基于功率分配與中繼選擇聯(lián)合優(yōu)化的協(xié)作MAC

喻 超，芮雄麗，曹雪虹

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京工程學(xué)院 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

基于功率分配與中繼選擇聯(lián)合優(yōu)化的協(xié)作MAC

喻 超1，芮雄麗2，曹雪虹2

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京工程學(xué)院 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

針對傳統(tǒng)中繼選擇算法中信道條件利用不足及等功率分配資源利用率低等問題，在解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，提出基于信道狀態(tài)的中繼選擇與功率分配算法，以達(dá)到最小化系統(tǒng)發(fā)射功率的目標(biāo)。在最大發(fā)射功率、平均誤比特率及最大信道信噪比限制下，對候選中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)功率分配，并根據(jù)傳輸距離和對應(yīng)的能量消耗完成中繼選擇。以生命周期為主要性能指標(biāo)對OcoopMAC(Optimal wireless sensor network cooperative MAC)和現(xiàn)有的MAC協(xié)議進(jìn)行仿真和比較，給出了聯(lián)合優(yōu)化下的協(xié)作MAC協(xié)議流程，有效提高了系統(tǒng)的資源分配。仿真結(jié)果表明，該功率分配方案和中繼選擇策略在提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)生命周期方面比現(xiàn)有算法有顯著提高。

協(xié)作通信；MAC協(xié)議；功率分配；中繼選擇；生命周期

1 概 述

協(xié)作通信通過節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作獲得很好的空間分集，引起了廣泛關(guān)注。通過無線信道的傳播，使目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收的信號功率更強(qiáng)、更穩(wěn)定，進(jìn)而提升系統(tǒng)性能，使通信的傳播范圍更廣。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成。由于地理位置及環(huán)境等因素的影響，節(jié)點(diǎn)能源的更換與續(xù)充非常困難，且節(jié)點(diǎn)受大小、功率和硬件復(fù)雜度的約束，這為協(xié)作通信和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合提供了可能。在保證端到端傳輸?shù)耐ㄐ刨|(zhì)量要求下，協(xié)作通信比傳統(tǒng)通信有明顯的節(jié)能效果。因此，結(jié)合使用協(xié)作通信技術(shù)，可以減少無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸能耗[1]，從而延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

研究表明，協(xié)作通信中通過合理選擇中繼節(jié)點(diǎn)、分配中繼節(jié)點(diǎn)功率，能降低傳輸能耗，提高系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[2]提出基于放大轉(zhuǎn)發(fā)下的中繼分配方案，在收發(fā)端信噪比限制下使中繼節(jié)點(diǎn)功率達(dá)到最小化。文獻(xiàn)[3]提出一種節(jié)省能量的中繼分配方案，該方案利用時(shí)隙的信道狀態(tài)和所剩余的能量選擇出性能最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)，使功耗最小及網(wǎng)絡(luò)生命周期更長。文獻(xiàn)[4]提出一種單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的分配方案和中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配，選出總發(fā)送功率最小的節(jié)點(diǎn)作為最好的中繼節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]提出一種無線傳感網(wǎng)中單中繼選擇算法，該算法基于MAC層RTS-CTS信號的功率控制。Liu Pei等[6]提出基于無線局域網(wǎng)的Coop-MAC，性能優(yōu)于802.11b，但存在節(jié)點(diǎn)需要數(shù)據(jù)發(fā)送請求的限制。文獻(xiàn)[7]提出由競爭成為中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)控制幀，但會產(chǎn)生接收端的碰撞。文獻(xiàn)[8]提出不同的退避時(shí)隙，但功率資源利用率不高。文獻(xiàn)[9]提出基于能效分析和功率分配的協(xié)作MAC協(xié)議，但沒有對中繼節(jié)點(diǎn)選擇進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[10]提出無線傳感網(wǎng)中的能效傳輸方案，缺少對中繼的協(xié)作。文獻(xiàn)[11]提出在無線傳感網(wǎng)下的協(xié)作傳輸，但功率分配方案沒有進(jìn)一步優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]是多節(jié)點(diǎn)對多節(jié)點(diǎn)的傳輸方案，存在能耗較大的問題。文獻(xiàn)[13]提出基于距離選擇中繼的方案，但缺少對功率分配的優(yōu)化。文獻(xiàn)[14]提出無線通信中基于能效的中繼選擇，在功率分配方面需進(jìn)一步的分析和優(yōu)化。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，文中采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作通信方式，以最小化系統(tǒng)發(fā)射功率為目標(biāo)，在滿足最大發(fā)射功率限制和平均誤比特率限制及最大信道信噪比限制下，對候選中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率分配，并由源節(jié)點(diǎn)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)到候選中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸距離和對應(yīng)的能量消耗完成中繼選擇，從而減少能量損耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

