辛苗

摘 要：為了提高工業(yè)無線ad-hoc多跳網絡中數據傳輸的可靠性，針對復雜的工業(yè)環(huán)境和惡劣的射頻環(huán)境，運用了鏈路質量信息反饋和合適的差錯控制方法，建立了動態(tài)分解與合并報文機制，在兼顧網絡能量和帶寬效率的前提下，提高相鄰節(jié)點間的報文傳輸可靠性，提出了高可靠性的MAC協議設計方案，即HR-CSMA/CA協議。實驗仿真結果表明，HR-CSMA/CA協議與競爭下的CSMA/CA協議相比，在高可靠性方面有明顯的提高，同時也提高了網絡的吞吐量和能量利用率。

關鍵詞：高可靠性;跨層設計;鏈路質量;差錯控制;能量利用率

0 前言

近年來，隨著無線網絡在工業(yè)領域的廣泛應用，這使得無線ad-hoc網絡得到了飛速的發(fā)展。然而，面對著復雜的工業(yè)環(huán)境和惡劣的射頻環(huán)境，如工業(yè)監(jiān)控應用中，大型器械、管道等對射頻信號的反射、衍射產生的多徑效應，以及裝備運轉時產生的電磁噪聲干擾等，都會嚴重影響射頻信號的正確接收。這也極大地影響了工業(yè)無線ad-hoc網絡的數據傳輸的可靠性的提高。工業(yè)環(huán)境下，如果數據傳輸的可靠性得不到保障，那么不僅會消耗節(jié)點的大部分能量和減少網絡的壽命，而且還會降低無線ad-hoc網絡的吞吐量。這將嚴重地影響數據報文可靠性的提高。同時，在工業(yè)環(huán)境下，在均衡吞吐量和能量利用率的情況下，我們也越來越關心數據傳輸的可靠性問題。因此，為了滿足工業(yè)無線ad-hoc網絡數據傳輸的可靠性要求，我們提出了無線ad-hoc網絡的數據傳輸高可靠性的MAC協議設計方案。

為了改善和提高無線網絡的可靠性，許多研究學者采用了許多的研究方法和思路對無線網絡中各層的可靠性進行研究。例如，Subodh Pudasaini[1]等人為了在基于CSMA的分布式網絡中建立規(guī)模性的廣播傳輸方式，運用了馬爾科夫鏈模型，提出了均衡吞吐量和可靠性的MAC協議設計方案。Xiaomin Ma[2]為了改善和提高移動ad-hoc網絡的實時的單跳廣播的可靠性和整體性能，提出了一維和二維的廣播分析模型。Nakjung Choi[3]等人利用了SRM和PARF手段來提高無線網絡下的多播的多媒體流的可靠性和速率自適應性。此外，Zvi Rosberg[4]等人在無線傳感器網絡中，通過均衡數據傳輸的可靠性和能量消耗，提出了結合節(jié)能數據可靠傳輸eESRT協議傳輸協議和ARQ協議的設計方案，以達到節(jié)能和減少端到端的延時的目的。于此同時，與傳統的嚴格的單層設計方案相比，跨層優(yōu)化設計方案漸漸地顯露出優(yōu)勢，也獲得了廣泛地應用。Shusen Yang[5]等人在異構的移動ad-hoc網絡提出了基于MAC層和路由層的跨層設計框架，運用了H-MANETs和雙通信信道的MAC協議，解決了鏈路的異步問題，提高了異構網絡的可靠性和整體性能。為了提高無線傳感器網絡的能量利用率和數據傳輸的可靠性，提出了一種安全的能量和數據傳輸的意識的數據收集SERA協議[6]。此外，Hermann Simon Lichte[7]等人為了提高無線網絡的可靠性和吞吐量，提出了自動的合作的MAC協議。司偉生[8]等人在無線ad-hoc網絡中，利用忙音去感知多播的可靠性和有限的開銷，獲取高可靠性的多播數據傳輸，提出了可靠的MAC協議，即RMAC協議。周瑩[9]等人為了提高多廣播的無線傳感器網絡的MAC協議的可靠性，提出了MAC協議可靠性的概率模型。此外，為了達到提高無線網絡的可靠性傳輸的目的，許多的跨層優(yōu)化設計方案被提出了[10-17]。

