李 甲， 崔海霞

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006)

多信道節(jié)點分布式協(xié)作MAC協(xié)議的研究

李 甲， 崔海霞*

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006)

提出了一種基于協(xié)作增量值(CIV)的協(xié)作MAC協(xié)議(CIV-MAC). 在CIV-MAC中，備選協(xié)作節(jié)點通過偵聽多路信道控制幀獲得信道狀態(tài)信息(CSI)，并計算自身CIV；根據(jù)節(jié)點的CIV，協(xié)議會實行協(xié)作節(jié)點分配和選擇機制并選出最優(yōu)的協(xié)作節(jié)點，同時通過采用最小功率控制算法來降低系統(tǒng)能量消耗. 以網(wǎng)絡(luò)實際有效吞吐量和能量效率2個參數(shù)為網(wǎng)絡(luò)性能指標，通過2個不同場景的仿真實驗結(jié)果得到，相對于RBAR協(xié)議和CRBAR協(xié)議，CIV-MAC可以極大地提升系統(tǒng)性能.

協(xié)作通信； 多信道傳輸； 協(xié)作分配與選擇

在通信系統(tǒng)中，自適應(yīng)速率選擇技術(shù)[1]和MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)能夠有效提升系統(tǒng)性能成為研究熱點. 在分布式網(wǎng)絡(luò)中，通過多個終端合作構(gòu)成虛擬天線陣列實現(xiàn)虛擬MIMO成為當前硬件條件下一種切實可行的協(xié)作分集技術(shù)[2]. 協(xié)作分集技術(shù)在物理層已經(jīng)獲得廣泛研究[3-4]，但是在MAC層的協(xié)作性能還沒有被充分發(fā)掘. 現(xiàn)有協(xié)作MAC研究可分為：基于中繼[5-7]和基于虛擬天線陣列(VA)[8]. 盡管基于VA的協(xié)作能更好地實現(xiàn)分集增益，但此類協(xié)作MAC協(xié)議往往需要更加復(fù)雜的協(xié)議過程和更為苛刻的硬件條件，使得協(xié)議的廣泛實施存在一些現(xiàn)實問題. 近幾年協(xié)作MAC協(xié)議已獲得一定發(fā)展[8-9]，但針對大規(guī)模無線分布式網(wǎng)絡(luò)中多個信源信宿對[10]在數(shù)據(jù)傳輸時協(xié)作節(jié)點的分配和選擇問題并沒有得到很好的研究. 針對此問題，文獻[11]提出了一種最優(yōu)中繼節(jié)點的分配算法(ORA)，但是ORA算法假定所有節(jié)點無論距離遠近都可以彼此通信，且工作在PCF(中心控制)方式下，對完全分布式網(wǎng)絡(luò)參考意義不大，且僅以信道容量為性能指標，沒有考慮功率控制的問題，也沒有具體的信道控制過程，因此，此協(xié)議無法應(yīng)用于無線分布式網(wǎng)絡(luò).

為此，本文基于多信道協(xié)作節(jié)點分配提出一種綜合考慮網(wǎng)絡(luò)實際有效吞吐量、能量效率和協(xié)作增益[12]的CIV-MAC協(xié)議. 仿真結(jié)果顯示，與直傳RBAR(基于接收端的速率自適應(yīng)協(xié)議)[13]和信道瞬時CSI(信道狀態(tài)信息)協(xié)作的CRBAR(基于協(xié)作中繼的速率自適應(yīng)協(xié)議)[14]相比，CIV-MAC能夠極大地提高系統(tǒng)性能，且廣泛適用各種復(fù)雜鏈路.

1 系統(tǒng)模型

協(xié)議的系統(tǒng)模型如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點均為平等關(guān)系，不存在超能節(jié)點，所有協(xié)作節(jié)點隨機分布，A向C發(fā)送信息，同時B向D發(fā)送信息，但是A-C、B-D采用不同的信道. 系統(tǒng)中所有節(jié)點均可以同時偵聽多路信道，但是同一時刻只能服務(wù)于1個目的節(jié)點，這在當前終端設(shè)備中容易實現(xiàn).

