盧詩堯，曾桂根

(南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京210003)

隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，Ad Hoc網(wǎng)絡［1-2］的應用越來越廣泛，它具有多跳、無中心、自組織等特點。MAC協(xié)議作為通信網(wǎng)絡的重要組成部分，決定了網(wǎng)絡中節(jié)點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)絡的整體性能。由于無線信道衰落、多用戶信道競爭接入等問題，使得傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡只能適用于負載較輕、距離較短、信道條件較好的環(huán)境，一旦上述情況惡化，性能就會大大降低，從而限制該類MAC協(xié)議的應用。

協(xié)作通信技術起源于20世紀70年代Gamal A E和Cover T關于中繼信道的信息論特性的研究工作［3］，它通過網(wǎng)絡中其他節(jié)點的中繼傳輸，在擴大覆蓋范圍、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。文獻［4］提出了一種支持多速率協(xié)作傳輸?shù)?MAC協(xié)議CoopMAC，它通過預先選定的高速率節(jié)點中繼傳輸，能有效提高系統(tǒng)通信容量，降低網(wǎng)絡延時。但由于不是基于瞬時信道信息，因而不能適應信道和網(wǎng)絡拓撲的不斷變化。文獻［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)不同準則(最小準則或調和平均準則)將這兩個信道的信息進行綜合，獲得一個信道量度值，但沒有對這兩種準則的最優(yōu)性給出理論分析，且所提準則也并非最佳協(xié)作中繼的選擇準則。文獻［6］提出了一種基于瞬時信道信息的最佳中繼選擇策略，它引入的固定退避時隙和改進的隨機退避時隙解決了中繼碰撞問題，相比傳統(tǒng)CoopMAC對網(wǎng)絡吞吐量和服務延遲性能都有顯著的提升。但是它忽略了節(jié)點的能量因素，而在某些現(xiàn)實環(huán)境下移動設備通常是能量有限的。

本文在CoopMAC協(xié)議的基礎上，提出了一種基于瞬時信道信息和節(jié)點剩余能量的無線MAC協(xié)作方案。首先各鄰居節(jié)點根據(jù)RTS/CTS獲得通信雙方信道信息，然后通過對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爭;目的節(jié)點決定傳輸方式以及中繼節(jié)點的選擇;最后源節(jié)點根據(jù)目的節(jié)點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)絡拓撲結構模型

本文所討論網(wǎng)絡拓撲模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡拓撲結構

CR-MAC無需維護中繼節(jié)點表，中繼的選擇由各鄰居節(jié)點根據(jù)信道狀態(tài)信息和自身剩余能量來競爭決定。IEEE802.11b協(xié)議采用了動態(tài)速率漂移技術［7］，可以根據(jù)環(huán)境噪聲變化對傳輸速率進行自動調整，數(shù)據(jù)幀傳輸距離和傳輸路徑之間關系如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀傳輸距離和傳輸速率對照表

1．2 CR-MAC中繼選擇算法及幀結構

本文在IEEE802.11b的基礎上引入了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)作請求幀，CTC為協(xié)作確認幀，幀格式如圖2所示，它們的持續(xù)時間分別表示為 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)時間分別表示為TACK，TPLCP，TSIFS;源節(jié)點到目的節(jié)點、源節(jié)點到中繼節(jié)點和中繼節(jié)點到目的節(jié)點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 幀結構圖

具體協(xié)作策略如下:

1)源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送RTS幀，Duration字段設置DurationRTS=TSIFS+TC-CTS，所有能接收到該RTS幀的節(jié)點(除目的節(jié)點外)根據(jù)接收信號強度，估計與源節(jié)點間的距離，查表1得到Rsh，并且設置自己的網(wǎng)絡分配矢量NAV為DurationRTS。同時源節(jié)點設置超時定時器，如果定時器結束時還未收到目的節(jié)點的確認幀C-CTS，那么將進行隨機退避，然后重傳RTS。

