基于跨層設(shè)計(jì)的礦山物聯(lián)網(wǎng)感知層協(xié)作網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化*

宋得名，曲立國，黃友銳，陳珍萍（.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南300；.安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖4000）

研究與探討

基于跨層設(shè)計(jì)的礦山物聯(lián)網(wǎng)感知層協(xié)作網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化*

宋得名1，曲立國2，黃友銳1，陳珍萍1
（1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖241000）

為了滿足礦山物聯(lián)網(wǎng)感知層服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求，采用一種基于跨層設(shè)計(jì)的無線協(xié)作通信機(jī)制，在Nakagami-m衰落信道中，通過物理層自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）和鏈路層混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）協(xié)議跨層設(shè)計(jì)，研究無線通信網(wǎng)絡(luò)的HARQ協(xié)作機(jī)制，推導(dǎo)出協(xié)作傳輸系統(tǒng)的總能耗表達(dá)式，建立跨層優(yōu)化模型?；谪澙凡呗缘乃枷?，提出一種網(wǎng)絡(luò)壽命最大化的功率分配算法（NLMPAA），在保證誤碼率指標(biāo)的前提下，在最大功率的約束范圍內(nèi)，對(duì)功率矩陣進(jìn)行優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)壽命最大化。仿真結(jié)果表明：基于協(xié)作機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)壽命明顯優(yōu)于非協(xié)作機(jī)制網(wǎng)絡(luò)，本文提出的NLMPAA可以延長網(wǎng)絡(luò)壽命20%以上。

跨層設(shè)計(jì)；協(xié)作傳輸；混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求；自適應(yīng)調(diào)制編碼；網(wǎng)絡(luò)壽命

0　引言

礦山物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域自治的松耦合特性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變，網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性和鏈路質(zhì)量無法保障，環(huán)境動(dòng)態(tài)變化也將會(huì)給感知層終端節(jié)點(diǎn)可靠通信和節(jié)點(diǎn)生命周期帶來很大影響，這給礦山物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障提出了巨大挑戰(zhàn)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)眾多，工作環(huán)境等因素不便補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)電池能量，從而使網(wǎng)絡(luò)壽命延長是無線通信網(wǎng)絡(luò)研究中的一個(gè)重要問題［1，2］。

目前，對(duì)于自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)［3］和混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）［4］跨層設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)很多，針對(duì)無線協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中，Nakagami-m衰落信道條件下AMC技術(shù)和HARQ技術(shù)聯(lián)合設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)壽命分析以及優(yōu)化尚且沒有相關(guān)報(bào)道［5］。本文通過通信節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作行為，基于跨層設(shè)計(jì)思想［6］，研究礦山物聯(lián)網(wǎng)感知層在保證誤碼率指標(biāo)的前提下、最大功率的約束范圍內(nèi)，礦山物聯(lián)網(wǎng)無線感知層網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化問題［7，8］。

為此，本文研究無線通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作機(jī)制，在Nakagami-m衰落信道條件下，建立AMC和HARQ跨層設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化模型，推導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)壽命函數(shù)，提出網(wǎng)絡(luò)壽命最大化功率分配算法（network lifetime maximizing power allocation algorithm，NLMPAA），并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較。

1　系統(tǒng)描述

1.1系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中包含源節(jié)點(diǎn)S、協(xié)作節(jié)點(diǎn)R以及目的節(jié)點(diǎn)D。R采用DF傳輸方式，所有節(jié)點(diǎn)均工作在時(shí)分半雙工模式下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝一副單發(fā)射、單接收天線。首先信息數(shù)據(jù)包到達(dá)S鏈路層緩存器，再根據(jù)R和D反饋的信道狀態(tài)信息（CSI）將數(shù)據(jù)包映射為物理層的數(shù)據(jù)幀，采用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）來檢測(cè)信息數(shù)據(jù)包信息的正確性，并確定重傳的必要性。

