姚玉坤,李小勇,任 智,劉江兵

(移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶郵電大學(xué)),重慶 400065) (*通信作者電子郵箱lixy.cqupt@gmail.com)

基于協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼的高效媒體訪問(wèn)控制協(xié)議

姚玉坤,李小勇*,任 智,劉江兵

(移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶郵電大學(xué)),重慶 400065) (*通信作者電子郵箱lixy.cqupt@gmail.com)

針對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的編碼感知的協(xié)作MAC協(xié)議(NCAC-MAC)在選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)未考慮節(jié)點(diǎn)的傳輸能耗以及候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制消息不能使其他不在彼此通信范圍內(nèi)的候選節(jié)點(diǎn)放棄競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生碰撞的問(wèn)題,提出一種基于協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼的高效媒體訪問(wèn)控制協(xié)議(HECNC-MAC)。該協(xié)議主要提出以下三個(gè)優(yōu)化思路:首先,候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)其目的節(jié)點(diǎn)能否解碼進(jìn)行解碼預(yù)判,減少參與競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)保證其目的節(jié)點(diǎn)能成功解碼;其次,在選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)綜合考慮節(jié)點(diǎn)所需的傳輸能耗;最后,取消ETH(Eager To Help)控制消息,且目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)偽廣播的方式通告確認(rèn)消息。理論分析與仿真結(jié)果表明,與載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA)、Phoenix和NCAC-MAC相比,HECNC-MAC能夠有效減少節(jié)點(diǎn)的能耗,降低數(shù)據(jù)包端到端時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

協(xié)作通信;網(wǎng)絡(luò)編碼;媒體訪問(wèn)控制協(xié)議;候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn);傳輸能耗

0 引言

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,通過(guò)將協(xié)作通信中無(wú)線信道的廣播特性所產(chǎn)生的空間分集增益和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)相融合,能夠有效地提高網(wǎng)絡(luò)性能和鏈路的可靠性[1]。協(xié)作通信[2]是指在某個(gè)區(qū)域內(nèi),多個(gè)具備單天線的通信節(jié)點(diǎn)通過(guò)彼此相互協(xié)作的方式接收或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),構(gòu)成一種虛擬的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)無(wú)線系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)在不具備多天線的情況下得到分集增益;而網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)[3]是指網(wǎng)絡(luò)中的某些中間節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行編碼操作,然后再將編碼后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳或者目的節(jié)點(diǎn),其能夠有效地減少網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用,從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源。因此,將兩種技術(shù)有效地融合應(yīng)用一直是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

目前,協(xié)作通信已在媒體訪問(wèn)控制(Medium Access Control, MAC)協(xié)議中得到廣泛的研究[4-6],然而,在許多協(xié)作MAC協(xié)議[7-8]中,當(dāng)數(shù)據(jù)直傳沒(méi)有被目的節(jié)點(diǎn)正確接收時(shí),需要協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)分組,此時(shí)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)需要競(jìng)爭(zhēng)信道,貢獻(xiàn)部分帶寬,協(xié)助源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組,卻不能處理自身需要發(fā)送的數(shù)據(jù),則稱(chēng)此操作是中繼低效率問(wèn)題[8]。因此,設(shè)計(jì)一種既能協(xié)助源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組又能發(fā)送自身數(shù)據(jù)的高效協(xié)作MAC協(xié)議顯得尤為重要。為了解決上述問(wèn)題,協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)需要將數(shù)據(jù)包融合且使目的節(jié)點(diǎn)能夠解碼該數(shù)據(jù)包,而網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)恰好能夠有效地實(shí)現(xiàn)該目的。

將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)應(yīng)用在協(xié)作通信中,能夠增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行?。為了保證目的節(jié)點(diǎn)能夠有效解碼,選擇合適的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)上述目的的重要條件。文獻(xiàn)[8]針對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)提出了一種基于數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)闹欣^選擇算法,該算法的核心思想為:當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率較大時(shí)采用編碼傳輸方式;反之,則采用數(shù)據(jù)直傳方式。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中,首先選出數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較大所對(duì)應(yīng)的候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),然后根據(jù)其傳輸方式相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸速率,通過(guò)利用退避方式競(jìng)爭(zhēng)成為最佳協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),從而提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