2 系統(tǒng)模型

協(xié)作通信模型如圖1所示。

圖1 協(xié)作通信模型

該模型由1個(gè)源節(jié)點(diǎn)、N個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn)和1個(gè)目的節(jié)點(diǎn)組成，分別記為S，Ri和D，其中i=0，1,…,N。協(xié)作方式采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。假設(shè)S與Ri之間和Ri與D之間的信道為相互獨(dú)立的瑞利衰落信道，所有信道鏈路的噪聲是均值為零的獨(dú)立加性高斯白噪聲，功率為N0。傳輸過程主要分為兩個(gè)階段:

第1階段:源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送信號x，中繼Ri接收到的信號ysri為:

(1)

目的節(jié)點(diǎn)的接收信號ysd為：

(2)

第2階段:中繼節(jié)點(diǎn)Ri向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息。目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號yrid為:

(3)

信道的方差σ2為

σ2=ην-β

(4)

其中，ν為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離；β為傳輸損耗因子；η為由傳播環(huán)境決定的常量。

其中，yd表示目的節(jié)點(diǎn)收到的信號。

3 功率分配與中繼選擇

3.1 功率分配

傳統(tǒng)傳輸采用等功率分配的方案沒有考慮系統(tǒng)信道狀況的變化，不能對功率資源進(jìn)行有效利用。因此，文中以最小化系統(tǒng)發(fā)射功率為目標(biāo)，在滿足最大發(fā)射功率限制和平均誤比特率限制及最大信道信噪比限制下，對候選中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率分配，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。

(7)

min:Pf

s.t.P∈Φ

(9)

化簡為：

(10)

可把該式分為兩部分：

(11)

功率分配算法如下：

初始化:設(shè)置t=0。

步驟如下：

(1)中繼i選擇自己的初始非負(fù)值λi，并將λi及中繼節(jié)點(diǎn)i的接收功率Pr,i傳給源節(jié)點(diǎn)。

(3)令t=t+1，回到步驟2直到滿足限制條件Φ。

輸出:中繼i的最優(yōu)Pi。

3.2 中繼選擇

在系統(tǒng)功率分配結(jié)束之后，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)-候選中繼節(jié)點(diǎn)距離與源節(jié)點(diǎn)-目的節(jié)點(diǎn)直傳距離比及其對應(yīng)的能量損耗與剩余能量比的最小乘積值，選擇出最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)。

文中的中繼選擇算法如下:

輸入:節(jié)點(diǎn)i剩余能量Qres,i、源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率P0、候選中繼i的接收功率Pr,i、中繼i的功率Pi、數(shù)據(jù)包長度L、源到目的直傳距離ddir、傳輸數(shù)據(jù)速率a、常數(shù)c、路徑衰耗因子β。

步驟如下：

(1)計(jì)算源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)i的距離di:

(2)計(jì)算能量消耗:

qi=Pi8L/a+P08L/a

(3)分別計(jì)算Qi和τi:

Qi=qi/Qres,i

τi=di/ddir

(4)計(jì)算φi的值:

φi=Qi×τi

輸出:minφi

4 協(xié)議流程

(1)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，對信道監(jiān)聽，等待信道空閑后持續(xù)DIFS，發(fā)出RTS信號。

(2)目的節(jié)點(diǎn)正確解碼出RTS信號，則返回CTS信號。源節(jié)點(diǎn)收到CTS信號后等待中繼節(jié)點(diǎn)的HTS信號，HTS幀格式如圖2(a)所示。在不同的時(shí)隙slots內(nèi)，候選中繼節(jié)點(diǎn)將包含自身剩余能量、接收功率Pr,i及λi的HTS信號傳給源節(jié)點(diǎn)，若源節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)仍未收到HTS信號，則進(jìn)行非協(xié)作傳輸。若源節(jié)點(diǎn)收到HTS信號，則根據(jù)最優(yōu)功率分配算法，在滿足Φ條件下進(jìn)行功率分配，得出源節(jié)點(diǎn)和候選中繼節(jié)點(diǎn)的功率。

圖2 幀格式

(3)功率分配結(jié)束后，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的HTS信號，利用Pr,i和Pi分別得出源到候選中繼的傳輸距離d和能量消耗qi，由中繼選擇算法選出使φi最小的最優(yōu)中繼。

(4)源節(jié)點(diǎn)在等待SIFS后，向最優(yōu)中繼發(fā)送RTH(RequestToHelp)信號，RTH幀格式如圖2(b)所示。RTH中攜帶有最優(yōu)中繼的發(fā)射功率，源發(fā)送數(shù)據(jù)。沒有被選中的中繼進(jìn)入休眠狀態(tài)。