圖1　系統(tǒng)與信道模型Fig 1　Model for system and channel

本文基于Nakagami-m信道模型研究系統(tǒng)性能，系統(tǒng)平均誤碼率［9］為

式中參數(shù)an，gn和γpn通過計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)據(jù)擬合方法得到。n為 AMC模式。γpn滿足 anexp（-gn，γ）=1，將式（2）變換為

式中Ploss為系統(tǒng)允許的最大誤包率（packet error rate， PER），當(dāng)γ∈［γn，γn+1）時(shí)，選擇AMC模式n編碼調(diào)制方式。

通過表1中的參數(shù)可以表示出Ⅲ型HARQ的平均PER。直徑分別為20，22，24，26 cm（腳架高約4.2 cm）材質(zhì)：不銹鋼。

表1?、笮虷ARQ PER曲線參數(shù)Tab 1　PER curve parameters of HARQ-Ⅲ

1.2建立HARQ協(xié)作系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移

假定最大傳輸次數(shù)N=4，圖中Sx，y表示節(jié)點(diǎn)S傳輸x次，中繼節(jié)點(diǎn)R協(xié)作y次，目的端解碼成功的狀態(tài)；除初始狀態(tài)外，每個(gè)Sx，y都對(duì)應(yīng)一個(gè)，表示錯(cuò)誤譯碼［10］。

圖2　HARQ狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig 2　HARQ state transition diagram

以MISO協(xié)作為例，詳細(xì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如下：

以R和D在傳輸n1-2和n1-1次中斷為條件，轉(zhuǎn)移概率px，0為

根據(jù)式（2）、式（3）、式（4）、式（5）中的轉(zhuǎn)移概率可以直接推導(dǎo)出狀態(tài)概率：

當(dāng)y=0（沒有節(jié)點(diǎn)R協(xié)作）時(shí)

當(dāng)y≥1（有節(jié)點(diǎn)R協(xié)作）時(shí)

通過遞歸分析法，利用式（6）、式（7），可以從初始狀態(tài)概率推導(dǎo)出圖2中所有狀態(tài)概率。

因此，協(xié)作HARQ與自適應(yīng)調(diào)制跨層設(shè)計(jì)的平均總功耗為

式中第一項(xiàng)表示在達(dá)到最大重傳次數(shù)之前，目的節(jié)點(diǎn)D正確譯碼的功耗；第二項(xiàng)表示存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)R時(shí)，達(dá)到最大重傳次數(shù)后，目的節(jié)點(diǎn)D正確譯碼和不正確譯碼的功耗；第三項(xiàng)表示無協(xié)作節(jié)點(diǎn)R時(shí)，達(dá)到最大重傳次數(shù)后，目的節(jié)點(diǎn)D的功耗，最后一次傳輸中協(xié)作節(jié)點(diǎn)不需要接收數(shù)據(jù)，所以減去Pr。

1.3協(xié)作傳輸圖3是一個(gè)4節(jié)點(diǎn)的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)示意圖，實(shí)線表示節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸鏈路，虛線表示協(xié)作傳輸?shù)逆溌?。本文將發(fā)送功率表示為一個(gè)N×N的矩陣P，其中元素為Pi，j。

圖3　4節(jié)點(diǎn)的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)示意圖Fig 3　Cooperative transmission diagram of 4 nodes

狀態(tài)分配矩陣為

當(dāng)有協(xié)作節(jié)點(diǎn)R，目的節(jié)點(diǎn)nj對(duì)節(jié)點(diǎn)i的信號(hào)接收的平均誤碼率為

此時(shí)誤碼率的一個(gè)上界為

因此，自適應(yīng)調(diào)度與HARQ聯(lián)合設(shè)計(jì)的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)i的壽命為

2　NLM建模與優(yōu)化算法

2.1問題建模

網(wǎng)絡(luò)壽命最大化的優(yōu)化目標(biāo)是在最大功率范圍內(nèi)，符合誤碼率指標(biāo)的同時(shí)，對(duì)功率分配矩陣進(jìn)行優(yōu)化，以此來最大化網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的最小壽命

