陳柯帆，呂 娜，張偉龍，包志祥

（空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安710077）

0 引 言

由于協(xié)作通信改變了傳統(tǒng)的通信方式，導(dǎo)致現(xiàn)有的MAC （medium access control）協(xié)議在協(xié)作通信模式下存在明顯不足，需要研究合適的MAC 協(xié)議來有效地利用協(xié)作通信技術(shù)提供的物理層優(yōu)勢［1］。

文獻 ［2，3］提出針對802.11的協(xié)作MAC 協(xié)議；文獻［4］提出一種采用協(xié)作機制的時隙ALOHA 協(xié)議，較好改善了采用隨機接入類MAC 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。針對時分多址 （TDMA）網(wǎng)絡(luò)，目前已有一些協(xié)作MAC 協(xié)議提出，但依然不多。文獻 ［5］提出一種基于微時隙設(shè)計的協(xié)議，雖然提高了傳輸成功率，但并沒有說明微時隙的引入對整個網(wǎng)絡(luò)性能的影響；文獻 ［6］提出一種C－TDMA協(xié)議，分析結(jié)果表明C－TDMA 較傳統(tǒng)的TDMA，較大提高了系統(tǒng)吞吐量，但C－TDMA 是基于時隙固定分配的TDMA設(shè)計的，并未擴展到動態(tài)TDMA 中；文獻 ［7］將協(xié)作技術(shù)擴展到動態(tài)TDMA 中，提出一種基于動態(tài)TDMA 的協(xié)作MAC協(xié)議，進一步提高了系統(tǒng)吞吐量。

對于節(jié)點具有相同優(yōu)先級的自組織網(wǎng)絡(luò)，某一節(jié)點由于數(shù)據(jù)傳輸失敗帶來的不斷重傳將造成傳輸失敗節(jié)點的緩存區(qū)數(shù)據(jù)積壓，嚴(yán)重影響該節(jié)點的傳輸性能，導(dǎo)致該節(jié)點傳輸?shù)男畔⒉荒芗皶r有效被其它節(jié)點獲取。文獻 ［7］利用網(wǎng)絡(luò)中無數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點的空閑數(shù)據(jù)時隙進行協(xié)作重傳，對于業(yè)務(wù)量持續(xù)恒定的網(wǎng)絡(luò)，及高業(yè)務(wù)量或是存在較大干擾的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)中節(jié)點在自身時隙內(nèi)無數(shù)據(jù)發(fā)送的概率很小，傳輸失敗節(jié)點獲得的吞吐量較有空閑數(shù)據(jù)時隙時大幅降低。

針對以上問題，本文在動態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議（C－DTDMA）基礎(chǔ)上進行了改進，提出一種基于業(yè)務(wù)量感知的動態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議，并通過建立數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值仿真分析，得出了相應(yīng)結(jié)論。

1 協(xié)議描述

本節(jié)詳細(xì)描述改進的動態(tài)TDMA 協(xié)作MAC協(xié)議。

1.1 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本文改進的協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)與文獻 ［7］相似，由控制時隙部分與數(shù)據(jù)時隙部分組成。網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點對應(yīng)一個控制微時隙［8］，控制微時隙用于發(fā)送預(yù)約類相關(guān)信息和節(jié)點業(yè)務(wù)量信息。數(shù)據(jù)發(fā)送部分每一個數(shù)據(jù)時隙由數(shù)據(jù)發(fā)送與反饋時隙組成，在數(shù)據(jù)發(fā)送后，節(jié)點在反饋時隙接收來自目的節(jié)點的反饋信息，傳輸成功則收到ACK 報文，傳輸失敗則收到NACK 報文。

圖1 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

1.2 業(yè)務(wù)量感知過程

本文以節(jié)點IP層緩存區(qū)數(shù)據(jù)包的數(shù)量來表征節(jié)點業(yè)務(wù)量的大小，緩存數(shù)據(jù)包數(shù)量越多說明節(jié)點的業(yè)務(wù)量越大。利用跨層的思想，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在每一幀自身數(shù)據(jù)時隙完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，便讀取IP層緩存區(qū)的數(shù)據(jù)包數(shù)量，在其它時刻不進行讀取。在控制信息交互階段，將所讀取的數(shù)據(jù)包數(shù)通過控制報文發(fā)送至其它節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點維護一張緩存區(qū)記錄表用于記錄當(dāng)前自身以及網(wǎng)中其它節(jié)點的緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量，當(dāng)接收到其它節(jié)點通過控制報文廣播的緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量信息，便立即對緩存區(qū)記錄表進行更新。