文獻(xiàn)[9]針對(duì)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)低效率問(wèn)題提出了一種Phoenix協(xié)議。該協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)與協(xié)作通信相結(jié)合,通過(guò)隨機(jī)退避方式選出協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),且協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)將自身需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀與已緩存源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行編碼,然后該協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)與其目的節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)CTS/RTS(Clear To Send/Request To Send)握手機(jī)制判斷自身的目的節(jié)點(diǎn)能否解碼出該編碼的數(shù)據(jù)幀。若能成功解碼,則協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)將編碼包發(fā)送至其目的節(jié)點(diǎn)以及源節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn);若不能成功解碼,則單一地采用協(xié)作重傳方式傳輸源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組。

文獻(xiàn)[10]針對(duì)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)同MAC協(xié)議(Cooperative MAC with Network Coding for Ad hoc networks, NCCMAC),該協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)編碼與協(xié)同機(jī)制進(jìn)行融合。該機(jī)制主要考慮了協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)何時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼傳輸,何時(shí)進(jìn)行單一的協(xié)作重傳,且同樣通過(guò)CTS/RTS握手機(jī)制判斷協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)是否能進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼傳輸。另外,該文獻(xiàn)分三種情況討論了協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)的所處情況,并且在二維馬爾可夫(Markov)退避模型基礎(chǔ)上,對(duì)多跳網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量進(jìn)行了分析。

文獻(xiàn)[11]針對(duì)文獻(xiàn)[9]中的Phoenix協(xié)議無(wú)法確定所選擇的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)是否具有編碼機(jī)會(huì)和無(wú)法準(zhǔn)確獲知協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)緩存的數(shù)據(jù)幀數(shù)量以及通過(guò)CTS/RTS握手機(jī)制判別是否進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼并非最優(yōu)的問(wèn)題,提出了一種基于編碼感知的協(xié)作MAC協(xié)議(Network Coding Aware Cooperative MAC protocol for wireless Ad Hoc networks, NCAC-MAC)。該協(xié)議在選擇最佳協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)綜合考慮了候選中繼的預(yù)估吞吐量、緩存區(qū)緩存數(shù)據(jù)幀的數(shù)量以及候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)成功解碼的概率等多種度量,同時(shí)取消了CTS/RTS握手機(jī)制,采用連接表機(jī)制評(píng)估協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)接收到或者已擁有源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,從而判斷是否能夠成功解碼;但是該協(xié)議忽略了節(jié)點(diǎn)的能耗,不能有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

文獻(xiàn)[12]在文獻(xiàn)[11]基礎(chǔ)上對(duì)編碼感知MAC協(xié)議中選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的具體操作過(guò)程進(jìn)行了深入的研究,提出了兩種選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的算法(基于中繼選擇的分區(qū)算法和基于組間競(jìng)爭(zhēng)思想的中繼選擇算法)，從而在選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中能夠降低數(shù)據(jù)幀碰撞的概率,但是在基于組間競(jìng)爭(zhēng)思想的中繼選擇算法中,由于存在不在彼此通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇效率較低。

文獻(xiàn)[11-12]在選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中考慮了網(wǎng)絡(luò)吞吐量、端到端時(shí)延和數(shù)據(jù)幀的投遞率相關(guān)性能指標(biāo),然而該NCAC-MAC協(xié)議未能將能耗[13]同時(shí)綜合考慮。因此,本文針對(duì)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的選擇問(wèn)題,提出了一種基于協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼的高效MAC協(xié)議(High Efficiency MAC protocol based on Cooperative Network Coding, HECNC-MAC)。

1 網(wǎng)絡(luò)模型和問(wèn)題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

為了便于闡述HECNC-MAC協(xié)議,給出如下定義：

定義1 候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)。表示既接收了源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,又接收了目的節(jié)點(diǎn)廣播的NACK(Negative Acknowledgment)控制消息的那些節(jié)點(diǎn)。

定義2 連接表。表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)與其所有鄰居及其鄰居的鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量、距離和信道容量信息的表,且該連接表于網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)所構(gòu)建。

定義3 偽廣播。將最佳協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的地址添加在控制幀的確認(rèn)消息(Feed Back,FB)頭部中, 然后以廣播的方式發(fā)送。該確認(rèn)消息FB有三種FB0、FB1、FB2，且每種確認(rèn)幀中有一個(gè)標(biāo)志位，其值為0或者為1(0表示確認(rèn)失敗，1表示確認(rèn)成功)。

