(解放軍理工大學 通信工程學院，南京 210007)

1 引 言

在無線網(wǎng)絡(luò)中，廣播作為一種可以將信息從源節(jié)點發(fā)送到多個目的節(jié)點的傳輸方式，在多跳網(wǎng)絡(luò)通信中起著重要的作用。廣播方案的效率受多種因素影響，如系統(tǒng)的可靠性、能量效率、可擴展性、復雜度和延時等。針對不同的場合，不同因素所起的作用也不一樣，如在廣播流媒體時，延時是需要重點考慮的因素；當網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點要更新軟件時，傳輸?shù)目煽啃跃惋@得十分重要。

在無線通信系統(tǒng)環(huán)境中，系統(tǒng)中節(jié)點的能量是受限的，因此降低系統(tǒng)的能量消耗顯得十分重要，它已經(jīng)成為廣播協(xié)議的一個研究熱點。Maric提出利用無線組播優(yōu)勢，節(jié)點可以接收可靠傳輸范圍以外的信息，并進行信息的累積，系統(tǒng)通過獲得分集增益來提高能量效率[1]。Kailas提出了帶有判決門限的機會大陣列協(xié)議[2]，通過對接收信號信噪比的檢測，系統(tǒng)只允許在下一次傳輸中發(fā)揮作用較大的節(jié)點進行發(fā)送，發(fā)揮作用較小的節(jié)點不發(fā)送。這種算法在節(jié)點密度較高的環(huán)境下適用，當密度節(jié)點較低時系統(tǒng)性能將受影響。

在廣播通信中，一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，N個目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)。如果有目的節(jié)點沒有成功接收，為保證傳輸?shù)目煽啃?，則發(fā)送節(jié)點需要重新發(fā)送。沒有成功接收的節(jié)點通過反饋告知發(fā)送節(jié)點它需要哪些數(shù)據(jù)，由發(fā)送節(jié)點對應發(fā)送。由于通常這些未成功譯碼目的節(jié)點所需重傳的數(shù)據(jù)是不同的，源節(jié)點向某一個節(jié)點重傳的數(shù)據(jù)對于其它節(jié)點來說是沒有用的，這樣就浪費了系統(tǒng)資源。噴泉碼的出現(xiàn)很好地解決了這個問題[3-5]。源節(jié)點的數(shù)據(jù)通過噴泉編碼可以產(chǎn)生遠大于原信息長度的編碼信息，它發(fā)送的編碼信息對于每一個沒有成功譯碼的接收節(jié)點都是有用的。此外，噴泉碼可以自適應信道鏈路狀態(tài)，無需信道狀態(tài)反饋信息就可以達到信道容量，因此考慮到將噴泉碼引入到廣播傳輸系統(tǒng)中來提高系統(tǒng)的能量效率。

本文提出了采用噴泉碼的信息累積傳輸協(xié)議：接收節(jié)點利用可靠傳輸范圍之外的信息，直至接收節(jié)點積累的信息量可以成功譯碼。根據(jù)節(jié)點是否擁有網(wǎng)絡(luò)的全局鏈路信息，給出了集中式信息累積協(xié)議和分布式信息累積協(xié)議，并將提出的這兩個協(xié)議與現(xiàn)有的能量累積廣播協(xié)議進行了比較。

2 系統(tǒng)模型

在信息累積廣播協(xié)議中，系統(tǒng)所需的最小能量可以通過兩方面來實現(xiàn)，首先要確定由哪些節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，然后再確定節(jié)點的發(fā)送功率。這個問題與最小能量廣播問題相似。在最小能量廣播問題中，若廣播樹確定，則發(fā)送功率也就確定了[8-9]。廣播樹中一個父節(jié)點的發(fā)送功率由到達它所在組中信道質(zhì)量最差的子節(jié)點決定，但是在信息累積廣播中，節(jié)點從很多其它發(fā)送節(jié)點接收信息，節(jié)點之間沒有明確的父節(jié)點和子節(jié)點的關(guān)系。除此以外，節(jié)點的發(fā)送功率的最優(yōu)解可能不是正好使某個節(jié)點成功接收的功率值，因為這個接收節(jié)點還可以從將來發(fā)送的節(jié)點接收到所需信息。

