田 雨，宋曉鷗

(1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西西安710038;2.武警工程大學(xué)信息工程系，陜西西安710086)

協(xié)作重傳的動(dòng)態(tài)TDMA時(shí)隙分配算法

田 雨1，宋曉鷗2

(1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西西安710038;2.武警工程大學(xué)信息工程系，陜西西安710086)

協(xié)作通信可以有效地降低衰落信道中數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛喔怕剩瑥亩岣邤?shù)據(jù)的傳輸速率。但是在TDMA系統(tǒng)中采用協(xié)作通信必然引入額外的帶寬開銷，為了提高傳輸速率而采用協(xié)作通信，是否能克服因此而產(chǎn)生的不利因素并不明確。在提出的CD-TDMA時(shí)隙算法中，在傳統(tǒng)TDMA幀的前部增加了一個(gè)偵聽和動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙的預(yù)約階段。所有節(jié)點(diǎn)在每個(gè)數(shù)據(jù)幀的開始如果沒(méi)有新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，則有義務(wù)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)在上個(gè)時(shí)隙幀中發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)。該算法提高了數(shù)據(jù)重傳的成功概率，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。仿真結(jié)果表明，盡管該算法引入了額外的時(shí)隙開銷，和傳統(tǒng)的TDMA接入方式相比，該算法可以有效地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò);時(shí)分復(fù)用;協(xié)作;動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配

協(xié)作通信是無(wú)線通信中的重要技術(shù)，可以利用分集增益，降低中斷概率［1-3］，尤其適合于高樓林立的城市或山巒起伏的山區(qū)無(wú)線通信環(huán)境。動(dòng)態(tài)TDMA可以利用空閑的時(shí)隙，發(fā)送其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。將協(xié)作通信和動(dòng)態(tài)TDMA結(jié)合起來(lái)，可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和吞吐量。多個(gè)基于TDMA的協(xié)作MAC協(xié)議已經(jīng)被提出，其中文獻(xiàn)［4］利用空閑時(shí)隙重新發(fā)送傳輸失敗的數(shù)據(jù)，但是當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的空閑時(shí)隙不夠多時(shí)，嚴(yán)重影響了該協(xié)議的吞吐量。文獻(xiàn)［5］可以有效地提高數(shù)據(jù)的傳輸率，文獻(xiàn)［6］提出的C-TDMA在瑞利信道下可以提高數(shù)據(jù)的正確接受率，從而提高系統(tǒng)吞吐量，但文獻(xiàn)［5-6］都未考慮引入的額外開銷對(duì)吞吐量的影響。因此，本文提出了基于協(xié)作通信的動(dòng)態(tài)TDMA時(shí)隙分配算法CD-TDMA(Cooperative Dynamic TDMA)。CD-TDMA采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作方式［7］，在引入額外開銷的情況下依然比傳統(tǒng)的TDMA有更好的傳輸性能。

1 模型假設(shè)

假設(shè)信道為瑞利信道，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的ACK應(yīng)答都可以被其他節(jié)點(diǎn)接收到(ACK信息的數(shù)據(jù)量很小，可以采用冗余更大的信道編碼，增加其抗干擾、衰減的能力，而增加的開銷很小)。每個(gè)接收機(jī)可以估計(jì)每個(gè)鏈路的信噪比，而且該信噪比在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)保持不變。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一根天線，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的數(shù)據(jù)按最大比合并的方式處理。

2 協(xié)作重傳的動(dòng)態(tài)TDMA

2.1 數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

如圖1所示，本文采用了類似文獻(xiàn)［8］的幀結(jié)構(gòu)，整個(gè)時(shí)隙分為預(yù)約和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段。

圖1 CD-TDMA幀結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)傳輸部分為各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了固定的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)隙。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙又分為本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送部分和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答部分ACK。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不傳輸信息時(shí)，偵聽其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)是否得到了數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答ACK。如果偵聽到ACK，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸是成功的;否則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸是失敗的，需要重新傳輸。當(dāng)噪聲的功率一定時(shí)，發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)多是受到了瑞利衰落和通信距離大而導(dǎo)致衰減過(guò)大的影響，因此可以采用協(xié)作通信的方式，降低該影響。預(yù)約時(shí)隙又分為多個(gè)子時(shí)隙，這些子時(shí)隙用來(lái)交換協(xié)作通信所需要的信息，并動(dòng)態(tài)地分配協(xié)作通信的時(shí)隙。在動(dòng)態(tài)分配協(xié)作通信階段，如果某節(jié)點(diǎn)沒(méi)有新數(shù)據(jù)包產(chǎn)生，在當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的時(shí)隙時(shí)，協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)上一幀中其他節(jié)點(diǎn)傳輸失敗的數(shù)據(jù)包，該策略避免了文獻(xiàn)［3］中空閑時(shí)隙不足導(dǎo)致傳輸速率降低的缺點(diǎn)。

