姜宇嘉， 李旭， 邵小桃，孫晨華， 李國彥

(1.北京交通大學 電子信息工程學院, 北京 100044； 2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術重點實驗室， 河北 石家莊 050081)

無線多跳網(wǎng)絡可靠傳輸保障機制性能分析

姜宇嘉1，2， 李旭1，2， 邵小桃1，2，孫晨華1，2， 李國彥1，2

(1.北京交通大學 電子信息工程學院, 北京 100044； 2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術重點實驗室， 河北 石家莊 050081)

無線多跳網(wǎng)絡通過多個中繼節(jié)點進行信息傳輸，容易造成同一路徑上節(jié)點間干擾、路徑與路徑間干擾、多跳誤碼累積等問題，使可靠性保障成為多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y點。針對目前無線多跳網(wǎng)絡環(huán)境下綜合考慮機制參數(shù)、業(yè)務參數(shù)與信道參數(shù)的可靠性機制性能研究不足的問題，建立上述參數(shù)的相關機制模型，分析基本參數(shù)對冗余、重傳、網(wǎng)絡編碼3種多跳可靠性機制性能的影響。重點對網(wǎng)絡編碼機制的適用參數(shù)與適用環(huán)境進行建模、仿真、分析。根據(jù)無線多跳網(wǎng)絡信道環(huán)境優(yōu)化3種可靠性機制的機制參數(shù)，對比三者在不同環(huán)境下的性能。仿真結果表明：業(yè)務參數(shù)主要對網(wǎng)絡編碼機制的影響較大，在業(yè)務量大的情況下網(wǎng)絡編碼機制能夠達到更優(yōu)的性能；機制參數(shù)對協(xié)議的性能產(chǎn)生主要影響，通過信道參數(shù)對機制參數(shù)進行優(yōu)化能夠保證各機制在滿足投遞率性能的條件下達到更小的開銷；網(wǎng)絡編碼、混合自動請求重傳、前向糾錯編碼機制分別在誤比特率較低、中等、偏高的水平發(fā)揮更優(yōu)的性能。

通信技術； 無線通信； 多跳； 可靠性； 網(wǎng)絡編碼

0 引言

無線多跳網(wǎng)絡通信系統(tǒng)由多個無線收發(fā)設備組成，設備能夠自適應地構建無中心的無線網(wǎng)絡[1]。由于其組網(wǎng)快速、靈活、抗毀性強的特點，常被應用于軍事作戰(zhàn)、搶險救災、臨時通信等環(huán)境[2]。通過中繼節(jié)點的轉發(fā)，無線多跳網(wǎng)絡能夠達到更廣的覆蓋范圍，同時，節(jié)點數(shù)的增多也帶來了數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詳_與互擾。因此，如何在存在干擾的情況下進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸一直是無線多跳網(wǎng)絡的研究重點。

現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡可靠性機制按照其原理可分為冗余機制、重傳機制、超時機制、確認機制等。前向糾錯(FEC)編碼是典型的冗余機制，F(xiàn)EC編碼的冗余部分允許接收方檢測并糾正可能出現(xiàn)在信息任何地方的有限個差錯，且無需重傳[3]?；旌献詣诱埱笾貍?HARQ)中融入了冗余、重傳、超時與確認機制，僅通過添加少量的冗余校驗碼進行檢錯與糾錯，對不能進行糾正的錯碼包通過請求重傳的方式進行彌補，在一定程度上增大了時延，但每個數(shù)據(jù)包無需進行復雜的編碼操作。網(wǎng)絡編碼(NC)是一種以降低吞吐量為目的被提出的通信傳輸策略，通過源節(jié)點設定冗余包個數(shù)，利用中繼節(jié)點處理數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包按照是否能夠正確譯碼分類存儲，不能譯碼的數(shù)據(jù)包結合已經(jīng)正確解碼進行聯(lián)合譯碼，從而提高數(shù)據(jù)包的利用率與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