定義4 緩存概率ρb。指候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)已緩存源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的概率。

在協(xié)作MAC機(jī)制中采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù),協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)能夠完成協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同時(shí)發(fā)送自己的數(shù)據(jù)的功能。其網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1 協(xié)作機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)模型

若源節(jié)點(diǎn)S給其目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)包a,假設(shè)候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)A、B、C、F都能偵聽(tīng)到該數(shù)據(jù)包,且所有候選協(xié)作中繼都能正確接收目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。若目的節(jié)點(diǎn)D由于信道衰落或者噪聲等影響接收到一個(gè)損壞的數(shù)據(jù)a′,當(dāng)該數(shù)據(jù)幀的信噪比大于設(shè)定的閾值時(shí),此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)D將會(huì)反饋一個(gè)標(biāo)志位flag為1的控制消息,協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)A(此處假設(shè)A已通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)且被選為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn))就會(huì)將自己待發(fā)送的數(shù)據(jù)b與偵聽(tīng)的數(shù)據(jù)a進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼得到組合包F(a,b),然后發(fā)送該組合包。目的節(jié)點(diǎn)D接收到該組合包以后,使用一種網(wǎng)絡(luò)編碼MIMO_NC[14]進(jìn)行解碼,即使存在一個(gè)損壞的數(shù)據(jù)a′,MIMO_NC依然可以根據(jù)編碼包F(a,b)和損壞數(shù)據(jù)a′進(jìn)行解碼;而協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)B,收到組合包F(a,b)后根據(jù)已得到的數(shù)據(jù)a使用常規(guī)網(wǎng)絡(luò)編碼的解碼方案即可解碼。

1.2 問(wèn)題描述

NCAC-MAC協(xié)議提出的無(wú)碰撞中繼選擇機(jī)制的核心思想是候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)首先計(jì)算各自的效用值,然后根據(jù)其效用值計(jì)算出退避時(shí)間,經(jīng)過(guò)三次退避兩次競(jìng)選從而得到協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)主要有以下兩個(gè)部分:

1)產(chǎn)生一個(gè)效用值整數(shù)位對(duì)應(yīng)索引值取整的退避時(shí)間,從而抑制整數(shù)位較大的候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),緊接著繼續(xù)產(chǎn)生一個(gè)效用值的小數(shù)位對(duì)應(yīng)索引值取整的退避時(shí)間,從而抑制小數(shù)位較大的候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn);

2)若前兩次仍沒(méi)競(jìng)選成功,則第三次產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間,從而最終競(jìng)選出協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),然后選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸方式協(xié)助源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)該算法存在以下三個(gè)問(wèn)題:

1)假設(shè)候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)S之間鏈路質(zhì)量較差,該候選節(jié)點(diǎn)卻依然參與競(jìng)爭(zhēng),增加碰撞的概率,導(dǎo)致競(jìng)選成功的效率降低。在圖1中,假設(shè)節(jié)點(diǎn)A的目的節(jié)點(diǎn)為E,而節(jié)點(diǎn)E緩存源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的概率較低,此時(shí)節(jié)點(diǎn)A卻依然參與競(jìng)爭(zhēng);另外,即使A競(jìng)選成功,節(jié)點(diǎn)E收到編碼包后亦不能解碼出數(shù)據(jù),從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,降低了中繼效率。

2)在每次退避過(guò)程中,候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)廣播發(fā)送抑制幀;且競(jìng)選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)成功后,會(huì)廣播發(fā)送ETH(Eager To Help)控制消息進(jìn)行通告。然而存在不在彼此通信范圍內(nèi)的候選節(jié)點(diǎn),則使得原本應(yīng)該停止退避的候選節(jié)點(diǎn)沒(méi)有停止退避,最后導(dǎo)致競(jìng)選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)失敗。如圖1中,若節(jié)點(diǎn)A與C、F不在彼此通信范圍內(nèi),假設(shè)A先退避至0,目的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)后,其會(huì)發(fā)送ETH幀時(shí),節(jié)點(diǎn)C、F都不能接收,當(dāng)節(jié)點(diǎn)C或者F退避至0時(shí),目的節(jié)點(diǎn)也會(huì)發(fā)送確認(rèn)消息,則節(jié)點(diǎn)C和F也會(huì)發(fā)送ETH控制消息,從而導(dǎo)致競(jìng)選失敗,最后只能由源節(jié)點(diǎn)超時(shí)重傳。

