邱樹偉，曹 蓉，侯衛(wèi)彪

(1.汕頭職業(yè)技術學院 計算機系，廣東 汕頭 515000；2.汕頭職業(yè)技術學院 自然科學系， 廣東 汕頭 515000；3.汕頭職業(yè)技術學院 現(xiàn)代教育技術中心，廣東 汕頭 515000)

0 引 言

射頻供能無線傳感器網(wǎng)絡(radio frequency powered wireless sensor network，RFP-WSN)由沒有配備電池的無源傳感器節(jié)點組成，節(jié)點通過環(huán)境中泛在的射頻(radio frequency，RF)信號捕獲能量，有效地解決了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network，WSN)中節(jié)點能量受限的問題[1,2]。RFP-WSN節(jié)點運行所需的能量來自于電視塔、蜂窩基站或Wi-Fi等通信設施所發(fā)射的RF信號，能量捕獲功率極低，文獻[3]指出，RFP-WSN節(jié)點從RF信號中捕獲能量的功率通常只有μW級。在能量捕獲功率如此之極的情況下，節(jié)點用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β室搽S之降低，這會導致無線鏈路的誤碼率(bit error rate，BER)增加。而且，由于無線鏈路時常會受到周圍電磁信號的干擾，無線鏈路的質(zhì)量極不穩(wěn)定。因此，設計一種能充分考慮鏈路質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸策略以提高無線鏈路的吞吐率是十分重要的。這是本文的研究動機所在。

在基于IEEE 802.11標準的無線域局網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)[4]和基于IEEE 802.15.4標準的無線個域網(wǎng)(wireless personal area network，WPAN)[5]中，自動請求重傳機制(automatic repeat request mechanism，ARQM)被廣泛采用。ARQM的主要不足在于：只要接收方接收到的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)比特錯，發(fā)送方就需要重傳整個數(shù)據(jù)包，直到接收方正確收到數(shù)據(jù)包或重傳次數(shù)達到上限為止。誠然，在鏈路質(zhì)量較好時，ARQM能很好地工作，但是，在鏈路質(zhì)量較差的情況下，頻繁的比特錯會觸發(fā)頻繁的數(shù)據(jù)包重傳，這不僅會浪費帶寬，而且會增加收發(fā)雙方的傳輸能耗和傳輸時延。

為了克服ARQM的不足，文獻[6,7]提出基于網(wǎng)絡編碼的數(shù)據(jù)傳輸方案，文獻[6,7]將一組數(shù)據(jù)包進行編碼，生成一組編碼包，接收方一旦收到固定數(shù)量的編碼包就能解碼并恢復原始的數(shù)據(jù)包。文獻[8]利用Reed-Solomon編碼，將節(jié)點的能耗、數(shù)據(jù)收集率、數(shù)據(jù)收集時延以及數(shù)據(jù)包的編碼方案整合為一個優(yōu)化問題，通過求解該優(yōu)化問題，節(jié)點能夠設置最優(yōu)的數(shù)據(jù)包編碼和重傳參數(shù)。文獻[9]提出了累積正確數(shù)據(jù)塊(gathering error-free block，GEB)傳輸方案，GEB先將數(shù)據(jù)包進行分塊，然后發(fā)送給接收方，接收方僅接收那些正確的數(shù)據(jù)塊并丟棄發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)塊，隨后，發(fā)送方重傳整個數(shù)據(jù)包，接著，接收方在重傳的數(shù)據(jù)包中接收另一批正確的數(shù)據(jù)塊，如此反復，直到所累積的正確數(shù)據(jù)塊能夠重組回原數(shù)據(jù)包為止。除了上述方案[6-9]之外，基于塊確認的數(shù)據(jù)分片方案(data fragmentation scheme with block ACK，DFSBA)也有助于提高帶寬利用率，在DFSBA中，節(jié)點先將數(shù)據(jù)包進行分片，再對每個分片單獨加上首部和尾部，形成小數(shù)據(jù)包，然后將這些小數(shù)據(jù)包逐個傳輸給接收方，接收方收到這些小數(shù)據(jù)包之后，向發(fā)送方回復一個確認(acknowledgement，ACK)。接收方在ACK中指明哪些小數(shù)據(jù)包出錯，發(fā)送方在收到ACK之后，僅重傳那些出錯的小數(shù)據(jù)包。

