姚玉坤,李小勇,任 智,劉江兵

(移動通信技術重慶市重點實驗室(重慶郵電大學),重慶 400065) (*通信作者電子郵箱lixy.cqupt@gmail.com)

基于協(xié)作網(wǎng)絡編碼的高效媒體訪問控制協(xié)議

姚玉坤,李小勇*,任 智,劉江兵

(移動通信技術重慶市重點實驗室(重慶郵電大學),重慶 400065) (*通信作者電子郵箱lixy.cqupt@gmail.com)

針對Ad Hoc網(wǎng)絡中現(xiàn)有的編碼感知的協(xié)作MAC協(xié)議(NCAC-MAC)在選擇協(xié)作中繼節(jié)點時未考慮節(jié)點的傳輸能耗以及候選協(xié)作中繼節(jié)點發(fā)送的控制消息不能使其他不在彼此通信范圍內(nèi)的候選節(jié)點放棄競爭而產(chǎn)生碰撞的問題,提出一種基于協(xié)作網(wǎng)絡編碼的高效媒體訪問控制協(xié)議(HECNC-MAC)。該協(xié)議主要提出以下三個優(yōu)化思路:首先,候選協(xié)作中繼節(jié)點對其目的節(jié)點能否解碼進行解碼預判,減少參與競爭節(jié)點的同時保證其目的節(jié)點能成功解碼;其次,在選擇協(xié)作中繼節(jié)點時綜合考慮節(jié)點所需的傳輸能耗;最后,取消ETH(Eager To Help)控制消息,且目的節(jié)點通過偽廣播的方式通告確認消息。理論分析與仿真結果表明,與載波偵聽多路訪問(CSMA)、Phoenix和NCAC-MAC相比,HECNC-MAC能夠有效減少節(jié)點的能耗,降低數(shù)據(jù)包端到端時延，提高網(wǎng)絡吞吐量。

協(xié)作通信;網(wǎng)絡編碼;媒體訪問控制協(xié)議;候選協(xié)作中繼節(jié)點;傳輸能耗

0 引言

Ad Hoc網(wǎng)絡中,通過將協(xié)作通信中無線信道的廣播特性所產(chǎn)生的空間分集增益和網(wǎng)絡編碼技術相融合,能夠有效地提高網(wǎng)絡性能和鏈路的可靠性[1]。協(xié)作通信[2]是指在某個區(qū)域內(nèi),多個具備單天線的通信節(jié)點通過彼此相互協(xié)作的方式接收或轉發(fā)數(shù)據(jù),構成一種虛擬的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)無線系統(tǒng),從而實現(xiàn)在不具備多天線的情況下得到分集增益;而網(wǎng)絡編碼技術[3]是指網(wǎng)絡中的某些中間節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)先進行編碼操作,然后再將編碼后的數(shù)據(jù)轉發(fā)給下一跳或者目的節(jié)點,其能夠有效地減少網(wǎng)絡帶寬的使用,從而節(jié)省網(wǎng)絡資源。因此,將兩種技術有效地融合應用一直是近年來研究的熱點。

目前,協(xié)作通信已在媒體訪問控制(Medium Access Control, MAC)協(xié)議中得到廣泛的研究[4-6],然而,在許多協(xié)作MAC協(xié)議[7-8]中,當數(shù)據(jù)直傳沒有被目的節(jié)點正確接收時,需要協(xié)作中繼節(jié)點協(xié)助源節(jié)點轉發(fā)該數(shù)據(jù)分組,此時協(xié)作中繼節(jié)點需要競爭信道,貢獻部分帶寬,協(xié)助源節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)分組,卻不能處理自身需要發(fā)送的數(shù)據(jù),則稱此操作是中繼低效率問題[8]。因此,設計一種既能協(xié)助源節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)分組又能發(fā)送自身數(shù)據(jù)的高效協(xié)作MAC協(xié)議顯得尤為重要。為了解決上述問題,協(xié)作中繼節(jié)點需要將數(shù)據(jù)包融合且使目的節(jié)點能夠解碼該數(shù)據(jù)包,而網(wǎng)絡編碼技術恰好能夠有效地實現(xiàn)該目的。