上述機制具有各自的優(yōu)勢，但在多跳網(wǎng)絡中也存在諸多問題。

在多跳環(huán)境中，如采用FEC作為可靠性機制，為使數(shù)據(jù)包在無線多跳網(wǎng)絡信道狀況最差的一跳正確傳輸，需要根據(jù)最高誤比特率進行冗余設定。在這種情況下，由于不是每一跳都需要糾正如此高的誤碼，將會造成不必要的編碼冗余開銷。此外，鏈路誤比特率不均會容易造成多跳鏈路中某一跳或多跳反復重傳，致使自動請求重傳機制消耗大量資源。NC雖然能夠通過補充發(fā)包對壞損的數(shù)據(jù)進行恢復，數(shù)據(jù)包利用率高，但隨著跳數(shù)的增加，受信道條件影響，NC包的譯碼成功率必會下降，其需要更多的冗余包以彌補譯碼失敗，產(chǎn)生更多的資源消耗。

針對上述3種機制存在的機制性能問題，現(xiàn)有的研究方向主要有基于信道估計的自適應碼率調(diào)整算法、基于編碼方式改進的編碼算法、基于場景的性能分析與機制策略改進等。但其中綜合考慮機制參數(shù)、業(yè)務參數(shù)、信道參數(shù)與跳數(shù)的無線多跳網(wǎng)絡性能分析較少，缺乏不同多跳場景下機制性能分析與比較，不能為無線多跳網(wǎng)絡實際可靠性機制選擇、優(yōu)化與設計提供參考。

在機制參數(shù)研究方面，文獻[4]針對FEC冗余機制需要根據(jù)信道狀況得出當前情況下最優(yōu)的碼率需求，提出在線碼率自適應算法，通過接收消息的信噪比計算最適的FEC碼率。該種算法能夠根據(jù)實時傳輸情況進行相應的FEC碼率調(diào)整，使FEC能夠針對不同信道條件添加最少的冗余，但其在優(yōu)化了FEC自身冗余開銷的同時由于需要接收端提供相應的信噪比反饋，增加了不必要的時間、空間資源消耗。大部分關于FEC的研究均為編碼矩陣的改進[5-6]，雖然改進后的FEC編碼能夠達到更好的性能，但是對于多跳場景是否適用尚需要進一步研究。文獻[7]研究了不同調(diào)制方式與最大重傳次數(shù)下HARQ機制的吞吐量，得出HARQ機制適用的最佳調(diào)制方式與最大重傳次數(shù)，但該文僅對吞吐量進行了分析，沒有考慮相關機制的資源消耗，且缺乏對多跳網(wǎng)絡環(huán)境的分析。此外，由于多點協(xié)作的方式能夠利用非業(yè)務路徑上的其他節(jié)點接收到的消息進行分集進而提高數(shù)據(jù)包投遞率，很多文獻[8-12]對協(xié)作HARQ進行研究，其研究重點在于主用戶和二級用戶間的交互過程，而沒有考慮由HARQ自身機制參數(shù)對系統(tǒng)可靠性的影響。文獻[13]則提出了一種基于多路徑路由的自適應網(wǎng)絡編碼策略，通過調(diào)整發(fā)送包組的大小與冗余包的個數(shù)權衡了網(wǎng)絡編碼可靠性與時延的性能，但是缺乏針對多跳場景的分析與設計。

在業(yè)務參數(shù)方面，文獻[14]采用能量自適應，通過限定節(jié)點的能量消耗均衡網(wǎng)絡業(yè)務負載，以延長鏈路生存時間滿足可靠性要求，是一種從鏈路間業(yè)務量角度出發(fā)改善傳輸質量的優(yōu)化方法。文獻[15]同樣對業(yè)務參數(shù)進行研究，采用馬爾可夫鏈對HARQ包受業(yè)務場景影響的性能進行分析，得出包的投遞率受包的到達率約束的結論。這兩種方法均缺乏對多跳網(wǎng)絡性能的分析，且沒有考慮信道干擾造成的數(shù)據(jù)傳輸不可靠，僅在業(yè)務壓力大時對節(jié)點進行了分流或限流。