以上成果在一定程度上解決了ARQM存在的問題，然而，這些方案并沒有考慮無線鏈路質(zhì)量呈動態(tài)變化的特性，不能很好地適用于RFP-WSN。為了提高RFP-WSN中無線鏈路的吞吐率，本文提出一種鏈路質(zhì)量感知的數(shù)據(jù)傳輸策略(link quality aware data transmission strategy，LQADTS)，該策略能根據(jù)當前的鏈路質(zhì)量進行傳輸機制自動切換：當鏈路質(zhì)量較好時，節(jié)點采用ARQM；當鏈路質(zhì)量較差時，節(jié)點自動切換為分塊重傳機制(blocking retransmission mechanism，BRM)。

1 LQADTS策略

現(xiàn)考慮RFP-WSN中任意兩個互為鄰居的節(jié)點S和R，S表示發(fā)送方，R表示接收方，以表示S和R之間的無線鏈路。RFP-WSN有一個RF供能點，不妨稱之為供能基站(power supply base station，PSBS)，如前所述，它可以是電視塔、蜂窩基站或Wi-Fi接入點等通信設施。RFP-WSN節(jié)點有“能量捕獲(休眠)”和“傳輸(醒來)”這兩種狀態(tài)。首先，S和R從PSBS所發(fā)射的RF信號中捕獲能量，當S和R所捕獲的能量足夠用于傳輸時，S開始向R傳輸數(shù)據(jù)，傳輸結(jié)束之后，S和R再次進入“能量捕獲(休眠)”狀態(tài)中。

1.1 ARQM和BRM

在LQADTS中，節(jié)點有ARQM和BRM兩種數(shù)據(jù)傳輸機制可供選擇，其中，BRM是對GEB[9]的改進。GEB每次重傳時所傳輸?shù)氖钦麄€數(shù)據(jù)包，而BRM每次重傳時，數(shù)據(jù)包的有效載荷中僅包含上次傳輸中出錯的數(shù)據(jù)塊。值得一提的是，當數(shù)據(jù)包首部出錯時，BRM也需要重傳整個數(shù)據(jù)包，因為首部出錯會導致整個數(shù)據(jù)包無法被接收方正確識別和處理。

ARQM的主要過程如下：S發(fā)送數(shù)據(jù)包給R，發(fā)送結(jié)束后啟動重傳計時器。若R正確接收到數(shù)據(jù)包，立即向S回復一個ACK以確認數(shù)據(jù)包收到。若數(shù)據(jù)包出現(xiàn)比特錯，則R什么也不做。那么，S會在重傳計時器超時之后立即重傳數(shù)據(jù)包，若重傳次數(shù)達到事先所設定的最大重傳次數(shù)，S停止發(fā)送當前數(shù)據(jù)包。ARQM的數(shù)據(jù)包格式如圖1所示。

圖1 ARQM的數(shù)據(jù)包格式

圖1中，首部包含“源地址”和“目的地址”等控制信息，尾部是幀校檢序列(frame check sequence，F(xiàn)CS)，用于校檢數(shù)據(jù)包是否出錯。