將網(wǎng)絡編碼技術應用在協(xié)作通信中,能夠增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行?。為了保證目的節(jié)點能夠有效解碼,選擇合適的協(xié)作中繼節(jié)點是實現(xiàn)上述目的的重要條件。文獻[8]針對Ad Hoc網(wǎng)絡提出了一種基于數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)闹欣^選擇算法,該算法的核心思想為:當數(shù)據(jù)傳輸速率較大時采用編碼傳輸方式;反之,則采用數(shù)據(jù)直傳方式。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中,首先選出數(shù)據(jù)傳輸速率相對較大所對應的候選協(xié)作中繼節(jié)點,然后根據(jù)其傳輸方式相對應的數(shù)據(jù)傳輸速率,通過利用退避方式競爭成為最佳協(xié)作中繼節(jié)點,從而提高網(wǎng)絡的性能。

文獻[9]針對協(xié)作中繼節(jié)點低效率問題提出了一種Phoenix協(xié)議。該協(xié)議將網(wǎng)絡編碼技術與協(xié)作通信相結合,通過隨機退避方式選出協(xié)作中繼節(jié)點,且協(xié)作中繼節(jié)點將自身需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀與已緩存源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進行編碼,然后該協(xié)作中繼節(jié)點與其目的節(jié)點之間通過CTS/RTS(Clear To Send/Request To Send)握手機制判斷自身的目的節(jié)點能否解碼出該編碼的數(shù)據(jù)幀。若能成功解碼,則協(xié)作中繼節(jié)點將編碼包發(fā)送至其目的節(jié)點以及源節(jié)點的目的節(jié)點;若不能成功解碼,則單一地采用協(xié)作重傳方式傳輸源節(jié)點的數(shù)據(jù)分組。

文獻[10]針對無線Ad Hoc網(wǎng)絡提出了一種基于網(wǎng)絡編碼的協(xié)同MAC協(xié)議(Cooperative MAC with Network Coding for Ad hoc networks, NCCMAC),該協(xié)議將網(wǎng)絡編碼與協(xié)同機制進行融合。該機制主要考慮了協(xié)作中繼節(jié)點何時進行數(shù)據(jù)編碼傳輸,何時進行單一的協(xié)作重傳,且同樣通過CTS/RTS握手機制判斷協(xié)作中繼節(jié)點是否能進行數(shù)據(jù)的編碼傳輸。另外,該文獻分三種情況討論了協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點的所處情況,并且在二維馬爾可夫(Markov)退避模型基礎上,對多跳網(wǎng)絡中的吞吐量進行了分析。

文獻[11]針對文獻[9]中的Phoenix協(xié)議無法確定所選擇的協(xié)作中繼節(jié)點是否具有編碼機會和無法準確獲知協(xié)作中繼節(jié)點緩存區(qū)緩存的數(shù)據(jù)幀數(shù)量以及通過CTS/RTS握手機制判別是否進行數(shù)據(jù)編碼并非最優(yōu)的問題,提出了一種基于編碼感知的協(xié)作MAC協(xié)議(Network Coding Aware Cooperative MAC protocol for wireless Ad Hoc networks, NCAC-MAC)。該協(xié)議在選擇最佳協(xié)作中繼節(jié)點時綜合考慮了候選中繼的預估吞吐量、緩存區(qū)緩存數(shù)據(jù)幀的數(shù)量以及候選協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點成功解碼的概率等多種度量,同時取消了CTS/RTS握手機制,采用連接表機制評估協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點是否已經(jīng)接收到或者已擁有源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,從而判斷是否能夠成功解碼;但是該協(xié)議忽略了節(jié)點的能耗,不能有效延長網(wǎng)絡壽命。

文獻[12]在文獻[11]基礎上對編碼感知MAC協(xié)議中選擇協(xié)作中繼節(jié)點的具體操作過程進行了深入的研究,提出了兩種選擇協(xié)作中繼節(jié)點的算法(基于中繼選擇的分區(qū)算法和基于組間競爭思想的中繼選擇算法)，從而在選擇協(xié)作中繼節(jié)點的過程中能夠降低數(shù)據(jù)幀碰撞的概率,但是在基于組間競爭思想的中繼選擇算法中,由于存在不在彼此通信范圍內(nèi)的節(jié)點導致協(xié)作中繼節(jié)點選擇效率較低。

文獻[11-12]在選擇協(xié)作中繼節(jié)點的過程中考慮了網(wǎng)絡吞吐量、端到端時延和數(shù)據(jù)幀的投遞率相關性能指標,然而該NCAC-MAC協(xié)議未能將能耗[13]同時綜合考慮。因此,本文針對協(xié)作中繼節(jié)點的選擇問題,提出了一種基于協(xié)作網(wǎng)絡編碼的高效MAC協(xié)議(High Efficiency MAC protocol based on Cooperative Network Coding, HECNC-MAC)。