3)在計(jì)算映射為退避時(shí)間的效用值時(shí)僅考慮了緩存數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)幀的估計(jì)吞吐量以及協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)的解碼成功率，由于沒(méi)有考慮候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送編碼幀給目的節(jié)點(diǎn)所需要的傳輸?shù)哪芎?會(huì)導(dǎo)致選擇的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)由于生存時(shí)間過(guò)短而重新競(jìng)爭(zhēng),降低了網(wǎng)絡(luò)整體的性能。

2 HECNC-MAC協(xié)議提出的優(yōu)化策略

針對(duì)NCAC-MAC協(xié)議中存在的三個(gè)問(wèn)題,本文提出了HECNC-MAC協(xié)議。該協(xié)議中提出了三種優(yōu)化策略:首先，候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)利用緩存概率進(jìn)行解碼預(yù)判,同時(shí)限制參與競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù),從而保證協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)能成功解碼;其次，在計(jì)算映射為退避時(shí)間的效用值時(shí),同時(shí)綜合考慮節(jié)點(diǎn)傳輸所需能耗以及自身的剩余能量;最后，取消ETH控制消息,且目的節(jié)點(diǎn)使用偽廣播的方式進(jìn)行協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)通告,減少信令開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)解決了因存在不在彼此通信范圍內(nèi)的候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致競(jìng)選失敗的問(wèn)題。

2.1 協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的解碼預(yù)判

由于協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)是否緩存了源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的數(shù)據(jù)幀直接影響到協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)能否解碼,因此緩存概率ρb的取值顯得尤為重要。為了避免選擇的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的緩存概率較低或者緩存概率較低的節(jié)點(diǎn)卻仍然參與競(jìng)爭(zhēng)而占用信道、浪費(fèi)帶寬的問(wèn)題,緩存概率ρb其具體的取值如式(1)所示:

(1)

其中:D(x)表示數(shù)據(jù)幀x對(duì)應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn);LQ(S,D(x))表示源節(jié)點(diǎn)S與數(shù)據(jù)幀x對(duì)應(yīng)的目的之間的鏈路質(zhì)量;LQ(S,relay)表示源節(jié)點(diǎn)S與候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量;b表示協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀；a表示源節(jié)點(diǎn)S的數(shù)據(jù)幀,且鏈路質(zhì)量的值通過(guò)連接表可得,其具體值由下層計(jì)算可得。當(dāng)候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)同時(shí)也是源節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，ρb取值為1;當(dāng)候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)之間鏈路質(zhì)量比源節(jié)點(diǎn)與其自身的鏈路質(zhì)量更好時(shí)，其取值為0.9;反之, 當(dāng)候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)之間鏈路質(zhì)量比源節(jié)點(diǎn)與其自身的鏈路質(zhì)量較差時(shí)，則其取值為0。候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)其緩存概率的取值對(duì)其目的能否解碼進(jìn)行解碼預(yù)判,當(dāng)其緩存概率為0時(shí)認(rèn)定其目的不能解碼,則該候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)直接放棄競(jìng)爭(zhēng);反之則繼續(xù)進(jìn)行效用值的計(jì)算,參與競(jìng)爭(zhēng)。

2.2 效用值的計(jì)算

效用值表示映射為退避時(shí)間一個(gè)度量值,該值越大說(shuō)明對(duì)應(yīng)的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)越能使得吞吐量更大、能耗更小,且效用值越大的候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)越能最先退避至0,能更快地成為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)。首先候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)i計(jì)算其緩存中每個(gè)待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的效用值,然后在每個(gè)數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)效用值中選擇一個(gè)最大的值作為其效用值。具體計(jì)算過(guò)程如下所示。

步驟1 計(jì)算候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給目的節(jié)點(diǎn)的預(yù)估能耗Ecost[15],其計(jì)算公式如式(2)所示:

Ecost=(Pb×lb)/Rb

(2)

其中:lb、Pb、Rb分別表示候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀b的長(zhǎng)度、發(fā)送功率和發(fā)送速率。

步驟2 將式(1)～(2)中得到的結(jié)果代入到式(3)中計(jì)算其效用值：

(3)