1 差錯控制策略

差錯控制是在發(fā)送端被發(fā)送的信息碼中增加一些多余的監(jiān)督碼，使得信息碼和監(jiān)督碼存在某種關系，因而，接收端對這種特定的關系進行校驗。一旦傳輸出現錯誤，則信息碼和監(jiān)督碼之間的關系就被破壞了，接收端就會檢測出錯誤，從而進行錯誤糾正。

差錯控制作為數據鏈路層最重要的環(huán)節(jié)，由于錯誤率的增加和可靠性的降低通常意味著能量消耗的增加，在無線傳感器網絡中進行差錯控制需要解決的一個重要問題是如何在可靠性和網絡能量效率間進行有效折衷報文長度優(yōu)化。無線鏈路較高的誤碼率使得報文長度對于報文傳輸可靠性有較大影響，在確定的鏈路誤碼率條件下，報文越長，傳輸失敗的概率越高。然而，報文長度也非越短越好，由于控制開銷（如控制幀、報文頭等）的存在，報文長度越短，控制開銷所占比例越大，協議效率越低。我們利用工業(yè)控制網絡通信信息特點進行分類，建立了動態(tài)合并與分解報文的思想，從而進一步進行鏈路協議機制的設計。

數據傳輸的可靠性的評價的性能指標就是誤比特率和誤碼率。如公式（1）所示：

Pb 是誤比特率，NEb 是錯誤的比特的數目，N5b 是傳輸的比特數總和。從上式可以得知，提高數據傳輸的可靠性，我們就要減少錯誤的比特數。因而我們要采用的合適的差錯控制方式來進行差錯控制，進一步提高數據傳輸的可靠性。

1.1混合差錯控制方式

差錯控制方式包括前向差錯控制，檢錯重發(fā)，和混合方式三種。前向差錯控制是發(fā)送端可以發(fā)送可以糾正的編碼，當接收端發(fā)現信息碼和監(jiān)督碼的關系被破壞了，接收端能夠糾正傳輸中的錯誤，其優(yōu)點是不需要反饋信道，實時性好，但是隨著糾錯能力的提高，設備的復雜度也提高了。檢錯重發(fā)方式是在發(fā)送端，信息碼被插入監(jiān)督碼后，除了立即發(fā)送，還會暫存在緩沖存儲器中，若接收端譯碼器接收到錯誤，會通過反饋信道發(fā)送重發(fā)指令。這時重發(fā)控制器控制緩沖存儲器重發(fā)一次。若接收數據正確，將接收的信息碼元發(fā)送給收信者。雖然能夠獲得很好的性能，但是增加了反饋信道，使得通信效率降低。所以我們采用了前向差錯控制和檢錯重發(fā)兩種方式的結合，即混合的差錯控制方式。

根據[18]中對無線傳感器的效能分析，我們可以得出混合差錯控制方式的優(yōu)勢。效能定義同時考慮了系統的能耗和可靠性。效能的定義式如（2）。分別對前向差錯控制方式，檢錯重發(fā)和混合方式進行了效能分析。效能分析公式如（3-5）。

通過效能分析結果表達式，我們得知與前向差錯控制和檢錯重發(fā)控制方式相比，混合差錯控制方式在能耗方面和可靠性方面都優(yōu)于其他兩種方式。所以，我們采用混合的差錯控制方式來滿足工業(yè)無線ad-hoc網絡的數據傳輸的可靠性要求。混合的差錯控制實現方框圖如下圖1所示

1.2 動態(tài)報文分解和合并報文機制

工業(yè)無線ad-hoc網絡MAC協議的可靠性的實現，直接關系到數據報文傳輸的可靠性的提高。因此，我們建立了動態(tài)報文分解和合并報文機制來改善數據傳輸的可靠性。然而，數據報文的長短也關系到數據傳輸的可靠性。數據報文越長，報文容易丟失和發(fā)生錯誤，報文越短，報文的協議開銷和能量消耗會增大。我們利用鏈路質量信息對數據報文進行合理的分解和合并，從而減少能量損耗和沖突碰撞。