在信道參數(shù)方面，基于物理層的研究較多。文獻[16]基于多輸入多輸出技術，通過獲取多天線發(fā)送消息的時延分布構造利于當前傳輸?shù)淖顑?yōu)信道，使信道長度與多輸入多輸出系統(tǒng)配置適應當前傳輸。文獻[16]對信道條件惡劣的情況進行了規(guī)避，沒有具體分析信道對機制性能的影響。文獻[17-18]的研究基于基站與兩個用戶端分別相連的簡單拓撲場景，對不同信干比與不同復用增益下的網(wǎng)絡編碼可靠性機制中斷概率和分集增益進行分析。但由于場景較為單一，缺乏在無線多跳場景下的適用性。

在多跳性能分析方面，文獻[19]在給定丟包率的情況下，對單奇偶校驗FEC的單跳和多跳性能進行了對比，但缺乏對跳數(shù)與冗余的關系進行分析。很多文獻都側重于協(xié)議層面的可靠性研究，而非可靠性機制，如路由協(xié)議[20-22]、MAC層協(xié)議[23-24]等。因此，無線多跳網(wǎng)絡可靠性機制性能仍具較大的研究價值。

綜上所述，雖然目前對可靠性機制的研究仍在不斷發(fā)展，但缺乏針對多跳場景機制參數(shù)、業(yè)務參數(shù)、信道參數(shù)與可靠性性能的研究，如何根據(jù)多跳網(wǎng)絡環(huán)境確定適用的機制，怎樣量化機制參數(shù)、業(yè)務參數(shù)、信道參數(shù)以反映其在各機制多跳性能中的影響，仍有待進一步研究。因此，本文針對無線多跳網(wǎng)絡不同信道環(huán)境下FEC機制、HARQ機制、NC機制進行建模，量化了3類基本參數(shù)與資源消耗的關系，并對不同參數(shù)條件下的機制性能進行分析，確定了在多跳傳輸中機制的適用條件，為無線多跳網(wǎng)絡的可靠性機制設計提供參考。

1 可靠性性能建模分析

機制參數(shù)、業(yè)務參數(shù)與信道參數(shù)是影響機制可靠性性能的本質因素，針對各機制性能進行建?？梢詫⒂绊懺撔阅艿膮?shù)抽象到相關性能表達式中，為后續(xù)比較與仿真奠定基礎?？紤]到機制在各種無線多跳網(wǎng)絡的普適性，本文選擇現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡冗余、重傳機制中較為常用的FEC機制、HARQ機制及當前研究熱點網(wǎng)絡編碼機制進行性能研究。而分組碼能夠將信息序列分組后再進行單獨編碼，本組中的碼元與其他各組信息無關，不會受到由鄰居碼元譯碼錯誤產(chǎn)生的影響；選擇重傳式HARQ相比于停等式與后退N步能夠節(jié)省資源消耗。因此，在這兩種機制的子類中，本文分別選擇分組碼與選擇重傳作為研究重點。

根據(jù)無線通信網(wǎng)絡中機制、業(yè)務、信道參數(shù)的量化標準，本文根據(jù)不同機制特性將FEC糾錯位數(shù)、HARQ最大傳輸次數(shù)、NC冗余包個數(shù)作為機制參數(shù)，數(shù)據(jù)包達到率、包長作為業(yè)務參數(shù)，由于本文基于機制層面不進行硬件優(yōu)化，因此僅用誤比特率作為信道參數(shù)反映信道情況。

1.1 開銷性能模型分析

(1)

或

(2)

式中：n,k,t∈Z+；構建碼字滿足約束條件d0≥t+1.