其中:ρb分別表示數(shù)據(jù)幀b的目的節(jié)點(diǎn)緩存源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀a的概率；Si,b表示數(shù)據(jù)幀b在鏈路中的預(yù)估吞吐量;Li表示候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)已經(jīng)緩存數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù);Smax和Lmax表示候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀在鏈路中的預(yù)估吞吐量的最大值和緩存空間能夠緩存的最大值的個(gè)數(shù);β表示權(quán)重值；Eremain表示候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的剩余能量。

2.3 最佳協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略

源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn),當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有正確接收,且接收的數(shù)據(jù)幀信噪比大于給定的閾值時(shí),目的節(jié)點(diǎn)會(huì)廣播發(fā)送一個(gè)標(biāo)志位flag為1的NACK的控制幀,接收了源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和該NACK的節(jié)點(diǎn)首先成為候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),此時(shí)候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)其緩存概率的值決定是否放棄競(jìng)爭(zhēng)。而最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇策略其具體步驟如下所示:

步驟1 未放棄競(jìng)爭(zhēng)的候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)式(4)計(jì)算出其索引值g(g∈[0,G-1]),然后根據(jù)式(5)計(jì)算出第一次退避時(shí)間,從而進(jìn)入第一次的First退避階段。

(4)

其中:Umax、Umin分別表示網(wǎng)絡(luò)中效用值的上界和下界;Ui是節(jié)點(diǎn)i的效用值；G是常數(shù);?x」表示向下取整。

T1(g)=g×tfb

(5)

其中:tfb表示退避的時(shí)隙,表示T1(g)候選節(jié)點(diǎn)需要退避的時(shí)間。

步驟2 最先退避至0的所有候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送(Group Indicator, GI)抑制幀,其他偵聽(tīng)到該抑制幀的節(jié)點(diǎn)則放棄競(jìng)爭(zhēng)。此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)接收端可能存在兩種情況:若目的節(jié)點(diǎn)僅僅接收一個(gè)GI抑制幀,則目的節(jié)點(diǎn)以偽廣播方式回復(fù)標(biāo)志位為1的FB0確認(rèn)幀,所有候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)(包括發(fā)送了GI幀和由于不在彼此通信范圍內(nèi)未偵聽(tīng)到GI幀仍在退避的其他節(jié)點(diǎn))收到該確認(rèn)幀后,查看幀頭部中的地址,若與自身地址相同,則說(shuō)明被選為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),此時(shí)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)競(jìng)選成功;否則說(shuō)明其未被選為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),同時(shí)放棄競(jìng)爭(zhēng)。若目的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到多個(gè)GI幀,產(chǎn)生碰撞,則執(zhí)行步驟3。

步驟3 此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)以偽廣播方式發(fā)送標(biāo)志位為0的確認(rèn)幀F(xiàn)B0,收到該確認(rèn)幀且在步驟2中由于不在彼此通信范圍內(nèi)仍在退避的其他節(jié)點(diǎn)則停止退避,放棄競(jìng)爭(zhēng);而收到該確認(rèn)幀且發(fā)送了GI幀的所有候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)則開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)Second退避階段。此時(shí)所有發(fā)送了GI幀的候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)式(6)計(jì)算出其索引值m(m∈[0,M-1]),然后根據(jù)式(7)計(jì)算出第二次退避時(shí)間:

(6)

T2(g,m)=m×tfb

(7)

步驟4 發(fā)送了GI幀且最先退避至0的候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送(Member Indicator,MI)抑制幀,其他接收到該抑制幀的候選節(jié)點(diǎn)則放棄競(jìng)爭(zhēng)。而目的節(jié)點(diǎn)接收端也存在兩種情況:若目的節(jié)點(diǎn)僅僅接收了一個(gè)MI抑制幀,則目的節(jié)點(diǎn)以偽廣播方式發(fā)送確認(rèn)幀其標(biāo)志位是1的FB1,通告協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),此時(shí)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)競(jìng)選成功,而其他候選節(jié)點(diǎn)則放棄競(jìng)爭(zhēng);若此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)仍同時(shí)接收了多個(gè)MI抑制幀,則執(zhí)行步驟5。