BRM的主要過程如下：S先將數(shù)據(jù)包的有效載荷劃分為n塊，每個塊中包含數(shù)據(jù)和塊校驗序列(block check sequence，BCS)兩個部分，BCS用于校驗數(shù)據(jù)塊是否出錯。BRM的數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。圖2中，首部和尾部與圖1相同，HCS(header check sequence)是頭部校驗序列，D1，D2,…,Dn和B1,B2,…,Bn分別表示n個數(shù)據(jù)和n個BCS。接著，S將數(shù)據(jù)包發(fā)送給R，R接收到數(shù)據(jù)包之后，先采用尾部中的FCS對數(shù)據(jù)包進行校驗，若正確，則向S回復一個ACK；若存在比特錯，則先采用HCS對首部進行校驗，若首部出錯，則什么也不做，等待S重傳；若首部正確，則依次采用B1,B2,…,Bn對數(shù)據(jù)塊1，數(shù)據(jù)塊2，…，數(shù)據(jù)塊n進行校驗，找出發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)塊，然后向S回復一個負確認(negative acknowledgement，NACK)以告知S哪些數(shù)據(jù)塊出錯。隨后，S向R重傳一個其有效載荷中僅包含出錯數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)包。如此反復，直到R成功收到n個數(shù)據(jù)塊或重傳次數(shù)達到上限為止。

圖2 BRM的數(shù)據(jù)包格式

1.2 LQADTS策略的操作流程

通過對比ARQM和BRM不難看出，在數(shù)據(jù)包首部正確的前提下，BRM每次僅重傳那些出錯的數(shù)據(jù)塊，降低了能耗和時延，但增加了HCS和Bi(i=1,2,…,n)等額外開銷，降低了數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)包中除去頭部、尾部以及校驗序列等開銷之后剩余的部分)率(effective data ratio，EDR)。而ARQM每次重傳整個數(shù)據(jù)包，增加了能耗和時延，但它沒有額外開銷，EDR較高。那么，我們可以在鏈路質(zhì)量較好(無需頻繁重傳)時，采用ARQM；在鏈路質(zhì)量較差(需要頻繁重傳)時，則采用BRM。

基于以上考慮，我們需要在數(shù)據(jù)包首部中開辟一個字段，用于指明本次傳輸采用的是ARQM還是BRM。根據(jù)IEEE 802.15.4標準，數(shù)據(jù)包首部中有3個二進制位是保留位，可以將這3個保留位定義為(transmission mechanism，TM)字段，并規(guī)定，當TM=000時，表示鏈路中收發(fā)雙方采用ARQM；當TM=111時，表示鏈路中收發(fā)雙方采用BRM。

要讓節(jié)點在ARQM和BRM之間進行切換，最為關鍵的問題在于如何讓節(jié)點感知當前的鏈路質(zhì)量，即TM字段何時設為000何時設為111。為了解決這個問題，我們給出了求解BRM中最優(yōu)分塊個數(shù)的優(yōu)化問題OP_n，以n*表示OP_n的解，根據(jù)n*的值，可以實現(xiàn)節(jié)點對鏈路質(zhì)量的感知，詳見2.4節(jié)分析。

至此，可得到LQADTS的操作流程如下：

S的操作流程：

步驟1 從RF信號中捕獲能量，持續(xù)時間為Th；

步驟2 求解OP_n得到數(shù)據(jù)包的最優(yōu)分塊個數(shù)n*；

步驟3 判斷n*是否等于1，若n*等于1，則將TM字段置為000，按圖1的格式生成數(shù)據(jù)包，采用ARQM傳輸數(shù)據(jù)；若n*大于1，則將TM字段置為111，按圖2的格式生成數(shù)據(jù)包，采用BRM傳輸數(shù)據(jù)；

步驟4 結(jié)束。

R的操作流程：

步驟1 從RF信號中捕獲能量，持續(xù)時間為Th；

步驟2 接收來自S的數(shù)據(jù)包，檢查數(shù)據(jù)包首部中TM字段的值，若TM=000，按ARQM接收并處理數(shù)據(jù)包；若TM=111，按BRM接收并處理數(shù)據(jù)包;