λτlk·(n-k)λτl+λτlk·(n-k)

(3)

設HARQ最大重傳次數(shù)為f. 考慮將HARQ作為重傳機制的代表，因此僅添加少量校驗碼使HARQ能夠進行數(shù)據(jù)包的檢錯以回復重傳請求。否定應答(NACK)消息的開銷為LNACK. 由于NACK消息僅需要攜帶未能成功接收包的序列號，因此將NACK消息記為標準數(shù)據(jù)包首部大小，則一次成功發(fā)送的開銷LHARQ，s為校驗碼開銷。若采用奇偶校驗進行校正，則

(4)

一次失敗時的開銷記為NACK消息、重傳包與校驗碼的總和，為

(5)

第i跳前j-1次均投遞失敗，第j次投遞成功的概率為

Pj(Pbi)=(1-(1-Pbi)l)j-1·(1-Pbi)l.

(6)

第j次投遞成功的開銷為

LHARQ，sj=(j-1)LHARQ，f+LHARQ，s，

(7)

則第i跳單個業(yè)務包的HARQ平均開銷為

(8)

h跳總開銷為

(9)

式中：h,f∈Ζ+；i=1,2,…,h；j=1,2,…,f.

在NC可靠性機制中，每個業(yè)務包被拆為多個分片，源節(jié)點對各數(shù)據(jù)包的分片進行隨機組合，拼接為碼片包。不同碼片包中碼片之間的線性關系由有限域大小q決定，q越大，碼片越趨于線性，重復的碼片越少，對數(shù)據(jù)成功譯碼的貢獻越大。當發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)為λτ個時，如果q滿足使每一個碼片都呈線性關系且鏈路不存在誤碼，則接收端只需要收到λτ個碼片包即可保證全部數(shù)據(jù)包正確接收。為了彌補由信道誤碼帶來的數(shù)據(jù)損毀，通常不將q設置過大，人為地使碼片包中存在一定的重復碼片，保證當某個碼片包中的碼片受到誤碼影響時，可以通過另一個碼片包中的相同碼片進行譯碼，此時接收端需要收到大于λτ個包才能進行解碼。

設冗余包個數(shù)為nr，發(fā)包總數(shù)為N=λτ+nr. 則NC的開銷為

(10)

式中：λτ「lbq?為編碼開銷，與待發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)有關，單位是bit.

1.2 投遞率模型分析

FEC只要一個分組出錯，整個數(shù)據(jù)包就會出錯，當?shù)趇跳信道誤比特率為Pbi(i=1，2，…，h)時，單跳分組出錯的概率為1-(1-Pbi)n. 當能夠糾正t=nPt位錯碼時，第i跳數(shù)據(jù)包投遞率為

(11)

當跳數(shù)為h時，多跳場景下FEC的投遞率為

(12)

第i跳HARQ的數(shù)據(jù)包投遞率為

(13)

當跳數(shù)為h時，多跳場景下HARQ的投遞率為

(14)

NC存在錯碼的碼片包能夠結合已經(jīng)譯碼成功的碼片進行再次譯碼，因此NC某時刻的數(shù)據(jù)包成功解碼概率與當前時刻接收到的碼片包個數(shù)有關。設某一時刻接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)為np，則第i跳單個包接收成功概率為

(15)

接收到np個包的概率為

(16)

分組解碼概率為

(17)

單跳投遞率為收到np個包的情況下能夠成功解碼的概率，因此第i跳的包投遞率為

(18)

當跳數(shù)為h時，接收到np個包的概率為

(19)

投遞率公式為

(20)

2 可靠性性能仿真分析

2.1 單跳場景基本參數(shù)與機制性能的關系

按照標準TCP/IP數(shù)據(jù)包信息元長度約為1 000 Byte，計算NACK長度為其首部長度20 Byte. 即l=8 000 bit，LNACK=160 bit，設n=800 bit，則冗余機制一個數(shù)據(jù)包需要分為10個分組發(fā)送。