1.3 數(shù)據(jù)包傳輸流程

如圖2所示，節(jié)點A 發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點D。在全連通網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點B與節(jié)點C在節(jié)點A 發(fā)送時接收A 發(fā)往D 的數(shù)據(jù)包并緩存到協(xié)作數(shù)據(jù)包緩存區(qū)中。若D 成功接收A 發(fā)送的數(shù)據(jù)包，則發(fā)送ACK 報文，節(jié)點A，B，C 收到來自節(jié)點D 的ACK 報文，則丟棄其緩存的A 發(fā)往節(jié)點D 的數(shù)據(jù)包。若由于信道環(huán)境影響導(dǎo)致D 接收數(shù)據(jù)包出錯，則D 發(fā)送NACK 報文，節(jié)點A，B，C 在收到NACK 報文后，則準(zhǔn)備在下一幀進行協(xié)作重傳。

圖2 數(shù)據(jù)包傳輸

1.4 協(xié)議運行流程與協(xié)作重傳機制

如圖2所示，若節(jié)點A 傳輸失敗，則節(jié)點A，B，C 在下一幀將對A 傳輸失敗的數(shù)據(jù)包進行協(xié)作重傳，以提高A重傳數(shù)據(jù)的可靠性。在控制時隙階段，網(wǎng)內(nèi)每個節(jié)點在自身控制微時隙期間不僅廣播時隙動態(tài)占用信息，同時也要廣播自身業(yè)務(wù)量大小信息。

節(jié)點B，C若發(fā)現(xiàn)自身緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量小于節(jié)點A的數(shù)據(jù)包數(shù)量，則B，C將在自身控制微時隙期間申請利用自身數(shù)據(jù)時隙為節(jié)點A 重傳錯誤數(shù)據(jù)包，源節(jié)點A 也必須發(fā)送相應(yīng)申請。若除A 外沒有其它節(jié)點申請，則所有正確收到A 數(shù)據(jù)包的節(jié)點與A 一起在A 的數(shù)據(jù)時隙為節(jié)點A重傳相應(yīng)數(shù)據(jù)包，目的節(jié)點D 以MRC （最大比合并）的方式接收多節(jié)點協(xié)作傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。若有除節(jié)點A 外其它節(jié)點申請，節(jié)點A 在自身數(shù)據(jù)時隙傳輸其它數(shù)據(jù)，并在選中的申請節(jié)點的數(shù)據(jù)時隙與其它節(jié)點一起重傳錯誤數(shù)據(jù)包。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，提前申請的節(jié)點具有較高的優(yōu)先級，即若B的控制微時隙在C 之前，并在C 之前進行申請，則C偵聽到B的申請后，放棄自身對該錯誤數(shù)據(jù)包的申請，并在B的數(shù)據(jù)時隙部分幫助A 重傳錯誤數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)時隙部分協(xié)議的運行如圖3所示。

協(xié)作重傳機制需通過控制時隙部分的信息交互才能實現(xiàn)。通過控制信息交互，每個節(jié)點更新并記錄其相鄰節(jié)點的緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量信息。當(dāng)鄰居節(jié)點有傳輸失敗的數(shù)據(jù)包，且自身成功接收這一數(shù)據(jù)包，通過比較自身緩存區(qū)與記錄的鄰居節(jié)點的緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量大小，決定是否申請利用自身數(shù)據(jù)發(fā)送時隙為相應(yīng)鄰居節(jié)點協(xié)作重傳失敗數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包數(shù)量比鄰居節(jié)點大則申請，小則放棄申請。若在對某一傳輸失敗數(shù)據(jù)包進行申請前，已感知到其它節(jié)點對該數(shù)據(jù)包的申請，則放棄申請該數(shù)據(jù)包。若存在多個鄰居節(jié)點傳輸失敗，選擇未被申請的數(shù)據(jù)包進行申請，其它正確接收該數(shù)據(jù)包的節(jié)點在申請成功節(jié)點的數(shù)據(jù)時隙協(xié)作重傳該數(shù)據(jù)包。若無節(jié)點對某一鄰居節(jié)點的傳輸失敗數(shù)據(jù)包進行協(xié)作申請，則其它正確接收該數(shù)據(jù)包的節(jié)點在源節(jié)點的數(shù)據(jù)時隙協(xié)作重傳該數(shù)據(jù)包?？刂茣r隙部分協(xié)議運行如圖4所示。

