5-6]，雖然改進(jìn)后的FEC編碼能夠達(dá)到更好的性能，但是對(duì)于多跳場(chǎng)景是否適用尚需要進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[7]研究了不同調(diào)制方式與最大重傳次數(shù)下HARQ機(jī)制的吞吐量，得出HARQ機(jī)制適用的最佳調(diào)制方式與最大重傳次數(shù)，但該文僅對(duì)吞吐量進(jìn)行了分析，沒(méi)有考慮相關(guān)機(jī)制的資源消耗，且缺乏對(duì)多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的分析。此外，由于多點(diǎn)協(xié)作的方式能夠利用非業(yè)務(wù)路徑上的其他節(jié)點(diǎn)接收到的消息進(jìn)行分集進(jìn)而提高數(shù)據(jù)包投遞率，很多文獻(xiàn)[8-12]對(duì)協(xié)作HARQ進(jìn)行研究，其研究重點(diǎn)在于主用戶和二級(jí)用戶間的交互過(guò)程，而沒(méi)有考慮由HARQ自身機(jī)制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。文獻(xiàn)[13]則提出了一種基于多路徑路由的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼策略，通過(guò)調(diào)整發(fā)送包組的大小與冗余包的個(gè)數(shù)權(quán)衡了網(wǎng)絡(luò)編碼可靠性與時(shí)延的性能，但是缺乏針對(duì)多跳場(chǎng)景的分析與設(shè)計(jì)。

在業(yè)務(wù)參數(shù)方面，文獻(xiàn)[14]采用能量自適應(yīng)，通過(guò)限定節(jié)點(diǎn)的能量消耗均衡網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載，以延長(zhǎng)鏈路生存時(shí)間滿足可靠性要求，是一種從鏈路間業(yè)務(wù)量角度出發(fā)改善傳輸質(zhì)量的優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[15]同樣對(duì)業(yè)務(wù)參數(shù)進(jìn)行研究，采用馬爾可夫鏈對(duì)HARQ包受業(yè)務(wù)場(chǎng)景影響的性能進(jìn)行分析，得出包的投遞率受包的到達(dá)率約束的結(jié)論。這兩種方法均缺乏對(duì)多跳網(wǎng)絡(luò)性能的分析，且沒(méi)有考慮信道干擾造成的數(shù)據(jù)傳輸不可靠，僅在業(yè)務(wù)壓力大時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分流或限流。

在信道參數(shù)方面，基于物理層的研究較多。文獻(xiàn)[16]基于多輸入多輸出技術(shù)，通過(guò)獲取多天線發(fā)送消息的時(shí)延分布構(gòu)造利于當(dāng)前傳輸?shù)淖顑?yōu)信道，使信道長(zhǎng)度與多輸入多輸出系統(tǒng)配置適應(yīng)當(dāng)前傳輸。文獻(xiàn)[16]對(duì)信道條件惡劣的情況進(jìn)行了規(guī)避，沒(méi)有具體分析信道對(duì)機(jī)制性能的影響。文獻(xiàn)[17-18]的研究基于基站與兩個(gè)用戶端分別相連的簡(jiǎn)單拓?fù)鋱?chǎng)景，對(duì)不同信干比與不同復(fù)用增益下的網(wǎng)絡(luò)編碼可靠性機(jī)制中斷概率和分集增益進(jìn)行分析。但由于場(chǎng)景較為單一，缺乏在無(wú)線多跳場(chǎng)景下的適用性。

在多跳性能分析方面，文獻(xiàn)[19]在給定丟包率的情況下，對(duì)單奇偶校驗(yàn)FEC的單跳和多跳性能進(jìn)行了對(duì)比，但缺乏對(duì)跳數(shù)與冗余的關(guān)系進(jìn)行分析。很多文獻(xiàn)都側(cè)重于協(xié)議層面的可靠性研究，而非可靠性機(jī)制，如路由協(xié)議[20-22]、MAC層協(xié)議[23-24]等。因此，無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性機(jī)制性能仍具較大的研究?jī)r(jià)值。