由于機制參數(shù)隨不同機制而變化，且FEC糾錯位數(shù)、HARQ重傳次數(shù)、NC冗余包個數(shù)3種機制參數(shù)均可以轉換為開銷，為了便于對比分析，本文仿真首先對3種機制參數(shù)進行轉換，信道誤比特率Pb=10-4時仿真結果如圖1所示。

圖1 Pb=10-4時相關參數(shù)與開銷的仿真結果Fig.1 Simulated results for Pb=10-4

圖1為信道誤比特率為10-4量級時，相關參數(shù)與開銷的仿真結果。對于業(yè)務參數(shù)而言，由于本文開銷為開銷占全部發(fā)送消息的比例，因此在FEC機制與HARQ機制的仿真中，機制開銷與業(yè)務參數(shù)固定時間內(nèi)包到達的個數(shù)λτ無關。而網(wǎng)絡編碼需要根據(jù)固定時間內(nèi)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)與信道誤比特率來確定冗余包的數(shù)量，當數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)量較多時冗余包所占比例相對較小，網(wǎng)絡編碼能夠更好地體現(xiàn)其開銷的性能優(yōu)勢。

機制參數(shù)對資源開銷的影響較大。其中FEC機制由于只需要在每個包中添加少量的冗余，而不需要進行整個包的傳輸，因此開銷所占比例較低。當糾錯位數(shù)增大時，為了表示更多的錯碼可能性則需要添加更多的冗余。由圖1(a)可知，當FEC機制的糾錯位數(shù)在10以內(nèi)時其糾錯位數(shù)與開銷基本呈線性關系。HARQ與NC機制都需要發(fā)送整個的數(shù)據(jù)包以彌補誤碼，因此開銷所占比重較大。其中HARQ重傳次數(shù)越多開銷越大，在信道誤比特率Pb=10-4時，雖然最大傳輸次數(shù)較小時可以達到較小的開銷，但是不能確定是否能夠同時滿足投遞率要求，隨著最大傳輸次數(shù)的增大，將會達到HARQ的最大傳輸次數(shù)臨界值，此閾值能夠滿足數(shù)據(jù)包投遞率，將不會產(chǎn)生超過閾值的重傳，因此開銷趨于平穩(wěn)。

進行投遞率仿真驗證時，當傳送話音業(yè)務速率為11.4 kbit/s時，以時長τ=60 s的話音業(yè)務為例，單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)包到達率為λ=1.425個/s，λτ=85.5個，因此將λτ=85個作為業(yè)務參數(shù)進行仿真。

由圖2可知，當信道參數(shù)Pb=10-4時3種可靠性機制的性能狀況。

圖2 Pb=10-4時可靠性機制開銷與投遞率的關系Fig.2 Relationship between overhead and PDR for Pb=10-4

由于FEC至少糾正1位錯碼，HARQ需要校驗位，NC至少冗余1個數(shù)據(jù)包。因此，三者存在一定的開銷下限，分別為0.5%、7%、8.38%. 為了滿足投遞率的要求，F(xiàn)EC、HARQ、NC 3種機制分別通過增加糾錯位數(shù)、提高最大傳輸次數(shù)、增大冗余包數(shù)對誤碼進行彌補。如圖2所示，當Pb=10-4時，由于有限域q的限制，NC不能保證每一個編碼包之間均為線性關系，其需要付出多個冗余包的代價才能對整個包組進行正確譯碼。FEC只需要糾正2位誤碼即可保證達到投遞率水平，但由于2位誤碼是單個數(shù)據(jù)包的最大誤碼數(shù)，雖然部分數(shù)據(jù)包的誤比特數(shù)小于2位，但仍然進行了2位糾正，造成了不必要的冗余與更大的消耗。HARQ能夠根據(jù)接收端反饋的信息進行按需重傳，無錯不進行重傳。因此在Pb=10-4時，HARQ能夠通過適當增大最大傳輸次數(shù)，在付出更小的開銷同時達到更高的傳輸可靠性。