2 系統(tǒng)模型及假設(shè)

為便于數(shù)學(xué)模型的建立，描述相關(guān)系統(tǒng)模型及假設(shè)條件。

圖3 數(shù)據(jù)時隙部分協(xié)議運行流程

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型與假設(shè)

本文考慮一個有N 個節(jié)點的全連通網(wǎng)絡(luò)，任意節(jié)點間可相互進行通信。每一幀的數(shù)據(jù)時隙部分有N 個時隙，與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量相同，且時隙長度相同。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度固定且相同，每個數(shù)據(jù)時隙只能發(fā)送1個數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生相互獨立，并且服從概率為δ的伯努利分布［9，10］。每個節(jié)點有兩個緩存區(qū)，一個為自身數(shù)據(jù)包緩存區(qū)，用于存儲自身需要發(fā)送數(shù)據(jù)，大小為L；一個為協(xié)作數(shù)據(jù)包緩存區(qū)，用于存儲將要協(xié)作重傳的數(shù)據(jù)包，大小為N－1。緩存區(qū)都采用FIFS （先到先服務(wù)）的服務(wù)方式。本文假設(shè)任意節(jié)點都能準(zhǔn)確無誤的接收其它節(jié)點發(fā)送的ACK 與NACK 報文。

2.2 物理層模型與假設(shè)

假設(shè)全網(wǎng)時間同步，所有節(jié)點均采用MISO （多收單發(fā)）收發(fā)方式。若有k－1個節(jié)點幫助源節(jié)點進行協(xié)作重傳，則形成天線數(shù)量為k的虛擬天線陣，在瑞利衰落信道下采用BPSK調(diào)制時，利用MRC方式接收數(shù)據(jù)的平均誤碼率為［11，13］

式中：r——k個協(xié)作節(jié)點傳輸鏈路的平均信噪比。假設(shè)任意一個時隙內(nèi)，信噪比保持恒定，對于一個含u 個比特的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包正確傳輸?shù)母怕蕿閜s（k）＝（1－Pb（r，k））u，其中Pb（r，k）表示當(dāng)有k 個節(jié)點協(xié)作傳輸時的誤碼率，ps（k）表示當(dāng)有k個節(jié)點協(xié)作傳輸時所有u 個比特正確傳輸?shù)母怕?，傳輸失敗的概率為pe（k）＝1－ps（k）。

3 數(shù)學(xué)建模與分析

本節(jié)基于C－TDMA［6，12］性能分析模型，對改進后的動態(tài)TDMA 協(xié)作MAC協(xié)議在瑞利衰落信道下傳輸失敗節(jié)點的吞吐量進行了數(shù)學(xué)建模。

令Qr（t）表示除源節(jié)點外其它節(jié)點中有t個節(jié)點幫助源節(jié)點重傳傳輸失敗數(shù)據(jù)包的概率，則

式中：ps（1）——當(dāng)k＝1，即沒有協(xié)作傳輸時，數(shù)據(jù)包正確傳輸?shù)母怕省?/p>

令pF（f）表示數(shù)據(jù)包傳輸失敗的平均概率

式中：pnth——相同數(shù)據(jù)包進行第n 次重傳的概率，pr（E｜nth）——第n次重傳依然傳輸失敗的概率。

圖4 控制時隙部分協(xié)議運行流程

由之前假設(shè)可知

式中：pe（1）——沒有協(xié)作傳輸時，數(shù)據(jù)包傳輸失敗的概率，pe（1）＝1－ps（1）。

通過上述分析，式 （3）可重新寫為

根據(jù)之前假設(shè)，數(shù)據(jù)包生成概率可用式 （6）表示，其中pi表示每個節(jié)點在上一次讀取緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量到本次讀取之間產(chǎn)生i個數(shù)據(jù)包的概率