信息累積廣播協(xié)議最為關(guān)鍵的步驟是確定發(fā)送節(jié)點的發(fā)送次序，然后根據(jù)這個發(fā)送次序進行線性規(guī)劃，確定節(jié)點的最優(yōu)發(fā)送功率。文獻[1]中指出尋找這樣一個最優(yōu)次序是不可實現(xiàn)的，基于此，下面就給出兩種典型場景下的啟發(fā)式算法。

3 集中式信息累積廣播協(xié)議(CIABP)

在CIABP協(xié)議中，假設(shè)所有信道增益系數(shù)的信息在各個節(jié)點處都是已知的，還要求每一個成功譯碼節(jié)點的注水速率都是已知的，并且節(jié)點發(fā)送的功率可以確定，恰好使一個未成功譯碼節(jié)點在一個時隙內(nèi)成功接收。網(wǎng)絡(luò)中成功譯碼的節(jié)點集合記為S，如果節(jié)點j是在S之外的下一個要成功接收的節(jié)點，則S中的節(jié)點發(fā)送的功率應使j成功接收。如果說要使j成功接收所發(fā)送的功率使得節(jié)點i先于節(jié)點j成功接收，則應安排節(jié)點i作為下一個接收節(jié)點。這是因為節(jié)點j的發(fā)送不能使節(jié)點i獲得信息，而節(jié)點i發(fā)送可能會使節(jié)點j獲得信息。

算法代碼如下：

S=[1];p=0

while(S

k=argmaxi∈S∑j∈Uhj,i;

S←[S,j]

end

假定源節(jié)點為1，未成功譯碼的節(jié)點集合為U，任一節(jié)點k的注水速率定義為節(jié)點k到所有未成功譯碼節(jié)點的信道增益系數(shù)之和：

(1)

則CIABP協(xié)議的貪婪注水算法描述如下：

(1)找出成功譯碼節(jié)點中注水速率最大的節(jié)點k；

(2)確定節(jié)點k的發(fā)送功率，使得某一個節(jié)點j在下一個時隙可以成功譯碼；

(3)將節(jié)點j加到成功譯碼的節(jié)點集合S中去。

將源節(jié)點標識為1，其后續(xù)成功接收節(jié)點依次標記為2,3,…， 如果節(jié)點m在其它發(fā)送節(jié)點發(fā)送的基礎(chǔ)上成功譯碼，則發(fā)送速率可表示為

(2)

式中，pk為節(jié)點k的發(fā)送功率，若節(jié)點k沒有進行發(fā)送，則pk=0。

現(xiàn)將CIABP與文獻[1]提出的集中式能量累積廣播協(xié)議(CEABP)進行比較。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如下:信道帶寬W為200 kHz，單邊帶功率譜密度N0設(shè)定為5×10-6，要求達到的通信速率為270.833 kbit/s，仿真次數(shù)為100。從圖1中可以看到，在3種衰落系數(shù)下，CIABP性能都比CEABP好，但是隨著衰落系數(shù)的增加，CIABP相比于CEABP的性能優(yōu)勢在減小。CIABP和CEABP都隨著節(jié)點數(shù)目的增加，系統(tǒng)需要的總的能量降低，這是因為節(jié)點密度增加以后，發(fā)送節(jié)點和未成功譯碼節(jié)點的平均距離降低，未成功譯碼的節(jié)點可以從發(fā)送節(jié)點處接收更多的信息。當α=2時，在N=10時，CIABP比CEABP能量消耗少1.5 dB；在N=150時能量消耗少1.9 dB。當α=4時，在N=10時，CIABP比CEABP能量消耗少1.09 dB；在N=150時能量消耗少1.13 dB。

圖1 兩種集中式廣播協(xié)議的能量消耗Fig.1 Energy consumed of the two centralized broadcast protocols

4 分布式信息累積廣播協(xié)議(DIABP)

在CIABP協(xié)議中，不僅要求節(jié)點知道所有鏈路增益系數(shù)的信息，還要求每一個成功譯碼節(jié)點的注水速率都是已知的，并且節(jié)點發(fā)送的功率可以確定，恰好使一個未成功譯碼節(jié)點在一個時隙內(nèi)成功接收。這些條件要求過于苛刻，下面提出一個只需要局部網(wǎng)絡(luò)信息的分布式廣播協(xié)議。