圖1 系統(tǒng)模型Figure 1 System model

A→C和B→D處在不同信道，當A和B需要發(fā)送數(shù)據(jù)時候，周圍節(jié)點同時偵聽到A和B發(fā)出的RTS(請求發(fā)送控制幀)控制幀、以及C和D回復(fù)的CTS(同意發(fā)送控制幀)控制幀. 通過對不同信道控制幀的偵聽，周圍節(jié)點可以獲得包含在CTS控制幀中的直傳CSI；通過對RTS/CTS的偵聽，周圍節(jié)點分別獲得自身和信源信宿的CSI. 然后據(jù)此節(jié)點分別計算出在A→C信道和B→D信道的CIV(協(xié)作增量值)，并選擇協(xié)作CIV最高的信道，如H選擇協(xié)作B→D，放棄協(xié)作A→C. 協(xié)作節(jié)點分配過程完成后，經(jīng)過3次分組退避過程選出最優(yōu)協(xié)作節(jié)點并參與數(shù)據(jù)傳輸過程，如H被選中參與B→D的傳輸(圖1)，則B→D傳輸過程為B→H→D，如果A→C沒有被分配到較好的協(xié)作節(jié)點則仍然采用直傳.

此外，對系統(tǒng)做如下設(shè)定：

(1)在完全分布式無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為避免因協(xié)作節(jié)點的引入造成突發(fā)同信道干擾進而影響相鄰鏈路數(shù)據(jù)傳輸，通過上層協(xié)議調(diào)度使得相鄰鏈路采用不同信道，而這在當前條件下是切實可行的.

(2)所有終端工作方式均為半雙工，均只帶有1根全向天線，可同時偵聽多路信道但是同一時刻只能服務(wù)于1個目的終端，所有節(jié)點有最大功率限制，控制幀均采用最大功率發(fā)送.

(3)兩節(jié)點之間的CSI在數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時間內(nèi)保持不變，且信道狀況為瑞利信道加高斯白噪聲，衰落因子保持不變[15].

2 CIV-MAC協(xié)議

在描述CIV-MAC協(xié)議之前，對本節(jié)要用到的符號做統(tǒng)一解釋：D表示控制幀和數(shù)據(jù)幀中的“持續(xù)時間”，t表示相應(yīng)控制幀的傳輸時間，L為數(shù)據(jù)長度，R為數(shù)據(jù)傳輸速率，SH代表信源到協(xié)作節(jié)點，HD代表協(xié)作節(jié)點到目的節(jié)點，SD代表直傳情況信源到信宿，SIFS為短幀間隔.

2.1 協(xié)議過程

2.1.1 信源 需要發(fā)送數(shù)據(jù)的同信道節(jié)點經(jīng)過CSMA/CA成功搶占信道之后，經(jīng)過1個DIFS時間間隔向信宿發(fā)送RTS控制幀，RTS控制幀為原始802.11控制幀，其中包含對信道預(yù)約的時間：

DRTS=tCTS+tGI+tMI+tRE+tRTH+5 SIFS，

(1)

其中，tGI、tMI、tRE、tRTH分別是組間競爭、組內(nèi)競爭、隨機競爭、協(xié)作返回幀(RTH)的退避時延.