將信道參數(shù)改為Pb=10-3與Pb=10-5時，能夠得出信道條件不同情況下可靠性機制的性能，仿真結果如圖3、圖4所示。

圖3 Pb=10-3時可靠性機制開銷與投遞率的關系Fig.3 Relationship between overhead and PDR for Pb=10-3

圖4 Pb=10-5時可靠性機制開銷與投遞率的關系Fig.4 Relationship between overhead and PDR for Pb=10-5

由圖3所示，當信道誤比特率Pb=10-3時，由于投遞率下降，HARQ需要重傳多次才能達到投遞率要求。NC由于惡劣的信道條件，在開銷比例低于25%的情況下不能正確進行包的解碼。而FEC通過增加糾錯位數(shù)，在糾錯位數(shù)為3時即可滿足投遞率指標，能夠在保證可靠性的情況下消耗更小的開銷。

圖4為信道誤比特率Pb=10-5時3種可靠性機制的性能狀況，當誤比特率較低時，由于誤碼的降低，F(xiàn)EC不需要過多的冗余糾錯，HARQ僅需要極少的重傳，NC能夠在發(fā)送較少冗余包的情況保證正確譯碼。但由于開銷下限的存在，NC能夠在滿足較高投遞率的同時更小的開銷。

2.2 多跳場景與性能的關系

由2.1節(jié)結果，設定多跳仿真參數(shù)如表1所示。

表1 多跳仿真參數(shù)表

多跳仿真結果如圖5～圖7所示。

圖5 Pbimax=10-3時可靠性機制投遞率隨跳數(shù)變化的情況Fig.5 Effect of hop count on PDR for Pbimax=10-3

圖6 Pbimax=10-4時可靠性機制投遞率隨跳數(shù)變化的情況Fig.6 Effect of hop count on PDR for Pbimax=10-4

圖7 Pbimax=10-5時可靠性機制投遞率隨跳數(shù)變化的情況Fig.7 Effect of hop count on PDR for Pbimax=10-5

圖5～圖7為相應機制最優(yōu)化參數(shù)后的多跳仿真結果。仿真結果表明，當跳數(shù)增加時，多跳將會導致可靠性機制的性能下降。FEC機制需要根據(jù)Pbimax進行糾錯位數(shù)的設定，但由于單跳鏈路條件不同，針對Pbimax的糾錯位數(shù)設定不適用于每跳鏈路，Pbi的波動范圍越大產(chǎn)生的冗余越多。HARQ機制在誤比特率較大的鏈路引起的重傳次數(shù)較多，但在誤比特率較小的鏈路不會造成多次重傳，因此其總開銷主要取決于信道質量最差一跳的重傳量。NC機制的正確譯碼是以正確接收為基礎的，隨著信道質量的下降，其性能下降劇烈，不宜用于信噪比低、誤比特率高的環(huán)境。

3 結論

本文面向無線多跳場景，對FEC、HARQ、NC 3種可靠性機制的單跳、多跳性能進行建模分析，得到了3種可靠性機制機制參數(shù)、業(yè)務參數(shù)、信道參數(shù)與開銷、跳數(shù)、投遞率性能的關系。仿真結果對比可得出以下結論：

1) 業(yè)務參數(shù)如數(shù)據(jù)包到達率及業(yè)務保持時間對網(wǎng)絡編碼機制的影響較大，而對冗余機制與重傳機制的影響較小。業(yè)務包數(shù)量越大，NC機制所消耗的開銷比例越小。

2) 機制參數(shù)對機制性能的影響體現(xiàn)在開銷和投遞率兩方面。通過增加FEC機制的糾錯位數(shù)、HARQ的最大傳輸次數(shù)、NC的冗余包個數(shù)能夠看出，提高單位開銷時HARQ的投遞率，性能提升更快。