2.2 傳輸失敗的計(jì)算公式

如圖2所示，假設(shè)在第n幀中節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)包Di給節(jié)點(diǎn)C，B，D，E和F為鄰居節(jié)點(diǎn)。當(dāng)A向C發(fā)送數(shù)據(jù)Di時(shí)，如果不通過(guò)協(xié)作直接傳輸成功，則認(rèn)為第一次傳輸即成功。當(dāng)?shù)谝淮螞](méi)有成功時(shí)，在下一幀中再次傳輸Di。如果有其他節(jié)點(diǎn)愿意幫助A協(xié)作重新傳輸Di，例如節(jié)點(diǎn)B，則A和B將在各自的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙向C傳輸Di。C在這兩個(gè)時(shí)隙將接收到的Di按最大比合并，如果譯碼失敗，則需要在下一時(shí)隙繼續(xù)協(xié)作重傳。如果Di在需要協(xié)作重傳時(shí)沒(méi)有其他節(jié)點(diǎn)愿意協(xié)作傳輸，則A單獨(dú)傳輸，如果仍未傳輸成功，將繼續(xù)在下一幀中重新協(xié)作或單獨(dú)傳輸，直至成功傳輸。

圖2 協(xié)作重傳示意圖

當(dāng)采用BPSK調(diào)制時(shí)，節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)s，節(jié)點(diǎn)C接收的信號(hào)可以表示為

則直接傳輸數(shù)據(jù)s時(shí)，節(jié)點(diǎn)C處的信噪比為

式中:hAC為A和C之間的信道衰減系數(shù)，n為高斯白噪聲，滿足n～CN(0，N0)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有直射波，所以信道為瑞利信道，hAC～CN(0，k)。k為和信道有關(guān)的常數(shù)，dAC為A和C之間的距離，α為路徑損耗系數(shù)。同理，節(jié)點(diǎn)B發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C的信號(hào)可以表示為

根據(jù)文獻(xiàn)［9］，可以得到A和B分別發(fā)送的數(shù)據(jù)在C處按最大比合并(MRC)后，信噪比為

當(dāng)采用BPSK的調(diào)制方式時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)［9］可以得到A、B組成的天線陣列的平均誤碼率為

其中

當(dāng)m=1時(shí)，數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為N，當(dāng)采用了信道編碼后，可以根據(jù)式(5)計(jì)算直接傳輸，即第一次傳輸數(shù)據(jù)的失敗概率為

當(dāng)m=2時(shí)，表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作重傳，一個(gè)數(shù)據(jù)包被協(xié)作重傳的失敗概率為

2.3 協(xié)作重新傳輸策略

如圖3所示，如果A單獨(dú)發(fā)送Di給C失敗，而其沒(méi)有其他節(jié)點(diǎn)正確接收Di，則A在其下個(gè)時(shí)隙再次直接重傳。如果A單獨(dú)發(fā)送Di給C失敗，并且存在鄰居節(jié)點(diǎn)B成功接收Di，則B節(jié)點(diǎn)有義務(wù)在n+1幀中協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)Di給C，前提是在n+1幀的預(yù)約階段B沒(méi)有本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)需要發(fā)送。該協(xié)作方式相當(dāng)于文獻(xiàn)［6］中的譯碼-轉(zhuǎn)發(fā)模式。若協(xié)作重傳不成功，則A和B在下個(gè)時(shí)隙中依然協(xié)作重傳，直至傳輸成功才會(huì)傳輸其他數(shù)據(jù)包。

圖3 協(xié)作重傳流程圖

圖4表示的是節(jié)點(diǎn)B決定是否協(xié)作重傳A傳輸?shù)氖?shù)據(jù)包的流程圖。假設(shè)A節(jié)點(diǎn)在第n幀傳輸數(shù)據(jù)包Di失敗。如圖1所示，預(yù)約階段為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)子時(shí)隙，如果B在n+1幀的預(yù)約階段沒(méi)有本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)需要發(fā)送，而且B計(jì)算其協(xié)作重傳的失敗率小于A單獨(dú)重傳的一半時(shí)，B在其相應(yīng)的預(yù)約子時(shí)隙內(nèi)廣播B協(xié)作重傳A數(shù)據(jù)包的意愿。A、B節(jié)點(diǎn)在第n+1幀中相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙發(fā)送Di。