在數據報文發(fā)送端時，數據報文根據報文的長度劃分為N個固定長度的數據報文段，根據報文在數據信道傳輸情況，如果鏈路反饋的誤比特率低時，適時的在發(fā)送端增加數據報文的長度，以便數據報文得到可靠的傳輸，同時，數據報文在傳輸過程中捎帶確認的方式，提高數據傳輸的可靠性。如果鏈路反饋的誤比特率較大時，我們減少報文發(fā)送的長度。從而減少數據報文傳輸的差錯，我們把信道的流量信息添加到數據報文的填充字段中，以幫助各個無線傳感器節(jié)點了解信道的使用情況，減少數據報文的沖突和信道的競爭。在接收端，節(jié)點檢查數據報文中目的地址與自己節(jié)點的地址是否一致，如果一致，對數據報文進行差錯檢測，如果沒有錯誤，節(jié)點才開始接受數據報文并進行確認。如果有錯誤，節(jié)點將會利用混合差錯控制方式進行糾錯，糾正以后再接收數據。最后，數據報文接收完后，對分解的數據報文按照序列號進行合并，然后傳遞給上層進行數據報文處理。

如上圖所示，數據報文在發(fā)送過程中出現報文沖突或者報文丟失嚴重的情況下，我們對丟失的數據報文段進行分解再傳輸，盡量減少報文的沖突和丟失的發(fā)生率，從而達到提高無線ad-hoc網絡高層數據報文傳輸的可靠性的目的。

2 MAC協議優(yōu)化設計

為了達到提高數據傳輸的可靠性，我們對CSMA/CA協議做了改進。首先我們對數據幀進行了改進，如圖3所示，數據幀包括前導標示符Preamble，物理協議參數PLCP，MAC幀頭，用戶數據User DATA和校驗部分CRC。根據鏈路質量反饋的信息，獲取信道的誤比特率和流量信息情況。我們把鏈路質量信息添加到MAC數據幀頭進行傳輸，方便接收節(jié)點了解鏈路情況。其次，如圖4所示，我們對CSMA/CA協議運行策略進行了改進。當數據發(fā)送失敗后，我們進行了數據失敗重傳機制的改進。節(jié)點會進行自適應調節(jié)發(fā)送窗口CW和數據發(fā)送速率，減少數據之間的沖突和碰撞。最后，為了進一步提高數據傳輸的可靠性，我們同樣采用了RTS/CTS+ACK握手確認機制。

如下圖所示，HR-CSMA/CA協議機制的原理：

（1）首先，組建工業(yè)無線ad-hoc網絡和網絡狀態(tài)初始化。當源節(jié)點有數據發(fā)送時，源節(jié)點首先會檢測自己的NAV是否為零，如果NAV為零，節(jié)點開始偵聽無線信道的使用情況。如果NAV不為零時，節(jié)點會繼續(xù)執(zhí)行退避算法，直到NAV為零才再次訪問信道。

（2）若節(jié)點開始發(fā)送數據之前，節(jié)點會開始偵聽信道的使用情況。LBT是在每次開始發(fā)送數據之間都會采用偵聽信道10s的時間，以免不同節(jié)點同時發(fā)送數據產生沖突。若信道空閑，則節(jié)點才開始傳輸數據，為了提高數據傳輸的可靠性，采用了RTS/CTS+ACK握手確認機制。若信道繁忙，節(jié)點同樣執(zhí)行退避算法。

（3）如果數據被成功的傳輸，節(jié)點完成數據發(fā)送任務，將會進行休眠狀態(tài)，等待再次被喚醒。如果數據沒有被成功的傳送，節(jié)點會增大下一次發(fā)送窗口CW以獲得更大的成功傳送機率。同時，根據信道流量信息，降低數據發(fā)送的速率，以達到提高數據傳送的成功率。然后節(jié)點也會執(zhí)行退避算法，設置NAV等待再次訪問信道。

（4）如果數據再次被重傳時，仍然沒有被成功的接收，直到超出重傳次數，數據發(fā)送情況上報高層，由高層決定是否重傳。同樣，如果數據被成功的傳送，目的節(jié)點會把數據傳送到高層，等待高層的處理。