(5)目的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包，則向源節(jié)點(diǎn)反饋ACK信號。若源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)后的SIFS間隔內(nèi)沒有收到ACK信號，表明傳輸失敗，重新進(jìn)入信道監(jiān)聽，準(zhǔn)備重新發(fā)送RTS。

(6)源節(jié)點(diǎn)收到ACK信號后，此次傳輸過程結(jié)束。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)和剩余能量都小于數(shù)據(jù)傳輸所需要的損耗時(shí)，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期結(jié)束。源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 協(xié)作傳輸下的MAC時(shí)序

5 仿真結(jié)果分析

在所有的仿真中，采用BPSK調(diào)制。假定目的節(jié)點(diǎn)在圓中心位置，其他節(jié)點(diǎn)在半徑為50m的圓形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)地均勻分布。傳輸損失因子α=2，η=1，每個(gè)節(jié)點(diǎn)起始具有的能量Einit=1 J，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的電路損耗能量Ec=0.01 J，中繼節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理消耗的能量Ep=0.005 J，N0=-40dBm，Pimax為0.2W，報(bào)文長度為8 192bits，數(shù)據(jù)速率為1Mbit/s，最大平均誤比特率為ε=10-3，信道中允許的最大信噪比SNRmax=6dB。其中，與MAC和能耗相關(guān)的參數(shù)引用文獻(xiàn)[11-12]。網(wǎng)絡(luò)的生命周期定義為網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)的傳輸過程開始到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)和剩余能量均不足以支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的損耗時(shí)的周期。文中無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期通過傳輸過程結(jié)束后目的節(jié)點(diǎn)所收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目來衡量。

OcoopMAC協(xié)議和非協(xié)作方式在不同數(shù)據(jù)包長度下的生命周期比較如圖4所示，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為50，在數(shù)據(jù)包為1kb時(shí)，OcoopMAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期和非協(xié)作方式接近。采用協(xié)作方式時(shí)，由于中繼數(shù)目的增加，電路消耗增加，數(shù)據(jù)包長度也隨之增加，當(dāng)進(jìn)行中繼傳輸節(jié)省的能量大于電路損耗能量時(shí)，OcoopMAC協(xié)議比非協(xié)作方式性能好。

無線傳感網(wǎng)中不同MAC協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)生命周期的比較如圖4所示，最優(yōu)信道MAC源節(jié)點(diǎn)分布隨機(jī)，中繼通過信道最優(yōu)來選擇。最大剩余能量MAC源節(jié)點(diǎn)分布隨機(jī)，中繼通過最大剩余能量來選擇。非協(xié)作方式性能最差，最優(yōu)信道MAC和最大剩余能量MAC性能接近，OcoopMAC協(xié)議性能優(yōu)于WcoopMAC[11]。可以看出,提出的OcoopMAC協(xié)議的性能更好，文中算法在滿足最大發(fā)射功率限制和平均誤比特率限制及最大信道信噪比限制下，對候選中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率分配并充分利用了源節(jié)點(diǎn)到候選中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸距離和對應(yīng)的能量消耗，選出最優(yōu)中繼進(jìn)行協(xié)作傳輸，有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，可以選擇的中繼節(jié)點(diǎn)越多，所選出的最優(yōu)中繼性能越好，網(wǎng)絡(luò)生命周期越長。

圖4 OcoopMAC協(xié)議和非協(xié)作方式及不同

不同MAC協(xié)議在不同平均誤比特率下的網(wǎng)絡(luò)生命周期比較見圖5，最優(yōu)信道MAC和最大剩余能量MAC性能相近，OcoopMAC性能優(yōu)于WcoopMAC。當(dāng)平均誤比特比大于10-2.1時(shí)，OcoopMAC在滿足最大發(fā)射功率限制和平均誤比特率限制及最大信道信噪比限制下，通過協(xié)作所節(jié)省的能量小于因增加中繼節(jié)點(diǎn)而產(chǎn)生的電路損耗，生命周期比非協(xié)作方式的生命周期短。不同MAC協(xié)議的平均剩余能量的比較見圖5，平均剩余能量為傳輸過程結(jié)束后整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的剩余能量。最優(yōu)信道MAC和最大剩余能量MAC的平均剩余能量接近，OcoopMAC的平均剩余能量少于WcoopMAC，可以看出OcoopMAC在減少網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量方面更有效。

圖5 不同MAC協(xié)議在不同平均誤比特率下的網(wǎng)絡(luò)生命周期及平均剩余能量的比較

6 結(jié)束語

文中主要研究了解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作系統(tǒng)中最優(yōu)功率分配和中繼選擇策略。在解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，提出基于信道狀態(tài)的中繼選擇與功率分配算法的協(xié)作MAC，以達(dá)到最小化系統(tǒng)發(fā)射功率的目標(biāo)。指出在滿足最大發(fā)射功率限制和平均誤比特率限制及最大信道信噪比限制下，對候選中繼進(jìn)行功率分配，源節(jié)點(diǎn)通過源到候選中繼的傳輸距離和對應(yīng)的能量消耗完成中繼選擇。給出了聯(lián)合優(yōu)化下的協(xié)作MAC協(xié)議流程，有效提高了系統(tǒng)的資源分配。仿真結(jié)果表明，該功率分配方案和中繼選擇策略在提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)生命周期方面比現(xiàn)有算法有顯著提高。

[1]SadekAK,YuW,LiuKJR.Ontheenergyefficiencyofcooperativecommunicationsinwirelesssensornetworks[J].ACMTransactionsonSensorNetworks,2009,6(1):1-20.