3) 可靠性機制的選擇主要取決于信道參數(shù)。當信道誤比特率較高時(Pb≥10-3)，HARQ機制將會進行反復重傳從而消耗大量資源，而NC則需要大量的冗余包來彌補不能糾錯的缺陷，此時FEC雖然需要比例較高的冗余，但其性能仍優(yōu)于HARQ與NC，糾錯比特數(shù)設定為3時能夠在滿足投遞率的條件下達到相對較低的開銷；當誤比特率介于中值時(10-3

References)

[1] Biagioni E,Giordano S. Ad Hoc and sensor networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2014, 52(7): 140.

[2] Kumagai S, Higaki H. Performance evaluation of probabilistic next-hop selection in intermittent wireless multihop sensor networks[C]∥Proceedings of World Symposium on Computer Applications & Research. Cairo, Eygpt: IEEE Computer Society, 2016: 87-92.

[3] 汪洋溢, 田議. DVB-S2和ABS-S標準對比分析[J]. 信息技術與標準化, 2016(3): 42-45.

WANG Yang-yi, TIAN Yi. Comparative analysis of DVB-S2 and ABS-S standards[J]. Information Technology & Standardization, 2016(3): 42-45. (in Chinese)

[4] Zhu C, Huo Y, Zhang B. Adaptive truncated HARQ aided layered video streaming relying on inter-layer FEC coding[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(3):1506-1521.

[5] Wang H, Wei S, Zhou X. A FEC-based packet loss recovery scheme using RS codes built by improved Vandermonde matrices[C]∥Proceedings of the 2016 International Conference on Advanced Mechatronic Systems. Melbourne, Australia: IEEE, 2016: 340-343.

[6] Wu J, Cheng B, Wang M. Priority-aware FEC coding for high-definition mobile video delivery using TCP[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2017, 16(4): 1090-1106.

[7] Nguyen C T, Mai V V, Pham A T. TCP over free-space optical links with ARQ and AMC: a cross-layer performance analysis[C]∥Proceedings of 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications. Hanoi，Vietnam: IEEE, 2016: 80-84.

[8] Elazzouni S, Ercetin O, El-Keyi A. Full-duplex cooperative cognitive radio networks[C]∥Proceedings of International Symposium on Modeling and Optimization in Mobile. Mumbai， India: IEEE, 2015: 475-482.

[9] Hu Y, Gross J, Schmeink A. QoS-constrained energy efficiency of cooperative ARQ in multiple DF relay systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(2): 848-859.

[10] Michelusi N, Popovski P, Zorzi M. Optimal cognitive access and packet selection under a primary ARQ process via chain decoding[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2016, 62(12): 7324-7357.

[11] Gao Y N, Yang T, Hu B. Improving the transmission reliability in smart factory through spatial diversity with ARQ[C]∥ 2016 IEEE/CIC International Conference on Communications. Chengdu, China: IEEE, 2016.

[12] 肖博, 習勇, 韓君妹，等. 基于HARQ協(xié)議的多跳中繼網(wǎng)絡能量效率的跨層優(yōu)化設計[J]. 電子與信息學報, 2017, 39(1): 9-15.

XIAO Bo, XI Yong, HAN Jun-mei,et al. Cross-layer optimization design of energy efficiency in HARQ based multihop relay networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2017, 39(1):9-15. (in Chinese)

[13] Hu P, Song X. An adaptive strategy for network coding based reliability transmission mechanism[C]∥International Conference on Computing. Hefei, China: IEEE, 2014:1-5.

[14] Han J, Xi Y, Wei J. Spectral efficient optimisation for multihop relay networks adopting HARQ schemes[J]. Electronics Letters, 2017, 53(5): 358-360.

[15] Xu D J, Yang C C, Yao Y. Performance analysis of bursty service in relay systems with ARQ protocol[C]∥International Conference on Wireless Communications & Signal Processing. Yangzhou, China: IEEE, 2016: 1-5.