1 網(wǎng)絡模型和問題描述

1.1 網(wǎng)絡模型

為了便于闡述HECNC-MAC協(xié)議,給出如下定義：

定義1 候選協(xié)作中繼節(jié)點。表示既接收了源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,又接收了目的節(jié)點廣播的NACK(Negative Acknowledgment)控制消息的那些節(jié)點。

定義2 連接表。表示一個節(jié)點與其所有鄰居及其鄰居的鄰居節(jié)點的鏈路質量、距離和信道容量信息的表,且該連接表于網(wǎng)絡初始化時所構建。

定義3 偽廣播。將最佳協(xié)作中繼節(jié)點的地址添加在控制幀的確認消息(Feed Back,FB)頭部中, 然后以廣播的方式發(fā)送。該確認消息FB有三種FB0、FB1、FB2，且每種確認幀中有一個標志位，其值為0或者為1(0表示確認失敗，1表示確認成功)。

定義4 緩存概率ρb。指候選協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點已緩存源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的概率。

在協(xié)作MAC機制中采用網(wǎng)絡編碼技術,協(xié)作中繼節(jié)點能夠完成協(xié)助轉發(fā)源節(jié)點數(shù)據(jù)的同時發(fā)送自己的數(shù)據(jù)的功能。其網(wǎng)絡模型如圖1所示。

圖1 協(xié)作機制的網(wǎng)絡模型

若源節(jié)點S給其目的節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)包a,假設候選協(xié)作中繼節(jié)點A、B、C、F都能偵聽到該數(shù)據(jù)包,且所有候選協(xié)作中繼都能正確接收目的節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。若目的節(jié)點D由于信道衰落或者噪聲等影響接收到一個損壞的數(shù)據(jù)a′,當該數(shù)據(jù)幀的信噪比大于設定的閾值時,此時目的節(jié)點D將會反饋一個標志位flag為1的控制消息,協(xié)作中繼節(jié)點A(此處假設A已通過競爭且被選為協(xié)作中繼節(jié)點)就會將自己待發(fā)送的數(shù)據(jù)b與偵聽的數(shù)據(jù)a進行網(wǎng)絡編碼得到組合包F(a,b),然后發(fā)送該組合包。目的節(jié)點D接收到該組合包以后,使用一種網(wǎng)絡編碼MIMO_NC[14]進行解碼,即使存在一個損壞的數(shù)據(jù)a′,MIMO_NC依然可以根據(jù)編碼包F(a,b)和損壞數(shù)據(jù)a′進行解碼;而協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點B,收到組合包F(a,b)后根據(jù)已得到的數(shù)據(jù)a使用常規(guī)網(wǎng)絡編碼的解碼方案即可解碼。

1.2 問題描述

NCAC-MAC協(xié)議提出的無碰撞中繼選擇機制的核心思想是候選協(xié)作中繼節(jié)點首先計算各自的效用值,然后根據(jù)其效用值計算出退避時間,經(jīng)過三次退避兩次競選從而得到協(xié)作中繼節(jié)點。具體實現(xiàn)主要有以下兩個部分:

1)產(chǎn)生一個效用值整數(shù)位對應索引值取整的退避時間,從而抑制整數(shù)位較大的候選協(xié)作中繼節(jié)點,緊接著繼續(xù)產(chǎn)生一個效用值的小數(shù)位對應索引值取整的退避時間,從而抑制小數(shù)位較大的候選協(xié)作中繼節(jié)點;

2)若前兩次仍沒競選成功,則第三次產(chǎn)生一個隨機退避時間,從而最終競選出協(xié)作中繼節(jié)點,然后選擇對應的數(shù)據(jù)傳輸方式協(xié)助源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)該算法存在以下三個問題:

1)假設候選協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點與源節(jié)點S之間鏈路質量較差,該候選節(jié)點卻依然參與競爭,增加碰撞的概率,導致競選成功的效率降低。在圖1中,假設節(jié)點A的目的節(jié)點為E,而節(jié)點E緩存源節(jié)點數(shù)據(jù)的概率較低,此時節(jié)點A卻依然參與競爭;另外,即使A競選成功,節(jié)點E收到編碼包后亦不能解碼出數(shù)據(jù),從而影響整個網(wǎng)絡的吞吐量,降低了中繼效率。