步驟5 此時(shí)說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的效用值非常接近,且候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少,只需從中任選一個(gè)作為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)即可。目的節(jié)點(diǎn)以偽廣播方式發(fā)送標(biāo)志位為0的確認(rèn)幀F(xiàn)B1,收到該確認(rèn)幀且在步驟4中仍在退避的其他節(jié)點(diǎn)則停止退避,放棄競(jìng)爭(zhēng)。而收到該確認(rèn)幀且發(fā)送了MI幀的所有候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),根據(jù)式(8)計(jì)算一個(gè)退避時(shí)間T3(k), 然后發(fā)送控制幀R,目的節(jié)點(diǎn)接收到控制消息R后,單播回復(fù)標(biāo)志位為1的FB2確認(rèn)消息,此時(shí)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)競(jìng)選成功;反之，若目的節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生R幀碰撞,則以概率P堅(jiān)持的方式進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),直至成功競(jìng)選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)為止。

T3(k)=k×tfb

(8)

其中k是隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)。

通過(guò)以上步驟,可成功選出協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),此時(shí)則由協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包編碼發(fā)送。其具體的數(shù)據(jù)幀交換如圖2所示。

圖2 中繼候選節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)中的幀交換

3 HECNC-MAC協(xié)議性能的理論分析

為確定HECNC-MAC協(xié)議的正確性和有效性,本文對(duì)其作了詳細(xì)的理論分析,具體如下。

引理1 HECNC-MAC協(xié)議中選出協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)低于NCAC-MAC協(xié)議中選出協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。

證明 本文選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮目的節(jié)點(diǎn)接收的損壞數(shù)據(jù)包SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)大于閾值時(shí)協(xié)作編碼重傳的情況。為方便分析,先作出如下假設(shè)：數(shù)據(jù)幀在節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延不作考慮,且數(shù)據(jù)幀GI、MI、FB在信道上傳輸?shù)臅r(shí)間都是tframe,且假設(shè)First退避所需要的時(shí)間都是為tG,Second退避所需要的時(shí)間都是tM,隨機(jī)退避所需要的時(shí)間都是tR,幀間最小時(shí)隙是tf。

在HECNC-MAC機(jī)制中,根據(jù)圖2中數(shù)據(jù)幀交換傳輸過(guò)程,可得節(jié)點(diǎn)從接收NACK消息開(kāi)始到成功競(jìng)選為協(xié)作中繼所需要的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)為:

若第一次First退避就競(jìng)選成功,則其所需要的時(shí)間為:

t1=tG+tframe+tf+tframe

(9)

若第二次Second退避中才競(jìng)選成功,則其所需要的時(shí)間為:

t2=t1+tM+tframe+tf+tframe

(10)

若第三次隨機(jī)退避中才競(jìng)選成功,則其所需要的時(shí)間為:

t3=t2+tR+tframe+tf+tframe

(11)

綜上所訴,候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)確認(rèn)自己為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)為:

(12)

而原協(xié)議NCAC-MAC中候選協(xié)作中繼成功競(jìng)選為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間為:

若在Second退避后就競(jìng)選成功,則需要時(shí)間為:

t1′=tG+tframe+tM+tframe+tf+tframe+tf+tframe

(13)

若在隨機(jī)退避才競(jìng)選成功,則需要時(shí)間為:

t1′=tG+tframe+tM+tframe+tf+tframe+tR+tframe+

tf+tframe+tf+tframe

(14)

綜上,候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)確認(rèn)自己為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)為:

(15)

從式(12)和(15)可以得出,改進(jìn)協(xié)議中無(wú)需發(fā)送ETH的控制時(shí)間開(kāi)銷(xiāo),且NCAC-MAC協(xié)議中未考慮存在候選協(xié)作中節(jié)點(diǎn)不在彼此通信范圍內(nèi)導(dǎo)致競(jìng)選失敗，進(jìn)一步增大時(shí)延開(kāi)銷(xiāo)的情況，因此可得前者時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)t明顯小于后者時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)t′。

證畢。

引理2 HECNC-MAC協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量高于NCAC-MAC協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量。

證明 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)源節(jié)點(diǎn)且發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的大小都為M,定義網(wǎng)絡(luò)中的平均吞吐量可以看成在直傳失敗的情況下目的節(jié)點(diǎn)接收總的數(shù)據(jù)幀與節(jié)點(diǎn)之間平均端到端時(shí)延之比。而在協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼操作后,目的節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)幀大小為2M。故網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量S如式(16)所示：

(16)