綜上所述，雖然目前對(duì)可靠性機(jī)制的研究仍在不斷發(fā)展，但缺乏針對(duì)多跳場(chǎng)景機(jī)制參數(shù)、業(yè)務(wù)參數(shù)、信道參數(shù)與可靠性性能的研究，如何根據(jù)多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境確定適用的機(jī)制，怎樣量化機(jī)制參數(shù)、業(yè)務(wù)參數(shù)、信道參數(shù)以反映其在各機(jī)制多跳性能中的影響，仍有待進(jìn)一步研究。因此，本文針對(duì)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)不同信道環(huán)境下FEC機(jī)制、HARQ機(jī)制、NC機(jī)制進(jìn)行建模，量化了3類基本參數(shù)與資源消耗的關(guān)系，并對(duì)不同參數(shù)條件下的機(jī)制性能進(jìn)行分析，確定了在多跳傳輸中機(jī)制的適用條件，為無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的可靠性機(jī)制設(shè)計(jì)提供參考。

1 可靠性性能建模分析

機(jī)制參數(shù)、業(yè)務(wù)參數(shù)與信道參數(shù)是影響機(jī)制可靠性性能的本質(zhì)因素，針對(duì)各機(jī)制性能進(jìn)行建?？梢詫⒂绊懺撔阅艿膮?shù)抽象到相關(guān)性能表達(dá)式中，為后續(xù)比較與仿真奠定基礎(chǔ)。考慮到機(jī)制在各種無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的普適性，本文選擇現(xiàn)有無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)冗余、重傳機(jī)制中較為常用的FEC機(jī)制、HARQ機(jī)制及當(dāng)前研究熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制進(jìn)行性能研究。而分組碼能夠?qū)⑿畔⑿蛄蟹纸M后再進(jìn)行單獨(dú)編碼，本組中的碼元與其他各組信息無(wú)關(guān)，不會(huì)受到由鄰居碼元譯碼錯(cuò)誤產(chǎn)生的影響；選擇重傳式HARQ相比于停等式與后退N步能夠節(jié)省資源消耗。因此，在這兩種機(jī)制的子類中，本文分別選擇分組碼與選擇重傳作為研究重點(diǎn)。

根據(jù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中機(jī)制、業(yè)務(wù)、信道參數(shù)的量化標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)不同機(jī)制特性將FEC糾錯(cuò)位數(shù)、HARQ最大傳輸次數(shù)、NC冗余包個(gè)數(shù)作為機(jī)制參數(shù)，數(shù)據(jù)包達(dá)到率、包長(zhǎng)作為業(yè)務(wù)參數(shù)，由于本文基于機(jī)制層面不進(jìn)行硬件優(yōu)化，因此僅用誤比特率作為信道參數(shù)反映信道情況。

1.1 開銷性能模型分析

(1)

或

(2)

式中：n,k,t∈Z+；構(gòu)建碼字滿足約束條件d0≥t+1.

λτlk·(n-k)λτl+λτlk·(n-k)

(3)

設(shè)HARQ最大重傳次數(shù)為f. 考慮將HARQ作為重傳機(jī)制的代表，因此僅添加少量校驗(yàn)碼使HARQ能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)包的檢錯(cuò)以回復(fù)重傳請(qǐng)求。否定應(yīng)答(NACK)消息的開銷為L(zhǎng)NACK. 由于NACK消息僅需要攜帶未能成功接收包的序列號(hào)，因此將NACK消息記為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包首部大小，則一次成功發(fā)送的開銷LHARQ，s為校驗(yàn)碼開銷。若采用奇偶校驗(yàn)進(jìn)行校正，則

(4)

一次失敗時(shí)的開銷記為NACK消息、重傳包與校驗(yàn)碼的總和，為

(5)

第i跳前j-1次均投遞失敗，第j次投遞成功的概率為

Pj(Pbi)=(1-(1-Pbi)l)j-1·(1-Pbi)l.

(6)

第j次投遞成功的開銷為

LHARQ，sj=(j-1)LHARQ，f+LHARQ，s，

(7)

則第i跳單個(gè)業(yè)務(wù)包的HARQ平均開銷為

(8)

h跳總開銷為

(9)

式中：h,f∈Ζ+；i=1,2,…,h；j=1,2,…,f.