步驟3 結(jié)束。

在上述流程的步驟1中，能量捕獲時間Th由2.1節(jié)中式(3)所確定。

為了得到優(yōu)化問題OP_n，需要先對節(jié)點的能量捕獲時間、BRM中傳輸一個數(shù)據(jù)包的成功概率、平均時延等進行數(shù)學建模與分析。

2 數(shù)學模型

2.1 節(jié)點的能量捕獲時間

在鏈路中，節(jié)點S和R的能量捕獲時間對該鏈路的吞吐率有著重要的影響。以Ph表示節(jié)點的能量捕獲功率，由Friss傳輸方程[10]可知

(1)

其中，Gs和Gr分別表示PSBS和節(jié)點的天線增益，λ是電磁波的波長，Plost是路徑功率損耗，d是節(jié)點與PSBS之間的距離，Ps是PSBS的發(fā)送功率，μ是RF信號轉(zhuǎn)換為電能的效率系數(shù)。

以e0表示節(jié)點的初始能量，以eth表示節(jié)點運行的能量閾值(只有當S和R這兩個節(jié)點的剩余能量均大于或等于eth時，S才開始傳輸數(shù)據(jù))。以τ表示節(jié)點從初始能量e0開始捕獲能量直至其剩余能量達到eth所持續(xù)的時間，利用式(1)可得

τ=(eth-e0)/Ph

(2)

由式(1)可知，節(jié)點的能量捕獲功率與距離d有關，當S和R與PSBS的距離不同時，它們各自的能量捕獲時間是不同的。以τS和τR分別表示S和R的能量捕獲時間，那么，從S和R開始捕獲能量的時刻起直至它們的剩余能量均大于或等于eth所持續(xù)的時間為

Th=max{τS,τR}

(3)

2.2 數(shù)據(jù)包傳輸成功的概率

在BRM中，數(shù)據(jù)包是先分塊再傳輸?shù)?。以l表示每個數(shù)據(jù)塊的長度(單位為bit)，由圖2可知

(4)

其中，LPacket表示數(shù)據(jù)包的總長度，LHead表示首部的長度，LHCS表示頭部校驗序列的長度，LFCS表示尾部的長度。

為了便于描述，下文中以字符H表示首部和HCS。以b表示鏈路的誤碼率，那么，S傳輸一個數(shù)據(jù)包給R時，H傳輸成功的概率q以及每個數(shù)據(jù)塊傳輸成功的概率p分別為

q=(1-b)LHead+LHCS

(5)

p=(1-b)l

(6)

下面，推導節(jié)點第k次傳輸成功的概率，k=1,2,…,K，K表示最大傳輸次數(shù)(即第1次傳輸加上最大重傳次數(shù))。值得注意的是，在BRM中，位于數(shù)據(jù)包尾部的FCS僅起到校驗作用，F(xiàn)CS本身是否出錯，并不會影響到數(shù)據(jù)塊是否出錯(如1.1節(jié)所述，若FCS校驗出錯，BRM會進一步采用HCS和BCS校驗數(shù)據(jù)包首部和各數(shù)據(jù)塊是否出錯，若首部和各數(shù)據(jù)塊均正確，則數(shù)據(jù)包正確)，這一點與ARQM是截然不同的。因此，在推導數(shù)據(jù)包傳輸成功概率的過程中，不需要考慮數(shù)據(jù)包尾部的FCS。

設隨機事件Bkx=“第k次傳輸H+x個數(shù)據(jù)塊成功”，x=1,2,3,…,n；Dkx=“第k次傳輸H成功但有x個數(shù)據(jù)塊失敗”；Hk=“第k次傳輸H失敗”。

以Pk(x)表示節(jié)點第k次傳輸H+x個數(shù)據(jù)塊成功的概率。

首先，推導第1次傳輸成功的概率。由于第1次傳輸時，數(shù)據(jù)包中包含n個數(shù)據(jù)塊，易知，第1次傳輸成功的概率為

P1(n)=P(B1n)=qpn

(7)