2)目的節(jié)點收到RTS幀，根據(jù)接收信號強度計算得到Rsd，然后回傳確認幀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)作以及計算退避時間。

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

(2)若 Rsd=2 Mbit/s，則只有滿足條件 min(Rsh，Rhd)≥5.5 Mbit/s的節(jié)點才能參與中繼節(jié)點的競爭。退避時間計算分3種情況

式中:α為信道狀態(tài)權值系數(shù);(1-α)為節(jié)點剩余能量權值系數(shù);En為節(jié)點當前剩余能量值;Eno為節(jié)點初始能量值;X表示不大于X的最大整數(shù);k值是一個時間常數(shù)，而Tmax與k的取值有關。α值由網(wǎng)絡實際情況決定。由上述公式可以看出，當節(jié)點剩余能量高于門限值時(此處為初始能量值的30%)，中繼節(jié)點的選擇可以忽略能量因素，而只考慮瞬時信道狀態(tài)。相反，當節(jié)點剩余能量低于門限值，假設k值等于40，可以看到，(Rsh，Rhd)=(11，11)的節(jié)點極有可能比(Rsh，Rhd)=(11，5.5)的節(jié)點退避時間還長，即高速節(jié)點退化為低速節(jié)點，避免了信道條件優(yōu)良的節(jié)點因頻繁參與協(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)點滿足式(7)，則向目的節(jié)點發(fā)送HTS幀，幀結構如圖2b所示，Duration字段設置為DurationHTS=TSIFS+TCTC。若不滿足式(7)，設置自己的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)點才能參與中繼節(jié)點的競爭。退避時間計算分以下5種情況

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

(4)若多個節(jié)點同時滿足式(7)，則退避時間最短的節(jié)點優(yōu)先發(fā)送HTS幀，其他節(jié)點在自身退避時間內如果偵聽到HTS，則放棄競爭，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)點沖突時的傳輸策略

圖4 有節(jié)點沖突時的傳輸策略

但也可能出現(xiàn)互為隱終端的幾個節(jié)點同時向目的節(jié)點發(fā)送HTS，從而發(fā)生碰撞，這時各節(jié)點將隨機退避然后重新參與競爭。這里，如果某個節(jié)點兩次競爭失敗，則退出競爭，以減小其余節(jié)點的碰撞概率。

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

源節(jié)點在接收到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)點轉發(fā)數(shù)據(jù)包。若源節(jié)點偵聽到信道連續(xù)空閑時間超過2TSIFS+Tmax，說明沒有節(jié)點競選成功，以直傳方式向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。

5)目的節(jié)點接收到數(shù)據(jù)幀之后如果校驗正確，則回送ACK。源節(jié)點發(fā)送完數(shù)據(jù)幀之后，將啟動一個定時器，如果定時器結束時還未收到ACK確認幀，分以下兩種情況處理:

(1)直傳方式下。說明直傳鏈路質量差，短時間內可能不會變好，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)點向選中的中繼節(jié)點發(fā)送一個詢問幀F(xiàn)LAG幀，來詢問中繼節(jié)點是否有收到ACK，這個幀只需對選中的中繼節(jié)點作回應，其他節(jié)點退避，以防止信道沖突。如果中繼節(jié)點有收到ACK，則向源節(jié)點發(fā)送相同的ACK，并且以后每次收到目的節(jié)點回的ACK后都需要再向源節(jié)點發(fā)送一個相同的ACK;如果沒有收到ACK，說明原來選定的中繼節(jié)點不再適合協(xié)作中繼傳輸，考慮尋找其他中繼節(jié)點進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行中繼選擇，這里的中繼選擇可以和一開始節(jié)點間建立連接的中繼選擇策略不同，這里重點考慮重傳成功率。具體的重傳策略不是本文的研究重點。