周圍同信道節(jié)點偵聽到RTS后，會根據(jù)控制幀中的持續(xù)時間調(diào)整其設(shè)置. 如此設(shè)定DRTS是為了有效對抗數(shù)據(jù)傳輸時暴露終端搶占信道導(dǎo)致的同信道競爭沖突，進而造成數(shù)據(jù)傳輸失??；同時也是為了給協(xié)作存在預(yù)留足夠的信道控制時間，確保協(xié)作傳輸成功. 此外信源需要設(shè)定1個計時器，如果超出計時器未收到CTS，則信源放棄此次傳輸，所有信源節(jié)點重新進入退避. 收到信宿發(fā)來的CTS之后，信源等待1個SIFS時間間隔，如果收到協(xié)作節(jié)點發(fā)出的RTH控制幀，則信源根據(jù)RTH中的協(xié)作節(jié)點地址和信源到協(xié)作節(jié)點之間的瞬時CSI選擇相應(yīng)的調(diào)制方式、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和發(fā)送功率向協(xié)作節(jié)點地址發(fā)送數(shù)據(jù). 如果信源未收到RTH，則按照CTS中包含的CSI調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率和發(fā)送功率直接向信宿發(fā)送數(shù)據(jù). 如果信源成功收到ACK(確認接收控制幀)，則本次傳輸成功，否則系統(tǒng)進入重傳機制或放棄此次傳輸. 2.1.2 協(xié)作節(jié)點 同時偵聽到多路信道控制幀的備選協(xié)作節(jié)點，如圖1中的H，它可以同時偵聽到A-C和B-D這2個不同信道中的控制幀信息. 偵聽RTS控制幀和CTS控制幀分別對協(xié)作節(jié)點到信源和信宿的CSI做預(yù)測，并通過接收CTS控制幀獲取直傳CSI. 由此所有備選協(xié)作節(jié)點計算不同信道下的CIV值. 找出最大的CIV值后，將節(jié)點分配到相應(yīng)的信道中參與協(xié)作. 協(xié)作節(jié)點分配完成后，通過3組退避過程[8]選出同信道下的最優(yōu)協(xié)作節(jié)點.

2.1.3 信宿 信宿接收到信源發(fā)送的RTS后，通過偵聽RTS信號強度對直傳CSI做出預(yù)測，并將直傳CSI放置在CTS控制幀中，信宿發(fā)送CTS控制幀通知信源可在當前CSI狀態(tài)下直傳，并針對信源不同數(shù)據(jù)發(fā)送速率調(diào)整相應(yīng)的接收方式. 此外周圍潛在協(xié)作節(jié)點通過偵聽CTS獲得直傳CSI，并進一步做出協(xié)作判斷.

盡管直傳情況和協(xié)作情況CTS中duration所設(shè)定的時間本應(yīng)是不同的，但為了給協(xié)作存在預(yù)留足夠的時間，防止協(xié)作出現(xiàn)時候隱藏終端的出現(xiàn)使得信宿無法正確接收RTH，所以需要設(shè)定DCTS. 如果信宿正確接收到RTH，則信宿根據(jù)RTH中協(xié)作節(jié)點到信宿的CSI調(diào)整自身接收方式，否則信宿一直以直傳CSI為根據(jù)的接收方式等待接收數(shù)據(jù)信息. 信宿正確接收到數(shù)據(jù)信息后，廣播ACK通知信源，并告知周圍節(jié)點此次傳輸過程結(jié)束. 為了清楚地理解前面表述，CTS和RTH控制幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示，協(xié)議過程見圖3.

圖2 改進的控制幀結(jié)構(gòu)

Figure 2 Improved control frame structure

圖3 協(xié)議過程Figure 3 Protocol process

2.2 CIV計算

本節(jié)介紹CIV的計算過程. CIV可通過如下公式計算：

CIV=UH/WH-UZ/WZ，

(2)

(3)

(4)

tHT=L/RSH+L/RHD，

(5)

tZT=L/RZ，

(6)

W=PX×tCON+PF×tT，

(7)

其中，PF=PX/10(SNR-θ)/10，SNR為信道瞬時信干噪比,θ為不同調(diào)制方式下數(shù)據(jù)可正確接收的閥值，UH和UZ分別為當前信道下節(jié)點參與協(xié)作的實際吞吐量和直傳實際吞吐量，WH和WZ分別為當前信道下節(jié)點參與協(xié)作情況下能量消耗和直傳情況下能量消耗，PX為所有終端最大發(fā)送功率，PF為終端經(jīng)過調(diào)整后實際發(fā)送數(shù)據(jù)時的發(fā)送功率，tCON為控制幀傳輸時間，tT為數(shù)據(jù)傳輸時間. 由于在分布式網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點能量均是有限的，所以在考慮系統(tǒng)實際有效吞吐量的同時需要盡可能提高能量利用效率、降低能量消耗、延長節(jié)點使用壽命. 在節(jié)點功率控制機制中，通過對信道信息的反饋，使得在滿足接收端剛好正確接收數(shù)據(jù)信息時，發(fā)送終端的發(fā)送功率PF達到最小.