圖4 協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇流程圖

當(dāng)B節(jié)點(diǎn)子時(shí)隙之前的時(shí)隙，已經(jīng)有其他的節(jié)點(diǎn)宣布協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)Di時(shí)，B在本時(shí)隙放棄轉(zhuǎn)發(fā)Di。如果還有其他節(jié)點(diǎn)在第n幀發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，例如數(shù)據(jù)包M，而且在之前的時(shí)隙內(nèi)沒(méi)有節(jié)點(diǎn)表示愿意協(xié)作傳輸M，B節(jié)點(diǎn)會(huì)在其第n+1幀的預(yù)約階段子時(shí)隙廣播協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)M的意愿。

協(xié)作重傳的機(jī)制可以提高重傳成功的概率，但是為了實(shí)現(xiàn)預(yù)約協(xié)作重傳的機(jī)制，在時(shí)隙幀的數(shù)據(jù)傳輸部分前面增加了預(yù)約階段，占用了信道資源。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在預(yù)約階段都擁有一個(gè)子時(shí)隙，用于廣播其協(xié)作傳輸其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的意愿，在本文中該子時(shí)隙的長(zhǎng)度為100 bit。每個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為1 024 bit。與圖5所示的傳統(tǒng)TDMA幀結(jié)構(gòu)相比，CD-TDMA有以下兩個(gè)特點(diǎn):

1)預(yù)約階段占用的時(shí)間相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)子時(shí)隙，對(duì)信道的占用降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?

2)提高了重新傳輸錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的概率，相當(dāng)于提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖5 傳統(tǒng)TDMA幀結(jié)構(gòu)

CD-TDMA由于比傳統(tǒng)的TDMA多了預(yù)約階段，所以在相同的時(shí)間內(nèi)，CD-TDMA的幀數(shù)要比TDMA少，這意味著數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)要少。但是，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的概率是相同的，即在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量基本相同。所以CD-TDMA重新傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)要比TDMA少，但是由于CD-TDMA采用協(xié)作重傳，重傳數(shù)據(jù)的成功率大大增加，所以在相同的時(shí)間內(nèi)CD-TDMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比傳統(tǒng)的TDMA要多。本文第3節(jié)將用仿真結(jié)果對(duì)以上推論進(jìn)行驗(yàn)證。

3 性能仿真及分析

仿真區(qū)域?yàn)? km×1 km的正方形平面，在該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布n個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，通信速率為200 kbit/s，仿真時(shí)間為10 min。ACK的時(shí)間為0.5 ms，則CD-TDMA和TDM A的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙部分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被分配了1 kbit/ (200 kbit/s)+0.5 ms=5.5 ms。為了比較CD-TDMA和TDMA的吞吐量性能，在運(yùn)行10 min時(shí)統(tǒng)計(jì)此時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存區(qū)還未發(fā)送的數(shù)據(jù)包之和，以及在10 min內(nèi)產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)包數(shù)。未發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)與已經(jīng)產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)包總數(shù)之比可以衡量?jī)煞N協(xié)議的吞吐量性能。當(dāng)仿真時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，兩種協(xié)議產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包總數(shù)是基本一致的(差異小于0.1%)，此時(shí)該比值可以反映兩種協(xié)議的吞吐量性能。

圖6和圖7中，δ表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)隙的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的概率，即在5.5ms的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)包的概率。由于CD-TDMA和TDMA的仿真時(shí)間相同，δ也相同，所以產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包總量是基本一致的。由圖6可以看出，當(dāng)δ=0.06時(shí)，無(wú)論是CDTDMA還是TDMA，因?yàn)樾旁氡仍黾佣鴮?dǎo)致傳輸失敗的概率降低，其未發(fā)送出的數(shù)據(jù)包的比例隨著信噪比的增加而降低;無(wú)論當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)n=10還是n=15，未發(fā)送數(shù)據(jù)包的比例基本一致。從圖6中還可以看出本文提出的CD-TDMA的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的TDMA。圖7中δ= 0.05，可以得到與圖6類似的結(jié)論，證明當(dāng)δ發(fā)生變化時(shí)，CD-TDMA協(xié)議的性能依然優(yōu)于傳統(tǒng)的TDMA。