終上所述，為了工業(yè)無線ad-hoc網絡數據的可靠性傳輸，我們在MAC層采用了HR-CSMA/CA協議。在數據傳輸前，運用了LBT機制進行了偵聽信道，采用了RTS/CTS+ACK握手確認機制去可靠地傳輸數據。在數據沒能成功傳輸的情況下，我們運用了發(fā)送窗口和速率自適應調節(jié)機制。在數據成功傳輸的情況下，使節(jié)點轉入休眠機制，已達到節(jié)能的目的。

3 路由層傳輸機制

在工業(yè)無線ad-hoc網絡中，各個節(jié)點所形成的網絡是多跳的，合理的路由傳輸機制對于數據的可靠傳輸也是很重要的。我們簡要地闡述一下路由傳輸策略。根據無線傳感器特點和無線ad-hoc網絡的特點，對節(jié)點的節(jié)能和可靠性傳輸提出了要求。節(jié)點在傳輸報文時，節(jié)點會首先進行路由發(fā)現的階段，路由路徑建立后，多跳中的各個節(jié)點都會都接收的報文段進行確認，發(fā)送RREP。如果報文發(fā)送過程中斷，立刻進行路由路徑修復，然后RREQ去請求重新發(fā)送直到發(fā)送完成。為了提高數據報文傳輸的可靠性，路徑選擇一條次佳路徑作為傳輸的備用方案。為了達到節(jié)能的目的，對于數據發(fā)送完成的節(jié)點自動轉入休眠機制，等待喚醒。

如圖5和圖6所示，我們可以得知當最佳路徑的鏈路中斷，并不會影響數據報文的傳輸，我們可以進行鏈路修復或者直接使用次佳路徑完成數據報文的傳輸。提高數據報文傳輸的可靠性。當然，我們假設次佳路徑的節(jié)點的并不會移動超出各自的偵聽范圍和功率發(fā)送范圍。如果次佳路徑的節(jié)點的移動超出了范圍，我們將只能采用鏈路修復，如果鏈路修復不成功，將鏈路情況通過MAC層傳遞到高層，告知數據傳輸失敗，由高層決定數據是否繼續(xù)傳輸。

4 性能分析

在這節(jié)，我們運用NS2仿真軟件對CSMA/CA協議和改進的CSMA/CA協議，即HR-CSMA/CA協議，進行建模和仿真。我們主要對兩種協議的可靠性，吞吐量和能耗方面進行了仿真和結果分析。我們設定數據的傳輸速率變化從0到120pkts/s。得出了數據包的傳輸率，吞吐量和能耗的變化曲線和柱狀圖如7-8所示。

如上圖所示，我們可以得知HR-CSMA/CA協議在數據發(fā)送的可靠性，吞吐量和能耗等方面的性能都優(yōu)于CSMA/CA協議，當數據傳輸速率增大時，兩種協議方式的數據包的發(fā)送率雖然都降低了，但是新提出的協議仍然有較高的數據發(fā)送速率。由于數據發(fā)送速率增大，數據之間的沖突增大，必然導致能耗增大，吞吐量的曲線也趨于平穩(wěn)。由于新的協議是基于吞吐量和可靠性均衡提出來的。同時，能耗也是在設計MAC協議的考慮范圍之內。因此，HR-CSMA/CA協議在提高工業(yè)無線ad-hoc網絡的性能的方面優(yōu)于CSMA/CA協議。

5 結論

本文針對工業(yè)無線ad-hoc網絡，采用了跨層優(yōu)化手段，提出了數據傳輸的高可靠性的MAC協議設計方案，即HR-CSMA/CA協議。根據鏈路質量反饋信息，如誤比特率和信噪比，采用了合適的差錯控制方法，建立了動態(tài)的報文分解和合并機制。為了實現數據的可靠性傳輸，在MAC層，提出了高可靠性MAC協議設計方案。同時，對路由層的傳輸機制進行了改進。通過這些改進，在很少影響吞吐量的情況下，使得信道的帶寬利用率和數據傳輸的可靠性得到了提高，減少了能量浪費。本文為實現工業(yè)無線ad-hoc網絡的數據可靠性傳輸提供了可能。

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（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司）