2.3 協(xié)作節(jié)點分配

無線分布式網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)傳輸條件下，半雙工的終端設(shè)備可以同時偵聽到多路信道控制幀，但是同一時刻只能服務(wù)1個目的終端，從而會存在協(xié)作節(jié)點如何分配使得系統(tǒng)整體性能最優(yōu)的問題. 在無線分布式網(wǎng)絡(luò)中，所有備選協(xié)作節(jié)點偵聽各個信道RTS/CTS，獲取協(xié)作節(jié)點分別到信源和信宿的CSI，并提取CTS中的直傳CSI，由此計算節(jié)點在不同信道下的CIV. 然后協(xié)作節(jié)點被分配到獲得最大CIV值的信道提供協(xié)作服務(wù). 此機制采用一種局部最優(yōu)的方法確保所有備選協(xié)作節(jié)點為整個系統(tǒng)提供最大可能的協(xié)作增益，從而提升了系統(tǒng)性能.

采用協(xié)作節(jié)點分配算法可有效提高系統(tǒng)整體性能，因為，同時偵聽多路信道的協(xié)作節(jié)點對不同信道的協(xié)作增益不同，協(xié)作節(jié)點對整個系統(tǒng)的增益會隨著節(jié)點選擇的協(xié)作對象而變化，從分布式無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體來考慮，必然希望所有可能的協(xié)作節(jié)點對整個系統(tǒng)所產(chǎn)生的協(xié)作增益最大化. 然而完全分布式網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點平等，不存在可以中心調(diào)度系統(tǒng)整體的超能節(jié)點，也就不存在協(xié)作節(jié)點之間的協(xié)商選擇. 所以采用本文的方法，通過協(xié)作節(jié)點對不同信道CIV的計算，定量表示出協(xié)作節(jié)點對不同信道的協(xié)作增益，進而選擇造成協(xié)作增益最大的信道參與下一步同信道競爭，雖然對相對優(yōu)質(zhì)直傳鏈路存在一定的不公平，但對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體而言卻會收到很大的正增益，系統(tǒng)性能也會獲得提升.

2.4 協(xié)作節(jié)點競爭

經(jīng)過協(xié)作節(jié)點分配過程之后，根據(jù)文獻[16]方法做出適應(yīng)本文協(xié)議的改進，即處于同一信道的所有備選協(xié)作節(jié)點根據(jù)各個協(xié)作節(jié)點的CIV，退避競爭找出最優(yōu)協(xié)作節(jié)點，這里退避窗口反比于CIV的值. 被選中的協(xié)作節(jié)點將會發(fā)送RTH搶占信道并表明協(xié)助本次傳輸. 如果不存在良好的協(xié)作節(jié)點或者協(xié)作節(jié)點競爭信道沖突，則信源直接向信宿發(fā)送信息.

3 仿真

通過仿真實驗對CIV-MAC、RBAR、CRBAR三種協(xié)議進行了對比分析，目標參數(shù)分別是系統(tǒng)有效吞吐量和能量效率.

3.1 參數(shù)設(shè)定

所有備選協(xié)作節(jié)點隨機分布在120 m×120 m的空間范圍內(nèi)，信源一直有數(shù)據(jù)發(fā)送，所有節(jié)點根據(jù)CSI做出發(fā)送和接收調(diào)整，具體參數(shù)見表1. 節(jié)點最大發(fā)送功率PX，控制幀等參數(shù)設(shè)置見表2. 設(shè)定A～C之間距離為60 m、B～D之間距離為90 m，L默認為1 024 b，拓撲圖分別是圖1和圖4兩種場景.