在NC可靠性機(jī)制中，每個(gè)業(yè)務(wù)包被拆為多個(gè)分片，源節(jié)點(diǎn)對(duì)各數(shù)據(jù)包的分片進(jìn)行隨機(jī)組合，拼接為碼片包。不同碼片包中碼片之間的線性關(guān)系由有限域大小q決定，q越大，碼片越趨于線性，重復(fù)的碼片越少，對(duì)數(shù)據(jù)成功譯碼的貢獻(xiàn)越大。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為λτ個(gè)時(shí)，如果q滿足使每一個(gè)碼片都呈線性關(guān)系且鏈路不存在誤碼，則接收端只需要收到λτ個(gè)碼片包即可保證全部數(shù)據(jù)包正確接收。為了彌補(bǔ)由信道誤碼帶來(lái)的數(shù)據(jù)損毀，通常不將q設(shè)置過(guò)大，人為地使碼片包中存在一定的重復(fù)碼片，保證當(dāng)某個(gè)碼片包中的碼片受到誤碼影響時(shí)，可以通過(guò)另一個(gè)碼片包中的相同碼片進(jìn)行譯碼，此時(shí)接收端需要收到大于λτ個(gè)包才能進(jìn)行解碼。

設(shè)冗余包個(gè)數(shù)為nr，發(fā)包總數(shù)為N=λτ+nr. 則NC的開銷為

(10)

式中：λτ「lbq?為編碼開銷，與待發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)有關(guān)，單位是bit.

1.2 投遞率模型分析

FEC只要一個(gè)分組出錯(cuò)，整個(gè)數(shù)據(jù)包就會(huì)出錯(cuò)，當(dāng)?shù)趇跳信道誤比特率為Pbi(i=1，2，…，h)時(shí)，單跳分組出錯(cuò)的概率為1-(1-Pbi)n. 當(dāng)能夠糾正t=nPt位錯(cuò)碼時(shí)，第i跳數(shù)據(jù)包投遞率為

(11)

當(dāng)跳數(shù)為h時(shí)，多跳場(chǎng)景下FEC的投遞率為

(12)

第i跳HARQ的數(shù)據(jù)包投遞率為

(13)

當(dāng)跳數(shù)為h時(shí)，多跳場(chǎng)景下HARQ的投遞率為

(14)

NC存在錯(cuò)碼的碼片包能夠結(jié)合已經(jīng)譯碼成功的碼片進(jìn)行再次譯碼，因此NC某時(shí)刻的數(shù)據(jù)包成功解碼概率與當(dāng)前時(shí)刻接收到的碼片包個(gè)數(shù)有關(guān)。設(shè)某一時(shí)刻接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為np，則第i跳單個(gè)包接收成功概率為

(15)

接收到np個(gè)包的概率為

(16)

分組解碼概率為

(17)

單跳投遞率為收到np個(gè)包的情況下能夠成功解碼的概率，因此第i跳的包投遞率為

(18)

當(dāng)跳數(shù)為h時(shí)，接收到np個(gè)包的概率為

(19)

投遞率公式為

(20)

2 可靠性性能仿真分析

2.1 單跳場(chǎng)景基本參數(shù)與機(jī)制性能的關(guān)系

按照標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP數(shù)據(jù)包信息元長(zhǎng)度約為1 000 Byte，計(jì)算NACK長(zhǎng)度為其首部長(zhǎng)度20 Byte. 即l=8 000 bit，LNACK=160 bit，設(shè)n=800 bit，則冗余機(jī)制一個(gè)數(shù)據(jù)包需要分為10個(gè)分組發(fā)送。

由于機(jī)制參數(shù)隨不同機(jī)制而變化，且FEC糾錯(cuò)位數(shù)、HARQ重傳次數(shù)、NC冗余包個(gè)數(shù)3種機(jī)制參數(shù)均可以轉(zhuǎn)換為開銷，為了便于對(duì)比分析，本文仿真首先對(duì)3種機(jī)制參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，信道誤比特率Pb=10-4時(shí)仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 Pb=10-4時(shí)相關(guān)參數(shù)與開銷的仿真結(jié)果Fig.1 Simulated results for Pb=10-4