2)在每次退避過程中,候選協(xié)作中繼節(jié)點會廣播發(fā)送抑制幀;且競選協(xié)作中繼節(jié)點成功后,會廣播發(fā)送ETH(Eager To Help)控制消息進行通告。然而存在不在彼此通信范圍內(nèi)的候選節(jié)點,則使得原本應該停止退避的候選節(jié)點沒有停止退避,最后導致競選協(xié)作中繼節(jié)點失敗。如圖1中,若節(jié)點A與C、F不在彼此通信范圍內(nèi),假設A先退避至0,目的節(jié)點確認后,其會發(fā)送ETH幀時,節(jié)點C、F都不能接收,當節(jié)點C或者F退避至0時,目的節(jié)點也會發(fā)送確認消息,則節(jié)點C和F也會發(fā)送ETH控制消息,從而導致競選失敗,最后只能由源節(jié)點超時重傳。

3)在計算映射為退避時間的效用值時僅考慮了緩存數(shù)據(jù)幀個數(shù)、數(shù)據(jù)幀的估計吞吐量以及協(xié)作中繼節(jié)點目的節(jié)點的解碼成功率，由于沒有考慮候選協(xié)作中繼節(jié)點發(fā)送編碼幀給目的節(jié)點所需要的傳輸?shù)哪芎?會導致選擇的協(xié)作中繼節(jié)點由于生存時間過短而重新競爭,降低了網(wǎng)絡整體的性能。

2 HECNC-MAC協(xié)議提出的優(yōu)化策略

針對NCAC-MAC協(xié)議中存在的三個問題,本文提出了HECNC-MAC協(xié)議。該協(xié)議中提出了三種優(yōu)化策略:首先，候選協(xié)作中繼節(jié)點利用緩存概率進行解碼預判,同時限制參與競爭節(jié)點的個數(shù),從而保證協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點能成功解碼;其次，在計算映射為退避時間的效用值時,同時綜合考慮節(jié)點傳輸所需能耗以及自身的剩余能量;最后，取消ETH控制消息,且目的節(jié)點使用偽廣播的方式進行協(xié)作中繼節(jié)點通告,減少信令開銷的同時解決了因存在不在彼此通信范圍內(nèi)的候選協(xié)作中繼節(jié)點導致競選失敗的問題。

2.1 協(xié)作中繼節(jié)點的解碼預判

由于協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點是否緩存了源節(jié)點S發(fā)送的數(shù)據(jù)幀直接影響到協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點能否解碼,因此緩存概率ρb的取值顯得尤為重要。為了避免選擇的協(xié)作中繼節(jié)點的緩存概率較低或者緩存概率較低的節(jié)點卻仍然參與競爭而占用信道、浪費帶寬的問題,緩存概率ρb其具體的取值如式(1)所示:

(1)

其中:D(x)表示數(shù)據(jù)幀x對應的目的節(jié)點;LQ(S,D(x))表示源節(jié)點S與數(shù)據(jù)幀x對應的目的之間的鏈路質量;LQ(S,relay)表示源節(jié)點S與候選協(xié)作中繼節(jié)點之間的鏈路質量;b表示協(xié)作中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)幀；a表示源節(jié)點S的數(shù)據(jù)幀,且鏈路質量的值通過連接表可得,其具體值由下層計算可得。當候選協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點同時也是源節(jié)點的目的節(jié)點時，ρb取值為1;當候選協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點與源節(jié)點之間鏈路質量比源節(jié)點與其自身的鏈路質量更好時，其取值為0.9;反之, 當候選協(xié)作中繼節(jié)點的目的節(jié)點與源節(jié)點之間鏈路質量比源節(jié)點與其自身的鏈路質量較差時，則其取值為0。候選協(xié)作中繼節(jié)點根據(jù)其緩存概率的取值對其目的能否解碼進行解碼預判,當其緩存概率為0時認定其目的不能解碼,則該候選協(xié)作中繼節(jié)點直接放棄競爭;反之則繼續(xù)進行效用值的計算,參與競爭。

2.2 效用值的計算

效用值表示映射為退避時間一個度量值,該值越大說明對應的協(xié)作中繼節(jié)點越能使得吞吐量更大、能耗更小,且效用值越大的候選協(xié)作中繼節(jié)點越能最先退避至0,能更快地成為協(xié)作中繼節(jié)點。首先候選協(xié)作中繼節(jié)點i計算其緩存中每個待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的效用值,然后在每個數(shù)據(jù)幀對應效用值中選擇一個最大的值作為其效用值。具體計算過程如下所示。

步驟1 計算候選協(xié)作中繼節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀給目的節(jié)點的預估能耗Ecost[15],其計算公式如式(2)所示:

Ecost=(Pb×lb)/Rb

(2)

其中:lb、Pb、Rb分別表示候選協(xié)作中繼節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀b的長度、發(fā)送功率和發(fā)送速率。