表1 接收閥值參數(shù)Table 1 The receiving threshold

表2 協(xié)議參數(shù)Table 2 Protocol parameters

圖4 實驗拓撲圖Figure 4 Experimental topology

3.2 仿真結(jié)果和分析

3種協(xié)議下的能量消耗(圖5)結(jié)果表明，RBAR作為直傳協(xié)議，其功耗最大，這是因為節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)時，信道條件越差，則所需要的發(fā)送功率越高. 采用協(xié)作方式的CRBAR和CIV-MAC由于引入了信道狀況更好的協(xié)作節(jié)點，使在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中所需平均發(fā)送功率較小. 而CIV-MAC之所以在功率消耗上比CRBAR性能更優(yōu)，因為在節(jié)點選擇時CIV的設(shè)定綜合考慮了吞吐量和能量消耗，而且由于CIV-MAC中采用了節(jié)點分配算法，參與協(xié)作傳輸?shù)膮f(xié)作節(jié)點對系統(tǒng)增益總是最大，最終實現(xiàn)系統(tǒng)在具有較好吞吐量的同時能量消耗相對較低.

圖5 不同節(jié)點數(shù)的能量消耗Figure 5 Energy consumption at different node numbers

隨著節(jié)點密度增大，采用CIV-MAC和CRBAR的系統(tǒng)吞吐量均會逐漸提升(圖6)，CIV-MAC吞吐量比CRBAR高. 這是因為協(xié)作通信的引入使得信道狀況良好的協(xié)作節(jié)點幫助直傳信道情況較差的鏈路傳輸數(shù)據(jù)，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，系統(tǒng)吞吐量也因此會獲得提升，而且CIV-MAC采用了協(xié)作通信技術(shù)，在協(xié)作節(jié)點選擇時考慮了節(jié)點對系統(tǒng)協(xié)作增益最優(yōu)的問題，促使節(jié)點進入?yún)f(xié)作增益更大的信道參與協(xié)作，從而使系統(tǒng)性能進一步提升，采用CIV-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)實際有效吞吐量明顯優(yōu)于CRBAR協(xié)議.

圖6 不同節(jié)點數(shù)的吞吐量Figure 6 Throughput at different node numbers

圖7和圖8是在圖4拓撲結(jié)構(gòu)下的仿真結(jié)果，在圖5兩條鏈路平行的情況下，系統(tǒng)吞吐量和能量效率仍然是CIV-MAC優(yōu)于CRBAR，而CRBAR又優(yōu)于RBAR. 由此證明無論無線網(wǎng)絡(luò)中相鄰鏈路之間的位置關(guān)系如何，CIV-MAC協(xié)議均適用且表現(xiàn)優(yōu)良. 由于控制幀在整個傳輸過程中占用的時間百分比會隨著數(shù)據(jù)長度的增加而增小，所以正如圖7和圖8所示，吞吐量會隨著L的增加而變大，能量效率會隨著L的增大而降低.

圖7 不同數(shù)據(jù)包長度下節(jié)點數(shù)的能量消耗

Figure 7 Energy consumption of nodes under different packet lengths

圖8 不同數(shù)據(jù)包長度下節(jié)點數(shù)的吞吐量Figure 8 Throughput of nodes under different packet lengths

4 結(jié)論

提出針對分布式多信道協(xié)作節(jié)點分配與選擇的CIV-MAC協(xié)議，通過在協(xié)作節(jié)點分配和選擇時考慮到協(xié)作節(jié)點對系統(tǒng)整體的增益，采用局部最優(yōu)的方案以及CIV值的設(shè)定有效地提升了系統(tǒng)性能，極大地提高了無線DCF多信道網(wǎng)絡(luò)的實際有效吞吐量和能量效率. 通過信道控制過程的具體可實施性闡述，在當前終端設(shè)備條件下無線DCF網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，CIV-MAC協(xié)議可以獲得廣泛的應(yīng)用.