圖1為信道誤比特率為10-4量級(jí)時(shí)，相關(guān)參數(shù)與開銷的仿真結(jié)果。對(duì)于業(yè)務(wù)參數(shù)而言，由于本文開銷為開銷占全部發(fā)送消息的比例，因此在FEC機(jī)制與HARQ機(jī)制的仿真中，機(jī)制開銷與業(yè)務(wù)參數(shù)固定時(shí)間內(nèi)包到達(dá)的個(gè)數(shù)λτ無(wú)關(guān)。而網(wǎng)絡(luò)編碼需要根據(jù)固定時(shí)間內(nèi)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)與信道誤比特率來(lái)確定冗余包的數(shù)量，當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)量較多時(shí)冗余包所占比例相對(duì)較小，網(wǎng)絡(luò)編碼能夠更好地體現(xiàn)其開銷的性能優(yōu)勢(shì)。

機(jī)制參數(shù)對(duì)資源開銷的影響較大。其中FEC機(jī)制由于只需要在每個(gè)包中添加少量的冗余，而不需要進(jìn)行整個(gè)包的傳輸，因此開銷所占比例較低。當(dāng)糾錯(cuò)位數(shù)增大時(shí)，為了表示更多的錯(cuò)碼可能性則需要添加更多的冗余。由圖1(a)可知，當(dāng)FEC機(jī)制的糾錯(cuò)位數(shù)在10以內(nèi)時(shí)其糾錯(cuò)位數(shù)與開銷基本呈線性關(guān)系。HARQ與NC機(jī)制都需要發(fā)送整個(gè)的數(shù)據(jù)包以彌補(bǔ)誤碼，因此開銷所占比重較大。其中HARQ重傳次數(shù)越多開銷越大，在信道誤比特率Pb=10-4時(shí)，雖然最大傳輸次數(shù)較小時(shí)可以達(dá)到較小的開銷，但是不能確定是否能夠同時(shí)滿足投遞率要求，隨著最大傳輸次數(shù)的增大，將會(huì)達(dá)到HARQ的最大傳輸次數(shù)臨界值，此閾值能夠滿足數(shù)據(jù)包投遞率，將不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)閾值的重傳，因此開銷趨于平穩(wěn)。

進(jìn)行投遞率仿真驗(yàn)證時(shí)，當(dāng)傳送話音業(yè)務(wù)速率為11.4 kbit/s時(shí)，以時(shí)長(zhǎng)τ=60 s的話音業(yè)務(wù)為例，單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)包到達(dá)率為λ=1.425個(gè)/s，λτ=85.5個(gè)，因此將λτ=85個(gè)作為業(yè)務(wù)參數(shù)進(jìn)行仿真。

由圖2可知，當(dāng)信道參數(shù)Pb=10-4時(shí)3種可靠性機(jī)制的性能狀況。

圖2 Pb=10-4時(shí)可靠性機(jī)制開銷與投遞率的關(guān)系Fig.2 Relationship between overhead and PDR for Pb=10-4

由于FEC至少糾正1位錯(cuò)碼，HARQ需要校驗(yàn)位，NC至少冗余1個(gè)數(shù)據(jù)包。因此，三者存在一定的開銷下限，分別為0.5%、7%、8.38%. 為了滿足投遞率的要求，F(xiàn)EC、HARQ、NC 3種機(jī)制分別通過(guò)增加糾錯(cuò)位數(shù)、提高最大傳輸次數(shù)、增大冗余包數(shù)對(duì)誤碼進(jìn)行彌補(bǔ)。如圖2所示，當(dāng)Pb=10-4時(shí)，由于有限域q的限制，NC不能保證每一個(gè)編碼包之間均為線性關(guān)系，其需要付出多個(gè)冗余包的代價(jià)才能對(duì)整個(gè)包組進(jìn)行正確譯碼。FEC只需要糾正2位誤碼即可保證達(dá)到投遞率水平，但由于2位誤碼是單個(gè)數(shù)據(jù)包的最大誤碼數(shù)，雖然部分?jǐn)?shù)據(jù)包的誤比特?cái)?shù)小于2位，但仍然進(jìn)行了2位糾正，造成了不必要的冗余與更大的消耗。HARQ能夠根據(jù)接收端反饋的信息進(jìn)行按需重傳，無(wú)錯(cuò)不進(jìn)行重傳。因此在Pb=10-4時(shí)，HARQ能夠通過(guò)適當(dāng)增大最大傳輸次數(shù)，在付出更小的開銷同時(shí)達(dá)到更高的傳輸可靠性。