圖6 δ=0.06時(shí)未發(fā)送數(shù)據(jù)比較

圖7 δ=0.05時(shí)未發(fā)送數(shù)據(jù)比較

圖8 未發(fā)送數(shù)據(jù)隨δ變化的比較

圖8中描述的是當(dāng)信噪比為18 dB，節(jié)點(diǎn)數(shù)n=10時(shí)，未發(fā)送的數(shù)據(jù)包占總產(chǎn)生數(shù)據(jù)包比例隨δ的變化曲線。從圖8可以看出，隨著δ的增加，CD-TDMA和TDMA未發(fā)送的數(shù)據(jù)包顯著增加，這是因?yàn)楫?dāng)δ增加時(shí)，產(chǎn)生的數(shù)量增加，未發(fā)送的數(shù)據(jù)比例自然增加。無(wú)論δ如何變化，CD-TDMA未發(fā)送數(shù)據(jù)的概率都比傳統(tǒng)的TMDA要小，證明了CD-TDMA協(xié)議可以有效地利用協(xié)作提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

4 結(jié)論

本文提出的動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙的CD-TDMA算法，通過(guò)協(xié)作傳輸曾經(jīng)傳輸失敗的數(shù)據(jù)包，提高了數(shù)據(jù)包的傳輸概率。仿真結(jié)果證明了CD-TDMA可以在不同的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率下，比傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。本文提出的CD-TDMA假設(shè)所有的節(jié)點(diǎn)都可以直接通信，在以后的工作中，需要研究在多跳通信的情況下，CD-TDMA協(xié)議的具體性能。

［1］LANEMAN JN，WORNELLGW，TSED NC.Cooperative diversity in wireless networks:efficient protocols and outage behavior［J］.IEEE Trans.Information Theory，2004，50(12):3062-3080.

［2］NOSRATINIA A，HUNTER TE，HEDAYAT A.Cooperative communication in wireless networks［J］.IEEE Communication Magazine，2004，42(10):74-80.

［3］王翠，唐加山.協(xié)作通信技術(shù)在惡劣信道條件下的應(yīng)用研究［J］.電視技術(shù)，2013，37(13):101-104.

［4］SADEK A K，LIU K JR，EPHREMIDESA.Collaborativemultiple-access protocols for wireless networks［C］//Proc.IEEE ICC’06.Istanbul:IEEE Press，2006:4495-4500.

［5］JIAO H Z，LI F Y.A mini-slot-based cooperative MAC protocol for wireless mesh networks［C］//Proc.IEEE Global Communicaitons Workshops.Miami:IEEE Press，2010:89-93.

［6］YANG Zhuo，YAO Yudong，LIXiaochen，et al.A TDMA-based MAC protocol with cooperative diversity［J］.IEEE Comm.Letters，2010，14 (6):542-544.

［7］JIAN Z，KUHN M，WITTNEBEN A，et al.Cooperative transmission schemes for decode-and-forward relaying［C］//Proc.IEEE 18th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile radio Communications.Athens:IEEE Press，2007:1-5.

［8］LEE J K，LEE K M，LIM J S.Distributed dynamic slot assignment scheme for fastbroadcast transmission in tacticalad hoc networks［C］// Proc.IEEEMILCOM.Orlando:IEEE Press，2012:1-6.

［9］ GOLDSMITH A J.Wireless Communications［M］.New York:Cambridge University Press，2005.

Dynam ic Time Slot Assignment Algorithm of Cooperative Retransm ission

TIAN Yu1，SONG Xiao’ou2
(1.School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China; 2.Department of Information Engineering，Engineering University of CAPF，Xi’an 710086，China)

Cooperative communication is an efficient technique to reduce the outage probability of the data transmitted in fading channels，which can enhance transmission rate.However，cooperative communication consumes extra bandwidth in TDMA systems.It is not clear thatwhether cooperative communication can overcome the bad effectof itself to enhance the transmission rate.An ordering stage is added to the front of the TDMA frame for listening and dynamically assigning slots.If a node has no new data generated at the beginning of a frame，it has the obligation to transmit the failed packets of the other nodes cooperatively.The algorithm enhances the successful retransmission probability and the network throughput.The simulation result shows that the algorithm can enhance the network throughput efficiently in spite of consuming extra slots compared to traditional TDMA access protocol.

wireless network;TDMA;cooperation;dynamic slot assignment

TP393

A

?? 京

2014-04-22

【本文獻(xiàn)信息】田雨，宋曉鷗.協(xié)作重傳的動(dòng)態(tài)TDMA時(shí)隙分配算法［J］.電視技術(shù)，2014，38(23).

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61309008)

田 雨(1985—)，博士生，主研無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)和抗干擾通信;

宋曉鷗(1983—)，女，講師，博士，主研無(wú)線通信、數(shù)字信號(hào)處理。