2 仿真結果與分析

2．1 仿真參數(shù)分析與設置

本文網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示，所有節(jié)點隨機分布在以目的節(jié)點為圓心，半徑為100 m的圓內。網(wǎng)絡內數(shù)據(jù)包投放速率為500 packet/s，每個數(shù)據(jù)包傳輸速率與傳輸距離有關，到達節(jié)點的時間t服從泊松分布，即

式中:n為發(fā)送節(jié)點數(shù)。這里，假設網(wǎng)絡滿負載運行，并且數(shù)據(jù)傳輸在各個節(jié)點間平等分布。

本文采用對數(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。

假設節(jié)點發(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，當接收端只有一路信號時，此時沒有碰撞，則接收信噪比定義為

當有n路信號同時到達接收端時，則會在接收端發(fā)生碰撞。對于每路信號來說，其能否被正確接收取決于自身SINR(信號與干擾加噪聲比)。第j路信號信干噪比定義為:

當滿足SINRj＞SNRthreshold時，則能正確解碼。

參照文獻［8］，本文仿真要求接收端誤比特率達到10-5，各種調制方式及其SNRthreshold值關系如表2所示。

表2 調制方式與信噪比對照表

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 性能評價指標

2.2.1 飽和吞吐量［9］

網(wǎng)絡吞吐量是指在沒有幀丟失的情況下，節(jié)點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間內傳輸成功的有效數(shù)據(jù)單元

式中:Lt為時隙長度;L為數(shù)據(jù)包長度;Ptr為任一隨機時隙內有節(jié)點發(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為一個數(shù)據(jù)包正確傳輸?shù)钠骄鶗r間;Tc為數(shù)據(jù)包碰撞消耗的平均時間，Ts和Tc的計算都需要同時考慮協(xié)作和非協(xié)作兩種情況。

仿真時，網(wǎng)絡滿負載運行，即任意時刻至少有一個節(jié)點有數(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)絡生存時間［10］

根據(jù)不同的網(wǎng)絡場景，可以有不同的網(wǎng)絡生存時間度量標準。為方便描述，本文采用一種最為常用的度量方法，即以首個節(jié)點耗盡能量的時刻計算網(wǎng)絡生存時間。由于本文主要對比RCHC-MAC和CR-MAC算法的網(wǎng)絡生存時間，因此在這里不考慮直傳的情況，只考慮中繼節(jié)點在協(xié)作傳輸時的生存時間。以下仿真取k=40，α=0.5，則一個(11，11)的節(jié)點在剩余能量處于20% ～30%時直接退化為一個(11，5.5)的節(jié)點，其余情況同理。

2．3 仿真結果分析

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)點數(shù)目之間的關系。

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，這是因為在直傳低速狀況下，協(xié)作MAC算法可以尋找高速中繼節(jié)點進行協(xié)作傳輸。而隨著節(jié)點數(shù)的增多，鏈路質量差的節(jié)點尋找到高速中繼節(jié)點的概率增大，飽和吞吐量隨之增大。

圖5 飽和吞吐量與節(jié)點數(shù)之間的關系

另外，CR-MAC由于考慮了節(jié)點剩余能量，當中繼節(jié)點剩余能量低于門限值時，高速節(jié)點退化為低速節(jié)點，鏈路質量差的節(jié)點尋找到高速中繼節(jié)點的概率降低，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)絡生存時間與節(jié)點數(shù)目之間的關系。

圖6 網(wǎng)絡生存時間與節(jié)點數(shù)之間的關系

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

3 結束語

CR-MAC算法綜合考慮瞬時信道信息和節(jié)點剩余能量，在網(wǎng)絡吞吐量性能略微下降的情況下，大大增加了網(wǎng)絡生存時間;新算法無需維護中繼節(jié)點列表，節(jié)省了網(wǎng)絡各節(jié)點的存儲資源;針對不同的直傳速率有不同的中繼選擇策略和重傳機制;動態(tài)選擇中繼節(jié)點，適用于有突發(fā)業(yè)務的自組織移動網(wǎng)絡。

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