將信道參數(shù)改為Pb=10-3與Pb=10-5時(shí)，能夠得出信道條件不同情況下可靠性機(jī)制的性能，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 Pb=10-3時(shí)可靠性機(jī)制開銷與投遞率的關(guān)系Fig.3 Relationship between overhead and PDR for Pb=10-3

圖4 Pb=10-5時(shí)可靠性機(jī)制開銷與投遞率的關(guān)系Fig.4 Relationship between overhead and PDR for Pb=10-5

由圖3所示，當(dāng)信道誤比特率Pb=10-3時(shí)，由于投遞率下降，HARQ需要重傳多次才能達(dá)到投遞率要求。NC由于惡劣的信道條件，在開銷比例低于25%的情況下不能正確進(jìn)行包的解碼。而FEC通過(guò)增加糾錯(cuò)位數(shù)，在糾錯(cuò)位數(shù)為3時(shí)即可滿足投遞率指標(biāo)，能夠在保證可靠性的情況下消耗更小的開銷。

圖4為信道誤比特率Pb=10-5時(shí)3種可靠性機(jī)制的性能狀況，當(dāng)誤比特率較低時(shí)，由于誤碼的降低，F(xiàn)EC不需要過(guò)多的冗余糾錯(cuò)，HARQ僅需要極少的重傳，NC能夠在發(fā)送較少冗余包的情況保證正確譯碼。但由于開銷下限的存在，NC能夠在滿足較高投遞率的同時(shí)更小的開銷。

2.2 多跳場(chǎng)景與性能的關(guān)系

由2.1節(jié)結(jié)果，設(shè)定多跳仿真參數(shù)如表1所示。

表1 多跳仿真參數(shù)表

多跳仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 Pbimax=10-3時(shí)可靠性機(jī)制投遞率隨跳數(shù)變化的情況Fig.5 Effect of hop count on PDR for Pbimax=10-3

圖6 Pbimax=10-4時(shí)可靠性機(jī)制投遞率隨跳數(shù)變化的情況Fig.6 Effect of hop count on PDR for Pbimax=10-4

圖7 Pbimax=10-5時(shí)可靠性機(jī)制投遞率隨跳數(shù)變化的情況Fig.7 Effect of hop count on PDR for Pbimax=10-5

圖5～圖7為相應(yīng)機(jī)制最優(yōu)化參數(shù)后的多跳仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，當(dāng)跳數(shù)增加時(shí)，多跳將會(huì)導(dǎo)致可靠性機(jī)制的性能下降。FEC機(jī)制需要根據(jù)Pbimax進(jìn)行糾錯(cuò)位數(shù)的設(shè)定，但由于單跳鏈路條件不同，針對(duì)Pbimax的糾錯(cuò)位數(shù)設(shè)定不適用于每跳鏈路，Pbi的波動(dòng)范圍越大產(chǎn)生的冗余越多。HARQ機(jī)制在誤比特率較大的鏈路引起的重傳次數(shù)較多，但在誤比特率較小的鏈路不會(huì)造成多次重傳，因此其總開銷主要取決于信道質(zhì)量最差一跳的重傳量。NC機(jī)制的正確譯碼是以正確接收為基礎(chǔ)的，隨著信道質(zhì)量的下降，其性能下降劇烈，不宜用于信噪比低、誤比特率高的環(huán)境。

3 結(jié)論

本文面向無(wú)線多跳場(chǎng)景，對(duì)FEC、HARQ、NC 3種可靠性機(jī)制的單跳、多跳性能進(jìn)行建模分析，得到了3種可靠性機(jī)制機(jī)制參數(shù)、業(yè)務(wù)參數(shù)、信道參數(shù)與開銷、跳數(shù)、投遞率性能的關(guān)系。仿真結(jié)果對(duì)比可得出以下結(jié)論：

1) 業(yè)務(wù)參數(shù)如數(shù)據(jù)包到達(dá)率及業(yè)務(wù)保持時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制的影響較大，而對(duì)冗余機(jī)制與重傳機(jī)制的影響較小。業(yè)務(wù)包數(shù)量越大，NC機(jī)制所消耗的開銷比例越小。