[16] Mohamed M, Majdi B, Salem H. Reliability of the channel estimation for the wireless communication systems[C]∥2nd World Symposium on Web Applications and Networking. Sousse, Tunisia: IEEE, 2015:1-7.

[17] Zhu J. Exploiting opportunistic network coding for improving wireless reliability against co-channel interference[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2016, 12(5):1692-1701.

[18] Wang P, Mao G Q, Lin Z H. Reliability-constrained broadcast using network coding without feedback[C]∥Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Istanbul, Turkey: IEEE, 2014:2839-2844.

[19] Pregizer F Birk M, Schussel M. Forward error correction for data dissemination in MANET[C]∥The 4th IEEE International Conference on Consumer Electronics. Berlin, Germany: IEEE, 2014: 495-499.

[20] Subramanian P, Logashanmugam E. Steadfast routing for increasing reliability in multihop wireless sensor networks[J]. International Journal of Applied Engineering Research, 2014, 9(23):23345-23358.

[21] Mahmoud M M E A, Lin X D, Shen X M. Secure and reliable routing protocols for heterogeneous multihop wireless networks[J]. IEEE Transactions on Parallel & Distributed Systems, 2015, 26(4):1140-1153.

[22] Zeng K, Yang J, Lou W J. On energy efficiency of geographic opportunistic routing in lossy multihop wireless networks[J]. Wireless Networks, 2012, 18(8):967-983.

[23] Campolo C, Casetti C, Chiasserini C F, et al. A multirate MAC protocol for reliable multicast in multihop wireless networks[J]. Computer Networks: the International Journal of Computer & Telecommunications Networking, 2012, 56(5):1554-1567.

[24] Mortimer T, Harms J. A MAC protocol for multihop RP-CDMA ad hoc wireless networks[C]∥ IEEE International Conference on Communications. Sydney, Australia: IEEE, 2012:424-429.

ResearchonReliableTransmissionMechanisminWirelessMulti-hopNetworks

JIANG Yu-jia1,2， LI Xu1,2， SHAO Xiao-tao1,2，SUN Chen-hua1,2, LI Guo-yan1,2

(1.School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044，China; 2.Science and Technology on Communication Networks Laboratory, Shijiazhuang 050081, Hebei, China)

The transmissions of information in wireless multi-hop network with multiple relay nodes may easily cause inter- and intra-path interference and bit error accumulation. The reliability-guaranteed mechanism for multi-hop data transmission has been the keystone of research. In the light of the lack of recent research on the performance of reliability mechanism, in which mechanism parameters, business parameters and channel parameters are overall considered, the models of packet delivery ratio and overhead are established, and the influences of basic parameters on the performance of three multi-hop reliability mechanisms, including redundant transmission, retransmission and network coding, are analyzed. The applicable parameters and environment of network coding mechanism are modeled, simulated and analyzed. According to the wireless multi-hop network channel environment, the mechanism parameters of three reliability mechanisms are optimized, and their performances in different environments are compared. Simulated results show that the business parameters have greater impact on the network coding mechanism, and the network coding mechanism can achieve better performance in the case of large traffic. The mechanism parameters have the most significant impact on protocol performance. The target delivery rate performance with smaller overhead can be achieved by optimizing the mechanism parameters according to the channel parameters. Network coding, hybrid automatic repeat request and forward error correction coding schemes have better performances at lower, middle and higher bit error rates.

communication technology; wireless communication; multi-hop; reliability; network coding

TN926+.3

A

1000-1093(2017)11-2151-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.010

2017-03-23

國家自然科學基金項目(61371068)； 通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術重點實驗室開放課題項目(KX162600033)

姜宇嘉(1993—), 女, 碩士研究生。 E-mail: 15120011@bjtu.edu.cn

李旭(1970—), 女, 教授, 博士生導師。 E-mail: xli@bjtu.edu.cn