步驟2 將式(1)～(2)中得到的結果代入到式(3)中計算其效用值：

(3)

其中:ρb分別表示數(shù)據(jù)幀b的目的節(jié)點緩存源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀a的概率；Si,b表示數(shù)據(jù)幀b在鏈路中的預估吞吐量;Li表示候選協(xié)作中繼節(jié)點已經(jīng)緩存數(shù)據(jù)幀的個數(shù);Smax和Lmax表示候選協(xié)作中繼節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀在鏈路中的預估吞吐量的最大值和緩存空間能夠緩存的最大值的個數(shù);β表示權重值；Eremain表示候選協(xié)作中繼節(jié)點當前的剩余能量。

2.3 最佳協(xié)作中繼節(jié)點選擇策略

源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點,當目的節(jié)點沒有正確接收,且接收的數(shù)據(jù)幀信噪比大于給定的閾值時,目的節(jié)點會廣播發(fā)送一個標志位flag為1的NACK的控制幀,接收了源節(jié)點數(shù)據(jù)和該NACK的節(jié)點首先成為候選協(xié)作中繼節(jié)點,此時候選協(xié)作中繼節(jié)點根據(jù)其緩存概率的值決定是否放棄競爭。而最佳協(xié)作節(jié)點的選擇策略其具體步驟如下所示:

步驟1 未放棄競爭的候選協(xié)作中繼節(jié)點首先根據(jù)式(4)計算出其索引值g(g∈[0,G-1]),然后根據(jù)式(5)計算出第一次退避時間,從而進入第一次的First退避階段。

(4)

其中:Umax、Umin分別表示網(wǎng)絡中效用值的上界和下界;Ui是節(jié)點i的效用值；G是常數(shù);?x」表示向下取整。

T1(g)=g×tfb

(5)

其中:tfb表示退避的時隙,表示T1(g)候選節(jié)點需要退避的時間。

步驟2 最先退避至0的所有候選協(xié)作中繼節(jié)點廣播發(fā)送(Group Indicator, GI)抑制幀,其他偵聽到該抑制幀的節(jié)點則放棄競爭。此時目的節(jié)點接收端可能存在兩種情況:若目的節(jié)點僅僅接收一個GI抑制幀,則目的節(jié)點以偽廣播方式回復標志位為1的FB0確認幀,所有候選協(xié)作中繼節(jié)點(包括發(fā)送了GI幀和由于不在彼此通信范圍內(nèi)未偵聽到GI幀仍在退避的其他節(jié)點)收到該確認幀后,查看幀頭部中的地址,若與自身地址相同,則說明被選為協(xié)作中繼節(jié)點,此時協(xié)作中繼節(jié)點競選成功;否則說明其未被選為協(xié)作中繼節(jié)點,同時放棄競爭。若目的節(jié)點同時接收到多個GI幀,產(chǎn)生碰撞,則執(zhí)行步驟3。

步驟3 此時目的節(jié)點以偽廣播方式發(fā)送標志位為0的確認幀F(xiàn)B0,收到該確認幀且在步驟2中由于不在彼此通信范圍內(nèi)仍在退避的其他節(jié)點則停止退避,放棄競爭;而收到該確認幀且發(fā)送了GI幀的所有候選協(xié)作中繼節(jié)點則開始進入下一個Second退避階段。此時所有發(fā)送了GI幀的候選協(xié)作中繼節(jié)點根據(jù)式(6)計算出其索引值m(m∈[0,M-1]),然后根據(jù)式(7)計算出第二次退避時間:

(6)

T2(g,m)=m×tfb

(7)

步驟4 發(fā)送了GI幀且最先退避至0的候選協(xié)作中繼節(jié)點廣播發(fā)送(Member Indicator,MI)抑制幀,其他接收到該抑制幀的候選節(jié)點則放棄競爭。而目的節(jié)點接收端也存在兩種情況:若目的節(jié)點僅僅接收了一個MI抑制幀,則目的節(jié)點以偽廣播方式發(fā)送確認幀其標志位是1的FB1,通告協(xié)作中繼節(jié)點,此時協(xié)作中繼節(jié)點競選成功,而其他候選節(jié)點則放棄競爭;若此時目的節(jié)點仍同時接收了多個MI抑制幀,則執(zhí)行步驟5。