2) 機(jī)制參數(shù)對(duì)機(jī)制性能的影響體現(xiàn)在開銷和投遞率兩方面。通過(guò)增加FEC機(jī)制的糾錯(cuò)位數(shù)、HARQ的最大傳輸次數(shù)、NC的冗余包個(gè)數(shù)能夠看出，提高單位開銷時(shí)HARQ的投遞率，性能提升更快。

3) 可靠性機(jī)制的選擇主要取決于信道參數(shù)。當(dāng)信道誤比特率較高時(shí)(Pb≥10-3)，HARQ機(jī)制將會(huì)進(jìn)行反復(fù)重傳從而消耗大量資源，而NC則需要大量的冗余包來(lái)彌補(bǔ)不能糾錯(cuò)的缺陷，此時(shí)FEC雖然需要比例較高的冗余，但其性能仍優(yōu)于HARQ與NC，糾錯(cuò)比特?cái)?shù)設(shè)定為3時(shí)能夠在滿足投遞率的條件下達(dá)到相對(duì)較低的開銷；當(dāng)誤比特率介于中值時(shí)(10-3

References)

[1] Biagioni E,Giordano S. Ad Hoc and sensor networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2014, 52(7): 140.

[2] Kumagai S, Higaki H. Performance evaluation of probabilistic next-hop selection in intermittent wireless multihop sensor networks[C]∥Proceedings of World Symposium on Computer Applications & Research. Cairo, Eygpt: IEEE Computer Society, 2016: 87-92.

[3] 汪洋溢, 田議. DVB-S2和ABS-S標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析[J]. 信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2016(3): 42-45.

WANG Yang-yi, TIAN Yi. Comparative analysis of DVB-S2 and ABS-S standards[J]. Information Technology & Standardization, 2016(3): 42-45. (in Chinese)

[4] Zhu C, Huo Y, Zhang B. Adaptive truncated HARQ aided layered video streaming relying on inter-layer FEC coding[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(3):1506-1521.

[5] Wang H, Wei S, Zhou X. A FEC-based packet loss recovery scheme using RS codes built by improved Vandermonde matrices[C]∥Proceedings of the 2016 International Conference on Advanced Mechatronic Systems. Melbourne, Australia: IEEE, 2016: 340-343.

[6] Wu J, Cheng B, Wang M. Priority-aware FEC coding for high-definition mobile video delivery using TCP[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2017, 16(4): 1090-1106.

[7] Nguyen C T, Mai V V, Pham A T. TCP over free-space optical links with ARQ and AMC: a cross-layer performance analysis[C]∥Proceedings of 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications. Hanoi，Vietnam: IEEE, 2016: 80-84.

[8] Elazzouni S, Ercetin O, El-Keyi A. Full-duplex cooperative cognitive radio networks[C]∥Proceedings of International Symposium on Modeling and Optimization in Mobile. Mumbai， India: IEEE, 2015: 475-482.

[9] Hu Y, Gross J, Schmeink A. QoS-constrained energy efficiency of cooperative ARQ in multiple DF relay systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(2): 848-859.

[10] Michelusi N, Popovski P, Zorzi M. Optimal cognitive access and packet selection under a primary ARQ process via chain decoding[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2016, 62(12): 7324-7357.

[11] Gao Y N, Yang T, Hu B. Improving the transmission reliability in smart factory through spatial diversity with ARQ[C]∥ 2016 IEEE/CIC International Conference on Communications. Chengdu, China: IEEE, 2016.

[12] 肖博, 習(xí)勇, 韓君妹，等. 基于HARQ協(xié)議的多跳中繼網(wǎng)絡(luò)能量效率的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2017, 39(1): 9-15.

XIAO Bo, XI Yong, HAN Jun-mei,et al. Cross-layer optimization design of energy efficiency in HARQ based multihop relay networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2017, 39(1):9-15. (in Chinese)

[13] Hu P, Song X. An adaptive strategy for network coding based reliability transmission mechanism[C]∥International Conference on Computing. Hefei, China: IEEE, 2014:1-5.