[2]QiSun,LiLihua,LeiSong.Energyefficientrelayselectionfortwo-wayrelaysystem[C]//Procof2012IEEEvehiculartechnologyconference.Japan:IEEE,2012:1-5.

[3]WeiYifei,TengYinglei,WangLi,etal.Energy-savingcooperativecommunicationoverfading-channelswithrelayselectionandpower-control[J].China-Communications,2012,9(6):124-134.

[4]ZhouMin,CuiQimei,JanttiR,etal.Energy-efficientrelayselectionandpowerallocationfortwo-wayrelaychannelwithanalognetworkcoding[J].IEEECommunicationsLetters,2012,16(6):816-819.

[5]ZhouZ,ZhouS,CuiJ,etal.Energy-efficientcooperativecommunicationsbasedonpower-controlandselectivesinglerelayinwirelesssensornetworks[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2008,7(8):3066-3078.

[6]LiuPei,TaoZhifeng,NarayananS,etal.CoopMAC:acooperativeMACforwirelessLANs[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2007,25(2):340-354.

[7]ShanHangguan,ZhuangWeihua,WangZongxin.DistributedcooperativeMACformulti-hopwirelessnetworks[J].IEEECommunicationsMagazine,2009,47(2):126-133.

[8] 孫 東.一種新的WLAN協(xié)作通信MAC層協(xié)議[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2011.

[9]LiuW,LiG,ZhuL.Energyefficiencyanalysisandpowerallocationofcooperativecommunicationsinwirelesssensornetworks[J].JournalofCommunications,2013,8(12):870-876.

[10]KimJW,BarradoJRR,JeonDK.Anenergy-efficienttransmissionschemeforreal-timedatainwireless-sensornetworks[J].Sensors,2014,15(5):11628-11652.

[11]ZhaiChao,LiuJu,ZhengLina,etal.LifetimemaximizationviaanewcooperativeMACprotocolinwirelesssensornetworks[C]//Procofglobaltelecommunicationsconference.[s.l.]:IEEE,2009:720-725.

[12]FangHaoran,LinXingqin,LokTM.Power-allocationformultiuser-cooperativecommunicationsnetworksunderrelay-selectiondegreebounds[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2012,61(7):2991-3001.

[13]RanaMR,HossainMF,HasanMK,etal.Distance-awarereliablerelayselectionprovisioninginwirelesscooperativeMACprotocol[C]//ProcofIFOST.[s.l.]:[s.n.],2014.

[14]HangTZ,HaoSZ,CuthbertL,etal.Energy-efficientcooperativerelayselectionschemeinMIMOrelaycellularnetworks[C]//Proceedingofthe2010IEEEinternationalconferenceoncommunicationsystems.Singapore:IEEE,2010:269-273.

A Cooperative MAC Based on Joint Optimization of Power Allocation and Relay Selection

YU Chao1,RUI Xiong-li2,CAO Xue-hong2

(1.College of Telecommunications and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China; 2.College of Communication Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

As the under-utilization channel condition and low power allocation resource utilization of traditional relay selection algorithm,a relay selection and power allocation algorithm based on the channel state information is proposed to minimize the transmission power for Decode-and-Forward (DF) cooperative wireless sensor networks.Power is optimally allocated to source and relay nodes with the objective of minimizing the total transmission power under the limit of maximum transmitted power,the average bit error rate and maximum channel Signal-to-Noise Ratio (SNR),and relay is selected according to the transmission distance and the corresponding energy consumption.The simulation and comparison between OcoopMAC (Optimal wireless sensor network cooperative MAC) and existing MAC protocol are made by using the lifetime as the key performance indicators.Results verify that OcoopMAC significantly improves network performance.

cooperative communication;MAC protocol;power allocation;relay selection;lifetime

2016-01-06

2016-05-10

時(shí)間：2016-09-19

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃基金項(xiàng)目(CXZZ12_0475)

喻 超(1994-)，男，碩士，研究方向?yàn)闊o線通信中的智能信號處理；曹雪虹，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o線通信中的智能信號處理。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0842.042.html

TP31

A

1673-629X(2016)10-0006-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.002