步驟5 此時說明節(jié)點的效用值非常接近,且候選協(xié)作節(jié)點相對較少,只需從中任選一個作為協(xié)作中繼節(jié)點即可。目的節(jié)點以偽廣播方式發(fā)送標志位為0的確認幀F(xiàn)B1,收到該確認幀且在步驟4中仍在退避的其他節(jié)點則停止退避,放棄競爭。而收到該確認幀且發(fā)送了MI幀的所有候選協(xié)作中繼節(jié)點,根據(jù)式(8)計算一個退避時間T3(k), 然后發(fā)送控制幀R,目的節(jié)點接收到控制消息R后,單播回復標志位為1的FB2確認消息,此時協(xié)作中繼節(jié)點競選成功;反之，若目的節(jié)點處產(chǎn)生R幀碰撞,則以概率P堅持的方式進行競爭,直至成功競選協(xié)作中繼節(jié)點為止。

T3(k)=k×tfb

(8)

其中k是隨機產(chǎn)生的數(shù)。

通過以上步驟,可成功選出協(xié)作中繼節(jié)點,此時則由協(xié)作中繼節(jié)點將數(shù)據(jù)包編碼發(fā)送。其具體的數(shù)據(jù)幀交換如圖2所示。

圖2 中繼候選節(jié)點競爭中的幀交換

3 HECNC-MAC協(xié)議性能的理論分析

為確定HECNC-MAC協(xié)議的正確性和有效性,本文對其作了詳細的理論分析,具體如下。

引理1 HECNC-MAC協(xié)議中選出協(xié)作中繼節(jié)點的時間開銷低于NCAC-MAC協(xié)議中選出協(xié)作中繼節(jié)點的時間開銷。

證明 本文選擇協(xié)作中繼節(jié)點時考慮目的節(jié)點接收的損壞數(shù)據(jù)包SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)大于閾值時協(xié)作編碼重傳的情況。為方便分析,先作出如下假設：數(shù)據(jù)幀在節(jié)點的處理時延不作考慮,且數(shù)據(jù)幀GI、MI、FB在信道上傳輸?shù)臅r間都是tframe,且假設First退避所需要的時間都是為tG,Second退避所需要的時間都是tM,隨機退避所需要的時間都是tR,幀間最小時隙是tf。

在HECNC-MAC機制中,根據(jù)圖2中數(shù)據(jù)幀交換傳輸過程,可得節(jié)點從接收NACK消息開始到成功競選為協(xié)作中繼所需要的時間開銷為:

若第一次First退避就競選成功,則其所需要的時間為:

t1=tG+tframe+tf+tframe

(9)

若第二次Second退避中才競選成功,則其所需要的時間為:

t2=t1+tM+tframe+tf+tframe

(10)

若第三次隨機退避中才競選成功,則其所需要的時間為:

t3=t2+tR+tframe+tf+tframe

(11)

綜上所訴,候選協(xié)作中繼節(jié)點確認自己為協(xié)作中繼節(jié)點的平均時間開銷為:

(12)

而原協(xié)議NCAC-MAC中候選協(xié)作中繼成功競選為協(xié)作中繼節(jié)點所需要的時間為:

若在Second退避后就競選成功,則需要時間為:

t1′=tG+tframe+tM+tframe+tf+tframe+tf+tframe

(13)

若在隨機退避才競選成功,則需要時間為:

t1′=tG+tframe+tM+tframe+tf+tframe+tR+tframe+

tf+tframe+tf+tframe

(14)

綜上,候選協(xié)作中繼節(jié)點確認自己為協(xié)作中繼節(jié)點的平均時間開銷為:

(15)

從式(12)和(15)可以得出,改進協(xié)議中無需發(fā)送ETH的控制時間開銷,且NCAC-MAC協(xié)議中未考慮存在候選協(xié)作中節(jié)點不在彼此通信范圍內(nèi)導致競選失敗，進一步增大時延開銷的情況，因此可得前者時間開銷t明顯小于后者時間開銷t′。

證畢。

引理2 HECNC-MAC協(xié)議中網(wǎng)絡平均吞吐量高于NCAC-MAC協(xié)議中網(wǎng)絡平均吞吐量。

證明 假設網(wǎng)絡中有N個源節(jié)點且發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的大小都為M,定義網(wǎng)絡中的平均吞吐量可以看成在直傳失敗的情況下目的節(jié)點接收總的數(shù)據(jù)幀與節(jié)點之間平均端到端時延之比。而在協(xié)作中繼節(jié)點經(jīng)過網(wǎng)絡編碼操作后,目的節(jié)點收到的數(shù)據(jù)幀大小為2M。故網(wǎng)絡的平均吞吐量S如式(16)所示：

(16)