[14] Han J, Xi Y, Wei J. Spectral efficient optimisation for multihop relay networks adopting HARQ schemes[J]. Electronics Letters, 2017, 53(5): 358-360.

[15] Xu D J, Yang C C, Yao Y. Performance analysis of bursty service in relay systems with ARQ protocol[C]∥International Conference on Wireless Communications & Signal Processing. Yangzhou, China: IEEE, 2016: 1-5.

[16] Mohamed M, Majdi B, Salem H. Reliability of the channel estimation for the wireless communication systems[C]∥2nd World Symposium on Web Applications and Networking. Sousse, Tunisia: IEEE, 2015:1-7.

[17] Zhu J. Exploiting opportunistic network coding for improving wireless reliability against co-channel interference[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2016, 12(5):1692-1701.

[18] Wang P, Mao G Q, Lin Z H. Reliability-constrained broadcast using network coding without feedback[C]∥Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Istanbul, Turkey: IEEE, 2014:2839-2844.

[19] Pregizer F Birk M, Schussel M. Forward error correction for data dissemination in MANET[C]∥The 4th IEEE International Conference on Consumer Electronics. Berlin, Germany: IEEE, 2014: 495-499.

[20] Subramanian P, Logashanmugam E. Steadfast routing for increasing reliability in multihop wireless sensor networks[J]. International Journal of Applied Engineering Research, 2014, 9(23):23345-23358.

[21] Mahmoud M M E A, Lin X D, Shen X M. Secure and reliable routing protocols for heterogeneous multihop wireless networks[J]. IEEE Transactions on Parallel & Distributed Systems, 2015, 26(4):1140-1153.

[22] Zeng K, Yang J, Lou W J. On energy efficiency of geographic opportunistic routing in lossy multihop wireless networks[J]. Wireless Networks, 2012, 18(8):967-983.

[23] Campolo C, Casetti C, Chiasserini C F, et al. A multirate MAC protocol for reliable multicast in multihop wireless networks[J]. Computer Networks: the International Journal of Computer & Telecommunications Networking, 2012, 56(5):1554-1567.

[24] Mortimer T, Harms J. A MAC protocol for multihop RP-CDMA ad hoc wireless networks[C]∥ IEEE International Conference on Communications. Sydney, Australia: IEEE, 2012:424-429.

ResearchonReliableTransmissionMechanisminWirelessMulti-hopNetworks

JIANG Yu-jia1,2， LI Xu1,2， SHAO Xiao-tao1,2，SUN Chen-hua1,2, LI Guo-yan1,2

(1.School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044，China; 2.Science and Technology on Communication Networks Laboratory, Shijiazhuang 050081, Hebei, China)

The transmissions of information in wireless multi-hop network with multiple relay nodes may easily cause inter- and intra-path interference and bit error accumulation. The reliability-guaranteed mechanism for multi-hop data transmission has been the keystone of research. In the light of the lack of recent research on the performance of reliability mechanism, in which mechanism parameters, business parameters and channel parameters are overall considered, the models of packet delivery ratio and overhead are established, and the influences of basic parameters on the performance of three multi-hop reliability mechanisms, including redundant transmission, retransmission and network coding, are analyzed. The applicable parameters and environment of network coding mechanism are modeled, simulated and analyzed. According to the wireless multi-hop network channel environment, the mechanism parameters of three reliability mechanisms are optimized, and their performances in different environments are compared. Simulated results show that the business parameters have greater impact on the network coding mechanism, and the network coding mechanism can achieve better performance in the case of large traffic. The mechanism parameters have the most significant impact on protocol performance. The target delivery rate performance with smaller overhead can be achieved by optimizing the mechanism parameters according to the channel parameters. Network coding, hybrid automatic repeat request and forward error correction coding schemes have better performances at lower, middle and higher bit error rates.

communication technology; wireless communication; multi-hop; reliability; network coding

TN926+.3

A

1000-1093(2017)11-2151-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.010

2017-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371068)； 通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(KX162600033)

姜宇嘉(1993—), 女, 碩士研究生。 E-mail: 15120011@bjtu.edu.cn

李旭(1970—), 女, 教授, 博士生導(dǎo)師。 E-mail: xli@bjtu.edu.cn