其中:T表示候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)從開(kāi)始參與競(jìng)爭(zhēng)到成功競(jìng)選為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)間t或t′與協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)將編碼數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)所需要傳輸時(shí)延的時(shí)間之和。由引理1可得,改進(jìn)方案中競(jìng)選時(shí)延t小于原方案所需時(shí)延t′,兩方案中數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延相等,因此可得改進(jìn)方案中所需總的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)T相對(duì)更小,所以可以得出優(yōu)化方案的吞吐量高于原算法的吞吐量。

證畢。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

使用OPNET 14.5軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)建模并搭建仿真平臺(tái),在相同的仿真場(chǎng)景下、相同的時(shí)間內(nèi)分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均端到端時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量和節(jié)點(diǎn)的能耗等方面對(duì)提出的HECNC-MAC協(xié)議與CSMA、Phoenix和NCAC-MAC協(xié)議進(jìn)行性能對(duì)比和分析。

4.1 仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

在300 m×300 m的正方形區(qū)域構(gòu)建由35個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較小即處于相對(duì)靜止,且節(jié)點(diǎn)以泊松分布發(fā)送數(shù)據(jù)幀。仿真實(shí)驗(yàn)中使用的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定

4.2 仿真結(jié)果與分析

1)端到端平均時(shí)延。

如圖3所示,端到端平均時(shí)延隨著每秒發(fā)送數(shù)據(jù)包的增加而增加,最后趨于穩(wěn)定。但是,HECNC-MAC協(xié)議的端到端平均時(shí)延明顯低于CSMA、 Phoenix 和NCAC-MAC協(xié)議的平均時(shí)延。主要原因在于CSMA協(xié)議在選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)時(shí),由于隨機(jī)接入導(dǎo)致的碰撞;Phoenix協(xié)議選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)存在碰撞的概率相對(duì)較大,且其通過(guò)CTS/RTS握手機(jī)制判斷協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)是否能進(jìn)行編碼操作,帶來(lái)了一定的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo);而NCAC-MAC協(xié)議中,由于存在候選節(jié)點(diǎn)不在彼此通信范圍內(nèi)導(dǎo)致的競(jìng)選失敗而重新競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題,且即使競(jìng)選成功,協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)需要廣播ETH控制消息,需要額外的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo);而 HECNC-MAC協(xié)議中取消了ETH控制消息,減少了參與競(jìng)選的候選節(jié)點(diǎn),且使目的節(jié)點(diǎn)以偽廣播的方式避免了不在彼此通信范圍內(nèi)導(dǎo)致的競(jìng)選失敗的問(wèn)題,從而減少了時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)比

2)網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量。

圖4為網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量隨負(fù)載的變化的曲線。從圖4可以發(fā)現(xiàn),隨著負(fù)載的增加,網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量隨著增加,最后趨于穩(wěn)定;且HECNC-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量明顯高于CSMA、 Phoenix 和NCAC-MAC協(xié)議的平均吞吐量。主要原因在于CSMA協(xié)議中在選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)時(shí),未使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù);而Phoenix協(xié)議中使用CTS/RTS握手機(jī)制導(dǎo)致了額外的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo);NCAC-MAC協(xié)議中在選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮了吞吐量以及緩存區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度的影響,且解決了是否編碼的問(wèn)題,故其吞吐量相對(duì)前兩者較高;而HECNC-MAC協(xié)議在選擇協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)時(shí),先利用緩存概率的值進(jìn)行解碼預(yù)判,不僅保證了目的節(jié)點(diǎn)能成功解碼,而且提高了成功競(jìng)選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的效率,同時(shí)無(wú)需發(fā)送冗余信令ETH,從而大大的提升了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

圖4 網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量對(duì)比

3)網(wǎng)絡(luò)平均傳輸能耗。

圖5為網(wǎng)絡(luò)中單位比特能量消耗隨發(fā)包速率的變化的曲線。由圖5可知,當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)包速率不斷增加,其能耗也不斷增加,最后趨于穩(wěn)定。而CSMA協(xié)議中存在拐點(diǎn)的主要原因是由于競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中不公平所導(dǎo)致,其他三種協(xié)議存在拐點(diǎn)主要是因?yàn)橛写罅繑?shù)據(jù)幀的編碼重傳。另外,從圖5可以發(fā)現(xiàn),HECNC-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平均能耗明顯低于CSMA、 Phoenix 和NCAC-MAC協(xié)議的能耗。其主要原因在于HECNC-MAC協(xié)議在計(jì)算效用值時(shí)綜合考慮了節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)所需的能耗,使得在協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作編碼傳輸時(shí),優(yōu)先考慮傳輸能耗較小的候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),從而相對(duì)另外三種機(jī)制減少了數(shù)據(jù)單位比特流所需要的能耗。