接著，推導第2次傳輸成功的概率。

第2次傳輸成功有兩種情況：

第一種情況是“第1次H失敗，第2次成功”，即事件H1B2n發(fā)生。在這種情況下，有

P(H1B2n)=P(H1)P(B2nH1)=
(1-q)qpn=(1-q)P1(n)

(8)

第二種情況是“第1次H成功但有x個數(shù)據(jù)塊失敗，x=1,2,…,n，第2次成功”，即事件D11B21∪D12B22∪D13B23∪…∪D1nB2n發(fā)生。在這種情況下，有

(9)

(10)

…

(11)

綜合以上兩種情況，可得到第2次傳輸成功的概率為

(12)

以此類推，可得到第k次傳輸成功的概率為

(13)

結(jié)合式(7)和式(13)，可得到求解Pk(x)的遞歸式如下

(14)

易知，節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)包成功的概率為

(15)

2.3 數(shù)據(jù)包的平均傳輸時延和鏈路的吞吐率

由BRM可知，節(jié)點第1次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長度為(LHead+LHCS+nl+LFCS)，第2次及第2次之后的每一次傳輸可能的數(shù)據(jù)包長度分別為(LHead+LHCS+l+LFCS),(LHead+LHCS+2l+LFCS),…,(LHead+LHCS+nl+LFCS)，且傳輸這些長度的數(shù)據(jù)包均有相對應的概率。將這些長度與其對應的概率相乘，再累加起來，可求得每一次傳輸?shù)钠骄?期望)比特數(shù)。以Ek(x)表示節(jié)點第k次傳輸長度為(LHead+LHCS+l+LFCS),(LHead+LHCS+2l+LFCS),…,(LHead+LHCS+xl+LFCS)的數(shù)據(jù)包及其對應概率的乘積的累加，x=1,2,…,n。與式(14)的推導過程類似，可得到Ek(x)的遞歸式如下

(16)

(18)

以M表示S向R傳輸數(shù)據(jù)包的總個數(shù)，則鏈路中的吞吐率為

(19)

其中，LBCS表示BCS的長度。

2.4 分塊個數(shù)的優(yōu)化和LQADTS策略

由式(19)可以看出，分塊個數(shù)n的選取對吞吐率有重要的影響。結(jié)合圖2我們也可以看到，當n較小時，每個數(shù)據(jù)塊較長，有效數(shù)據(jù)增加，冗余開銷減少，但重傳的能耗和時延也會增加；反之，當n較大時，每個數(shù)據(jù)塊較短，有效數(shù)據(jù)降低，冗余開銷增加，但重傳的能耗和時延會降低。那么，我們可以通過優(yōu)化n的選取，使得鏈路的吞吐率最大。于是，得到優(yōu)化問題OP_n如下

(20)

式中：nmin和nmax分別表示分塊個數(shù)的下界和上界，nmin和nmax的取值見第3節(jié)分析。通過求解式(20)可得到數(shù)據(jù)包分塊個數(shù)的最優(yōu)值n*，當n*=1時，說明在當前鏈路環(huán)境下，數(shù)據(jù)包分為1塊吞吐率最大，此時鏈路質(zhì)量較好，由圖2我們注意到，當數(shù)據(jù)包僅分為1塊時，相比于圖1，它增加了HCS和B1這兩部分的開銷，而實際上，在數(shù)據(jù)包僅分為1塊的情況下，HCS和B1是沒有必要的，因此，可設置數(shù)據(jù)包頭部中TM字段為000，采用ARQM進行傳輸；當n*>1時，說明當前鏈路質(zhì)量較差，需要將數(shù)據(jù)包分為2塊以上(含2塊)才能使吞吐率最大，那么，可設置TM字段為111，采用BRM進行傳輸。求解式(20)的方法詳見第3節(jié)。

3 實驗與性能分析

為了驗證LQADTS的性能，采用MATLAB R2012b進行仿真實驗，參數(shù)設置見表1。

表1 仿真參數(shù)