對任意節(jié)點，其緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量的情況可近似用一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣B（L＋1）×（L＋1）進行描述，如式 （7）所示，其中行狀態(tài)表示當(dāng)前緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量，列狀態(tài)表示下一讀取時刻緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量，pF（s）表示數(shù)據(jù)包正確傳輸?shù)钠骄怕?，pF（s）＝1－pF（f）。本文假設(shè)每個節(jié)點的緩存區(qū)可以緩存L 個數(shù)據(jù)包，且僅考慮當(dāng)L 小于N時的情況

令l＝（l0，l1，l2……lL）表示在穩(wěn)定狀態(tài)下節(jié)點緩存區(qū)有 （0，1，2……L）個數(shù)據(jù)包的概率，由式 （8）可求出l0，l1，l2……lL的穩(wěn)態(tài)值

本文以數(shù)據(jù)包正確傳輸?shù)母怕蕘肀硎竟?jié)點的吞吐量。對于C－TDMA 協(xié)議，傳輸失敗的數(shù)據(jù)包總是利用源節(jié)點本身數(shù)據(jù)時隙進行協(xié)作重傳，故傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量可表示為

對于動態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議，由于可利用其它節(jié)點空閑的數(shù)據(jù)時隙進行協(xié)作重傳，故在有空閑時隙可用時，傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量大小為

無空閑時隙可用時，其吞吐量退化為C－TDMA 的吞吐量。于是動態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議下傳輸失敗節(jié)點的吞吐量可近似表示為

改進的動態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議通過比較網(wǎng)中節(jié)點與源節(jié)點的業(yè)務(wù)量 （IP 層數(shù)據(jù)緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量）大小，來決定網(wǎng)中節(jié)點是否申請利用自身數(shù)據(jù)時隙幫助源節(jié)點重傳傳輸失敗數(shù)據(jù)包。對任意節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中存在緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量大于自身節(jié)點的概率pg為

可以推導(dǎo)出改進后協(xié)議下傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量可表示為

比較式 （9）、式 （11）與式 （13），分析3 種協(xié)議的性能。

4 數(shù)值仿真分析

本節(jié)利用MATLAB仿真軟件對瑞利信道下C－TDMA，C－DTDMA，以及改進后的C－DTDMA 協(xié)議進行數(shù)值仿真分析。首先分析傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量變化的情況。

假設(shè)所有節(jié)點間的SNR （鏈路信噪比）固定為25dB；節(jié)點數(shù)據(jù)緩存區(qū)的大小為15，單位為數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)包大小為1024比特；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為20 個節(jié)點，且可以相互通信；通過式 （6）中節(jié)點數(shù)據(jù)包產(chǎn)生概率δ的變化來表征節(jié)點業(yè)務(wù)量的變化。對傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量進行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加，傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量也顯著提高。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較高時，節(jié)點的吞吐量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，主要原因是受節(jié)點發(fā)送速率以及信道環(huán)境的影響，限制了節(jié)點吞吐量的進一步提高。同時可以看出C－DTDMA 較C－TDMA 在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較低時，傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量明顯高于C－TDMA，主要是因為C－DTDMA 利用控制時隙的信息交互，使得傳輸失敗的節(jié)點可以利用網(wǎng)中無數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點的空閑時隙對傳輸失敗數(shù)據(jù)包進行協(xié)作重傳，而在自身數(shù)據(jù)時隙發(fā)送其它數(shù)據(jù)包。但隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)中無數(shù)據(jù)可發(fā)的節(jié)點數(shù)量大幅減少，導(dǎo)致傳輸失敗節(jié)點無其它空閑數(shù)據(jù)時隙可用，導(dǎo)致采用C－DTDMA的傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量大幅降低，性能退化為與C－TDMA 相同。