Si=S∩NR(i)，Ui=U∩NR(i)

(3)

式中，Si代表節(jié)點i的鄰居節(jié)點中成功譯碼的節(jié)點的集合，Ui代表節(jié)點i的鄰居節(jié)點中未成功譯碼的節(jié)點的集合，S代表成功譯碼的節(jié)點的集合，U代表未成功譯碼的節(jié)點的集合，NR(i)代表節(jié)點i的鄰居節(jié)點。在發(fā)送之初，任一節(jié)點i初始化為Si=?。

(4)

式中，B為發(fā)送信息的長度，tk為節(jié)點k的發(fā)送時間。

(2)一旦節(jié)點i成功譯碼，節(jié)點i發(fā)送ACKi，促使節(jié)點i的鄰居中任一未成功譯碼的節(jié)點k接收到ACKi后發(fā)送LGk給節(jié)點i。節(jié)點i接收到所有鏈路增益控制幀LG之后就可以計算出自己的注水速率，然后將它的注水速率用控制幀F(xiàn)Ri廣播給它的鄰居節(jié)點。在本文中，如果兩個節(jié)點同為某一個節(jié)點的鄰居，則認為這兩個節(jié)點可以可靠接收對方的控制幀F(xiàn)R。

(3)成功譯碼的節(jié)點i收到ACKj后，如果它正在發(fā)送，則停止發(fā)送。節(jié)點i更新Si、Ui和注水速率Ri，并將自己的注水速率用控制幀F(xiàn)Ri廣播給它的鄰居節(jié)點，然后由Si中注水速率最大的節(jié)點進行發(fā)送，當節(jié)點i的所有鄰居節(jié)點都成功譯碼時，這個過程停止。

在節(jié)點i的發(fā)送過程中，與能量累積協(xié)議中重復發(fā)送相同的編碼信息不同，節(jié)點i一直在發(fā)送不同的編碼信息，這依賴于噴泉碼可以產(chǎn)生源源不斷的編碼信息的特性。在本算法中，節(jié)點的動作都是由ACK幀觸發(fā)的。

圖2對DIABP協(xié)議與文獻[1]提出的分布式能量累積協(xié)議(DEABP)進行了比較，仿真參數(shù)設(shè)置如下：信道帶寬W為200 kHz，單邊帶功率譜密度N0為5×10-6，幀長B為1.56，仿真次數(shù)為100。為保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的全連通，根據(jù)文獻[10]，將節(jié)點的可靠發(fā)送范圍設(shè)為r=2.6，節(jié)點的發(fā)送信息功率p=1.56，發(fā)送控制幀的功率pc=1.56。從圖中可以看出，DIABP協(xié)議比DEABP協(xié)議的能量效率要高。更重要的是隨著節(jié)點數(shù)目的增加，DIABP協(xié)議所需的能量逐漸降低，而DEABP則有緩慢上升的趨勢。這是因為隨著節(jié)點間距離的降低，復用增益產(chǎn)生的作用比分集增益的作用更加明顯。在N=80時，DIABP比DEABP協(xié)議所需的能量少0.64 dB；在N=300時，DIABP比DEABP協(xié)議所需的能量少1.56 dB。圖中也給出了CIABP協(xié)議和DIABP協(xié)議的比較，可以看出DIABP相比于CIABP協(xié)議性能還是下降較大。

圖2 兩種分布式廣播協(xié)議的能量消耗Fig.2 Energy consumed of the two distributed broadcast protocols

5 結(jié) 論

本文將噴泉碼引入到協(xié)同多跳廣播傳輸系統(tǒng)中，令成功譯碼中注水速率最大的節(jié)點發(fā)送，接收節(jié)點成功接收后，再由更新后注水速率最大的節(jié)點發(fā)送。接收節(jié)點對接收到的噴泉編碼信息進行累積，直至成功譯碼。針對不同的應用環(huán)境，提出了CIABP和DIABP協(xié)議，并將這兩種協(xié)議與現(xiàn)有的能量累積廣播協(xié)議進了仿真比較。結(jié)果表明，采用噴泉碼的信息累積協(xié)議其能量效率要明顯優(yōu)于能量累積廣播協(xié)議。下一步的研究方向是簡化DIABP協(xié)議設(shè)計，提高協(xié)議的空分復用性。

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