其中:T表示候選協(xié)作中繼節(jié)點從開始參與競爭到成功競選為協(xié)作中繼節(jié)點的時間t或t′與協(xié)作中繼節(jié)點將編碼數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目的節(jié)點所需要傳輸時延的時間之和。由引理1可得,改進方案中競選時延t小于原方案所需時延t′,兩方案中數(shù)據(jù)的傳輸時延相等,因此可得改進方案中所需總的時間開銷T相對更小,所以可以得出優(yōu)化方案的吞吐量高于原算法的吞吐量。

證畢。

4 仿真實驗及結果分析

使用OPNET 14.5軟件對網(wǎng)絡建模并搭建仿真平臺,在相同的仿真場景下、相同的時間內(nèi)分別對網(wǎng)絡平均端到端時延、網(wǎng)絡平均吞吐量和節(jié)點的能耗等方面對提出的HECNC-MAC協(xié)議與CSMA、Phoenix和NCAC-MAC協(xié)議進行性能對比和分析。

4.1 仿真環(huán)境及參數(shù)設置

在300 m×300 m的正方形區(qū)域構建由35個節(jié)點組成的單跳無線網(wǎng)絡場景,其網(wǎng)絡節(jié)點移動性較小即處于相對靜止,且節(jié)點以泊松分布發(fā)送數(shù)據(jù)幀。仿真實驗中使用的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設定

4.2 仿真結果與分析

1)端到端平均時延。

如圖3所示,端到端平均時延隨著每秒發(fā)送數(shù)據(jù)包的增加而增加,最后趨于穩(wěn)定。但是,HECNC-MAC協(xié)議的端到端平均時延明顯低于CSMA、 Phoenix 和NCAC-MAC協(xié)議的平均時延。主要原因在于CSMA協(xié)議在選擇協(xié)作中繼節(jié)點時,由于隨機接入導致的碰撞;Phoenix協(xié)議選擇協(xié)作中繼節(jié)點存在碰撞的概率相對較大,且其通過CTS/RTS握手機制判斷協(xié)作中繼節(jié)點是否能進行編碼操作,帶來了一定的時間開銷;而NCAC-MAC協(xié)議中,由于存在候選節(jié)點不在彼此通信范圍內(nèi)導致的競選失敗而重新競爭的問題,且即使競選成功,協(xié)作中繼節(jié)點需要廣播ETH控制消息,需要額外的時間開銷;而 HECNC-MAC協(xié)議中取消了ETH控制消息,減少了參與競選的候選節(jié)點,且使目的節(jié)點以偽廣播的方式避免了不在彼此通信范圍內(nèi)導致的競選失敗的問題,從而減少了時間開銷。

圖3 網(wǎng)絡時延對比

2)網(wǎng)絡平均吞吐量。

圖4為網(wǎng)絡的平均吞吐量隨負載的變化的曲線。從圖4可以發(fā)現(xiàn),隨著負載的增加,網(wǎng)絡的平均吞吐量隨著增加,最后趨于穩(wěn)定;且HECNC-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡平均吞吐量明顯高于CSMA、 Phoenix 和NCAC-MAC協(xié)議的平均吞吐量。主要原因在于CSMA協(xié)議中在選擇協(xié)作中繼節(jié)點時,未使用網(wǎng)絡編碼技術;而Phoenix協(xié)議中使用CTS/RTS握手機制導致了額外的時間開銷;NCAC-MAC協(xié)議中在選擇協(xié)作中繼節(jié)點時考慮了吞吐量以及緩存區(qū)隊列長度的影響,且解決了是否編碼的問題,故其吞吐量相對前兩者較高;而HECNC-MAC協(xié)議在選擇協(xié)作中繼節(jié)點時,先利用緩存概率的值進行解碼預判,不僅保證了目的節(jié)點能成功解碼,而且提高了成功競選協(xié)作中繼節(jié)點的效率,同時無需發(fā)送冗余信令ETH,從而大大的提升了網(wǎng)絡的吞吐量。

圖4 網(wǎng)絡平均吞吐量對比

3)網(wǎng)絡平均傳輸能耗。

圖5為網(wǎng)絡中單位比特能量消耗隨發(fā)包速率的變化的曲線。由圖5可知,當節(jié)點發(fā)包速率不斷增加,其能耗也不斷增加,最后趨于穩(wěn)定。而CSMA協(xié)議中存在拐點的主要原因是由于競爭過程中不公平所導致,其他三種協(xié)議存在拐點主要是因為有大量數(shù)據(jù)幀的編碼重傳。另外,從圖5可以發(fā)現(xiàn),HECNC-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡平均能耗明顯低于CSMA、 Phoenix 和NCAC-MAC協(xié)議的能耗。其主要原因在于HECNC-MAC協(xié)議在計算效用值時綜合考慮了節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)所需的能耗,使得在協(xié)作中繼節(jié)點協(xié)作編碼傳輸時,優(yōu)先考慮傳輸能耗較小的候選協(xié)作中繼節(jié)點,從而相對另外三種機制減少了數(shù)據(jù)單位比特流所需要的能耗。