圖5 傳輸失敗節(jié)點下一次傳輸時吞吐量隨業(yè)務(wù)量變化情況

改進后的C－DTDMA 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較低時，傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量與C－DTDMA 一致，主要是因為在業(yè)務(wù)量較低時，網(wǎng)絡(luò)中存在空閑的數(shù)據(jù)時隙，改進后的C－DTDMA 與C－DTDMA 一樣都是利用空閑的數(shù)據(jù)時隙進行協(xié)作重傳。但隨著業(yè)務(wù)量的增加，改進后的C－DTAMA 協(xié)議的性能雖也有所下降，但穩(wěn)定時，傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量明顯高于C－DTDMA與C－TDMA，因為在無空閑時隙時，改進后的C－DTDMA 使得傳輸失敗節(jié)點仍然可以利用業(yè)務(wù)量小于自身的節(jié)點進行協(xié)作重傳，而在自身數(shù)據(jù)時隙傳輸其它數(shù)據(jù)包，提高了傳輸失敗節(jié)點的吞吐量。

下面考慮傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量隨鏈路信噪比變化的情況。δ的值分別為0.05 與0.03，其它條件與之前相同?？紤]SNR 從15dB 到40dB 變化，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6 （a）可以看出當(dāng)δ＝0.05時，即網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較大時，隨著SNR 的增加，傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量也快速增加，在接近40dB 時，受傳輸速率的限制趨于穩(wěn)定。同時C－TDMA 與C－DTDMA 的曲線幾乎重合，主要是由于在δ ＝0.05時，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較大，幾乎沒有空閑數(shù)據(jù)時隙，C－DTDMA 的性能與C－TDMA 相近。

由圖6 （b）可以看出在δ ＝0.03 時，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較小，在信噪比較低時，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸誤碼率高，傳輸失敗節(jié)點的數(shù)量較多，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量增大，幾乎沒有空閑的數(shù)據(jù)時隙，C－DTDMA 的性能與C－TDMA 性能相近。但隨著信噪比的增加，C－DTDMA 使發(fā)送失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量明顯高于C－TDMA。當(dāng)信噪比增加到超過25dB時，節(jié)點的吞吐量開始下降，并最終與C－TDMA 趨于一致，主要是因為隨著信噪比的增加，節(jié)點幾乎不會存在發(fā)送失敗數(shù)據(jù)包，傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量最終與發(fā)送成功的吞吐量一致。

圖6 傳輸失敗節(jié)點下一次傳輸時吞吐量隨信噪比變化情況

同時綜合圖6可以看出，在信噪比較低時，改進后的C－DTDMA 使得傳輸失敗節(jié)點在下一次傳輸時可獲得的吞吐量高于C－DTDMA 與C－TDMA，使得傳輸失敗節(jié)點的傳輸性能在高業(yè)務(wù)量網(wǎng)絡(luò)與低信噪比網(wǎng)絡(luò)下優(yōu)于C－DTDMA與C－TDMA，在低信噪比網(wǎng)絡(luò)下性能較優(yōu)的原因主要是在低信噪比下節(jié)點傳輸錯誤率高，幾乎沒有空閑的數(shù)據(jù)時隙，而改進后的C－DTDMA 使得傳輸失敗節(jié)點依然可以利用緩存區(qū)數(shù)據(jù)包數(shù)量較小的節(jié)點的數(shù)據(jù)時隙進行協(xié)作重傳。

5 結(jié)束語

本文通過對動態(tài)TDMA 協(xié)作MAC 協(xié)議 （C－DTDMA）進行改進，采用跨層的思想，提出了基于業(yè)務(wù)量感知的動態(tài)TDMA 協(xié)作MAC協(xié)議；并且通過建立數(shù)學(xué)模型與數(shù)值仿真，比較和分析了在瑞利衰落信道下C－TDMA，C－DTDMA 以及改進后的C－DTDMA 的協(xié)議性能。

仿真結(jié)果表明，改進后的C－DTDMA 協(xié)議使得傳輸失敗的節(jié)點在高業(yè)務(wù)量網(wǎng)絡(luò)下依然可以獲得較高的吞吐量，提升傳輸?shù)目煽啃?，避免由于傳輸失敗造成的緩存區(qū)數(shù)據(jù)積壓，確保傳輸失敗節(jié)點信息的有效傳輸；同時在低信噪比環(huán)境下，全網(wǎng)節(jié)點的傳輸錯誤率高，業(yè)務(wù)量較大節(jié)點利用業(yè)務(wù)量較小節(jié)點的數(shù)據(jù)時隙進行協(xié)作重傳，滿足業(yè)務(wù)量較大節(jié)點的吞吐量需求，保證了其數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸。

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