圖5 網(wǎng)絡(luò)能耗對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)NCAC-MAC協(xié)議中的組間競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制不能有效避免由于候選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)不在彼此通信范圍內(nèi)導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生碰撞和選擇最佳協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)未考慮節(jié)點(diǎn)傳輸所需能耗以及參與競(jìng)選協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的候選節(jié)點(diǎn)過(guò)多導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸效率較低等問(wèn)題,提出了一種基于協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼的高效MAC協(xié)議(HECNC-MAC)。該協(xié)議在中繼選擇的過(guò)程中將節(jié)點(diǎn)傳輸能耗、預(yù)估吞吐量、節(jié)點(diǎn)緩存占用率等多種度量有效地結(jié)合,選出了編碼協(xié)作重傳的最佳協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)。理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,與CSMA、 Phoenix和NCAC-MAC協(xié)議相比,HECNC-MAC協(xié)議能夠有效地增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量、減小時(shí)延并最大化地降低網(wǎng)絡(luò)傳輸平均能耗,但是該協(xié)議只是針對(duì)單跳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析與驗(yàn)證,未來(lái)將考慮在多跳網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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Highefficiencymediumaccesscontrolprotocolbasedoncooperativenetworkcoding

YAO Yukun, LI Xiaoyong*, REN Zhi, LIU Jiangbing

(KeyLaboratoryofMobileCommunicationTechnology,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

The transmission energy consumption of nodes does not be considered in the exiting Network Coding Aware Cooperative MAC (NCAC-MAC) protocol for Ad Hoc Network, and the control message sent by the candidate cooperative relay node can not make the other candidate nodes which are not in the communication range give up competition, thus causing collision. To deal with those problems, a high efficiency Medium Access Control (MAC) protocol based on cooperative network coding High Efficiency MAC protocol based on Cooperative Network Coding (HECNC-MAC) was proposed. Three optimization schemes were carried out by the protocol. Firstly, candidate cooperative relay node need to prejudge whether the destionation can decode the packet, so as to reduce the number of competitive relay nodes and ensure that the destination node could be successfully decoded. Secondly, the transmission energy consumption of nodes should be synthetically considered when selecting the cooperative relay node. Finally, the Eager To Help (ETH) message is canceled, and the destination node sents conformation message through pseudo-broadcast. Theoretical analysis and simulation results show that in the comparison experiments with Carrier Sense Multiple Access (CSMA), Phoenix and NCAC-MAC protocols, the transmission energy consumption of nodes and the end-to-end delay of date packages can be effectively reduced, and the network throughput can be improved by HECNC-MAC.

cooperative communication; network coding; Medium Access Control (MAC) protocol; candidate cooperative relay node; transmission energy consumption

2017- 04- 18;

2017- 07- 03。

重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2015jcyjBX0085)。

姚玉坤(1964—),女,重慶人,教授,碩士,主要研究方向:寬帶自組織網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)編碼; 李小勇(1992—),男,湖北荊州人,碩士研究生,主要研究方向:網(wǎng)絡(luò)編碼、媒體訪問(wèn)控制協(xié)議; 任智(1971—),男,四川內(nèi)江人,教授,博士,主要研究方向:寬帶自組織網(wǎng)、無(wú)線通信;劉江兵(1989—),男,重慶人,碩士研究生,主要研究方向:無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由算法。

1001- 9081(2017)10- 2748- 06

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.10.2748

TP393

A

This work is partially supported by the Foundation and Frontier Research Project of Chongqing (cstc2015jcyjBX0085).

YAOYukun, born in 1964, M. S., professor. Her research interests include broadband self-organizing network, network code.

LIXiaoyong, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include network code, medium access control protocol.

RENZhi, born in 1971, Ph. D., professor. His research interests include broadband self-organizing network, wireless communication.

LIUJiangbing, born in 1989, M. S. candidate. His research interests include wireless Ad Hoc network routing algorithm.