[1] LANEMAN J N,TSE D N C,WORMELL G W. Cooperative diversity in wireless networks:efficient protocols and outage behavior[J]. IEEE Transactions on Information Theory,2004,50(12):3062-3080.

[2] KHAN R A M,KARL H. MAC protocols for cooperative diversity in wireless LANs and wireless sensor networks[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials,2014,16(1):46-63.

[3] CUI S,GOLDSMITH A J,BAHAI A. Energy-efficiency of MIMO and cooperative MIMO techniques in sensor networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2004,22(6):1089-1098.

[4] RIBEIRO A,CAI X,GIANNAKIS G B. Symbol error probabilities for general cooperative links[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2005,4(3):1264-1273.

[5] LIU P,TAO Z,NARAYANAN S,et al. CoopMAC:a cooperative MAC for wireless LANs[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2007,25(2):340-354.

[6] ZHU H,CAO G. rDCF:a relay-enabled medium access control protocol for wireless Ad Hoc networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing,2010,5(9):1201-1214.

[7] ZHANG Q,JIA J,ZHANG J. Cooperative relay to improve diversity in cognitive radio networks[J]. IEEE Communications Magazine,2009,47(2):111-117.

[8] ZHOU Y,LIU J,ZHENG L,et al. Link-utility-based cooperative MAC protocol for wireless multi-hop networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2011,10(3):995-1005.

[9] HUA Y,ZHANG Q,NIU Z. A cooperative MAC protocol with virtual-antenna array support in a multi-AP WLAN system[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2009,8(9):4806-4814.

[10]XIE K,WANG X,LIU X,et al. Interference-aware cooperative communication in multi-radio multi-channel wireless networks [J]. IEEE Transactions on Computers,2015,65(5):1528-1542.

[11]SHI Y,SHARMA S,HOU Y T,et al. Optimal relay assignment for cooperative communications[C]// ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing,MOBIHOC 2008,Hong Kong. NewYork:ACM,2008:3-12.

[12]LIU P,TAO Z,LIN Z,et al. Cooperative wireless communications:a cross-layer approach[J]. IEEE Wireless Communications,2006,13(4):84-92.

[13]HOLLAND G,VAIDYA N,BAHL P. A rate-adaptive MAC protocol for multi-hop wireless networks[C]// Proceedings of the 7th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking. New York:ACM,2001:236-251.

[14]GUO T, CARRASCO R. CRBAR:cooperative relay-based auto rate MAC formultirate wireless networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2009,8(12):5938-5947.

[15]LIU Q,ZHOU S,GIANNAKIS G B. Cross-layer combining of adaptive modulation and coding with truncated ARQ over wireless links[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2004,3(5):1746-1755.

[16]SHAN H,ZHUANG W,WANG Z. Cooperation or not in mobile Ad Hoc networks:a MAC perspective[C]// IEEE International Conference on Communications. [S.l.]:IEEE,2009:1-6.

【中文責編：譚春林 英文審校：肖菁】

Study on Distributed Cooperative MAC Protocol for Multi-Channel Transmission

LI Jia， CUI Haixia*

(School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

A cooperative MAC protocol based on cooperative increment value (CIV) for multi-channel (CIV-MAC) is proposed. In CIV-MAC, alternative cooperative nodes are able to sense multiple channel control frames to obtain the channel state information (CSI) and calculate its CIV. According to the nodes’ CIV, the protocol would implement cooperative node assignment and selection. And then, it chooses the optimal cooperative node. At the same time, the system energy consumption will be reduced by use of the minimum power control. Finally, the simulation results with two different scenarios show that CIV-MAC can greatly improve the system performance compared with RBAR and CRBAR protocol in terms of energy efficiency and throughput performance.

cooperative communication; multi-channel transmission; collaborative allocation and selection

2016-04-23 《華南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國家自然科學(xué)基金項目(61201255);廣州市科技計劃項目(201707010490)

TN929.5

A

1000-5463(2017)03-0011-06

*通訊作者:崔海霞，副教授，Email:cuihaixia@m.scnu.edu.cn.