圖5 網(wǎng)絡能耗對比

5 結語

本文針對NCAC-MAC協(xié)議中的組間競爭機制不能有效避免由于候選協(xié)作中繼節(jié)點不在彼此通信范圍內(nèi)導致數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生碰撞和選擇最佳協(xié)作中繼節(jié)點時未考慮節(jié)點傳輸所需能耗以及參與競選協(xié)作中繼節(jié)點的候選節(jié)點過多導致數(shù)據(jù)傳輸效率較低等問題,提出了一種基于協(xié)作網(wǎng)絡編碼的高效MAC協(xié)議(HECNC-MAC)。該協(xié)議在中繼選擇的過程中將節(jié)點傳輸能耗、預估吞吐量、節(jié)點緩存占用率等多種度量有效地結合,選出了編碼協(xié)作重傳的最佳協(xié)作中繼節(jié)點。理論分析和實驗仿真結果表明,與CSMA、 Phoenix和NCAC-MAC協(xié)議相比,HECNC-MAC協(xié)議能夠有效地增大網(wǎng)絡吞吐量、減小時延并最大化地降低網(wǎng)絡傳輸平均能耗,但是該協(xié)議只是針對單跳網(wǎng)絡進行了分析與驗證,未來將考慮在多跳網(wǎng)絡中進行進一步的研究。

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Highefficiencymediumaccesscontrolprotocolbasedoncooperativenetworkcoding

YAO Yukun, LI Xiaoyong*, REN Zhi, LIU Jiangbing

(KeyLaboratoryofMobileCommunicationTechnology,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

The transmission energy consumption of nodes does not be considered in the exiting Network Coding Aware Cooperative MAC (NCAC-MAC) protocol for Ad Hoc Network, and the control message sent by the candidate cooperative relay node can not make the other candidate nodes which are not in the communication range give up competition, thus causing collision. To deal with those problems, a high efficiency Medium Access Control (MAC) protocol based on cooperative network coding High Efficiency MAC protocol based on Cooperative Network Coding (HECNC-MAC) was proposed. Three optimization schemes were carried out by the protocol. Firstly, candidate cooperative relay node need to prejudge whether the destionation can decode the packet, so as to reduce the number of competitive relay nodes and ensure that the destination node could be successfully decoded. Secondly, the transmission energy consumption of nodes should be synthetically considered when selecting the cooperative relay node. Finally, the Eager To Help (ETH) message is canceled, and the destination node sents conformation message through pseudo-broadcast. Theoretical analysis and simulation results show that in the comparison experiments with Carrier Sense Multiple Access (CSMA), Phoenix and NCAC-MAC protocols, the transmission energy consumption of nodes and the end-to-end delay of date packages can be effectively reduced, and the network throughput can be improved by HECNC-MAC.

cooperative communication; network coding; Medium Access Control (MAC) protocol; candidate cooperative relay node; transmission energy consumption

2017- 04- 18;

2017- 07- 03。

重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2015jcyjBX0085)。

姚玉坤(1964—),女,重慶人,教授,碩士,主要研究方向:寬帶自組織網(wǎng)絡、網(wǎng)絡編碼; 李小勇(1992—),男,湖北荊州人,碩士研究生,主要研究方向:網(wǎng)絡編碼、媒體訪問控制協(xié)議; 任智(1971—),男,四川內(nèi)江人,教授,博士,主要研究方向:寬帶自組織網(wǎng)、無線通信;劉江兵(1989—),男,重慶人,碩士研究生,主要研究方向:無線自組織網(wǎng)絡路由算法。

1001- 9081(2017)10- 2748- 06

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.10.2748

TP393

A

This work is partially supported by the Foundation and Frontier Research Project of Chongqing (cstc2015jcyjBX0085).

YAOYukun, born in 1964, M. S., professor. Her research interests include broadband self-organizing network, network code.

LIXiaoyong, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include network code, medium access control protocol.

RENZhi, born in 1971, Ph. D., professor. His research interests include broadband self-organizing network, wireless communication.

LIUJiangbing, born in 1989, M. S. candidate. His research interests include wireless Ad Hoc network routing algorithm.