此外，在式(20)中，取nmin=1，同時，為了保證數(shù)據(jù)包的傳輸效率，我們令每個數(shù)據(jù)塊的長度不小于LHead+LHCS，可得到nmax的計算公式如下

(21)

根據(jù)表1的參數(shù)值，可求得nmax=11。即在式(20)中，n∈[1,11]，可通過枚舉法求解最優(yōu)分塊個數(shù)n*。

我們將LQADTS與GEB和DFSBA進行比較。在實驗中，分別設置鏈路的誤碼率BER=1000-1,2000-1,3000-1,4000-1,5000-1。S和R與PSBS之間的距離在5 m至15 m之間隨機選取，S向R傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個數(shù)M=5000，節(jié)點接收或發(fā)送1比特數(shù)據(jù)的能耗為10 nJ。以上實驗重復做500次并對實驗結(jié)果取平均值。

實驗中，我們分別對比了鏈路的吞吐率、有效數(shù)據(jù)率和收發(fā)雙方的能耗等性能指標。其中，吞吐率=R接收到的有效數(shù)據(jù)的總比特數(shù)/(能量捕獲時間+數(shù)據(jù)包傳輸總時延)，有效數(shù)據(jù)率=R接收到的有效數(shù)據(jù)的總比特數(shù)/S向R發(fā)送的總比特數(shù)。實驗結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 吞吐率對比

圖4 有效數(shù)據(jù)率對比

圖5 能耗對比

從圖3～圖5可以看出，LQADTS在吞吐率、EDR和能耗等方面均優(yōu)于GEB和DFSBA。主要原因是LQADTS能根據(jù)鏈路的質(zhì)量在ARQM和RBM之間進行切換，在信道質(zhì)量較好時，采用ARQM能確保數(shù)據(jù)包中的EDR較高，而在信道質(zhì)量不好時，采用BRM則能夠確保在重傳數(shù)據(jù)包時，僅重傳出錯的數(shù)據(jù)塊，降低能耗和時延。雖然GEB和DSFSBA也對數(shù)據(jù)包進行分塊，但GEB在數(shù)據(jù)包出錯時重傳的是整個數(shù)據(jù)包，而DFSBA在對數(shù)據(jù)包進行分片之后為每個分片單獨加上首部和尾部形成小數(shù)據(jù)包，雖然小數(shù)據(jù)包的傳輸成功率較高，但增加了額外的首部和尾部開銷，降低了EDR且增加了能耗和時延，最為關鍵的是，GEB和DFSBA均采用固定的數(shù)據(jù)傳輸機制，缺乏對動態(tài)鏈路質(zhì)量的有效支持。

總之，LQADTS克服了GEB和DFSBA存在的不足，能明顯提高RFP-WSN中無線鏈路的性能。

4 結(jié)束語

RFP-WSN利用環(huán)境中泛在的RF信號為節(jié)點供電，解決了傳統(tǒng)WSN中節(jié)點需要更換電池的難題，然而，RFP-WSN節(jié)點從RF信號中捕獲能量的功率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β蕵O低，無線鏈路誤碼率高且容易受到干擾，鏈路質(zhì)量呈現(xiàn)動態(tài)變化。為了高效利用RF能量，提高無線鏈路的吞吐率，本文提出了鏈路質(zhì)量感知的數(shù)據(jù)傳輸策略LQADTS，該策略能夠根據(jù)當前無線鏈路的質(zhì)量進行數(shù)據(jù)傳輸機制自動切換。實驗結(jié)果表明，LQADTS的性能優(yōu)于GEB和DFSBA，說明LQADTS是行之有效的。

從文中我們也可以看到，RFP-WSN無線鏈路的吞吐率與節(jié)點的能量捕獲時間有著密切的關系，如何根據(jù)環(huán)境中的RF能量捕獲條件對能量捕獲時間進行優(yōu)化，將是進一步努力的方向。