式中ρei為誤碼率（BER）的上限，表示為 ρei=Pi為最小發(fā)送功率Pi，j為節(jié)點(diǎn)i協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn) j的信息到目的節(jié)點(diǎn) nj的功率。

2.2NLMPAA

功率分配算法的基本思想是將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命最大化問題分解為每個(gè)節(jié)點(diǎn)最大功率約束范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)壽命最大化子問題。1）初始化過程中，首先將矩陣P對(duì)角化，對(duì)角線上的元素為，傳輸方式為直接傳輸，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)j的壽命為，然后創(chuàng)建待協(xié)助節(jié)點(diǎn)列表Code=｛1，2，…，N｝。

5）返回步驟（2），直到Code為空，或者網(wǎng)絡(luò)壽命已經(jīng)不能明顯優(yōu)化，退出。

3　數(shù)值仿真

仿真中的參數(shù)和條件如下：誤碼率要求ε=10-3；路徑傳輸衰耗因子β=3；所有節(jié)點(diǎn)的初始能量為105J；信道帶寬的取值為1 MHz；目標(biāo)信噪比取5；節(jié)點(diǎn)的處理功耗Pc為節(jié)點(diǎn)在不協(xié)作時(shí)所需發(fā)送功率的25%；中繼協(xié)作節(jié)點(diǎn)的處理功耗Pr為Pc的50%；節(jié)點(diǎn)在指定區(qū)域內(nèi)均勻分布，目的節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域（0，0）；每個(gè)節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，路由方式采用Dijkstra算法確定。

圖4表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，在協(xié)作與非協(xié)作情況下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的壽命。從圖中可以看出：通過協(xié)作傳輸明顯地優(yōu)化了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小壽命；NLMPAA的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的次優(yōu)算法；直接傳輸?shù)男阅鼙葏f(xié)作傳輸?shù)男阅苌圆?。隨著協(xié)作節(jié)點(diǎn)2到目的節(jié)點(diǎn)距離的增加，協(xié)作與非協(xié)作性能接近，由于距離變大，所需發(fā)送功率增加，因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命減小。

圖4　兩節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命Fig 4　Node lifetime of two-node network

圖5表示最小節(jié)點(diǎn)壽命與節(jié)點(diǎn)分布密度關(guān)系的仿真結(jié)果。節(jié)點(diǎn)的分布區(qū)域?yàn)?00 m×100 m的正方形區(qū)域，節(jié)點(diǎn)數(shù)從20個(gè)到50個(gè)。仿真中保持傳輸速度不變。對(duì)于非協(xié)作傳輸而言，節(jié)點(diǎn)分布密度增加，意味著其傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)間的距離縮短，所需要的發(fā)送功率下降，因此網(wǎng)絡(luò)壽命增加。

圖5　節(jié)點(diǎn)分布密度與最小節(jié)點(diǎn)壽命的關(guān)系Fig 5　Relationship between node distribution density and the minimum node lifetime

為了評(píng)估本文提出的NLMPAA的性能，在平面隨機(jī)防止4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)如圖3所示。節(jié)點(diǎn)間的距離為d1，0= 3.5 m，d2，0=5 m，d3，0=7 m，d4，0=3 m，d2，1=1.5 m，d3，1= 2 m，d4，1=3 m。將本文提出的算法和文獻(xiàn)［11］中所提的TDMA算法進(jìn)行比較。可以看出NLMPAA優(yōu)于TDMA方案，如圖6。隨著傳輸速率的增加，所需節(jié)點(diǎn)發(fā)送功耗增加，網(wǎng)絡(luò)壽命降低速度都加快，兩種方案性能接近。

圖6　協(xié)作傳輸模式下的網(wǎng)絡(luò)壽命Fig 6　Network lifetime in cooperative transmission mode

圖7描述了最大傳輸次數(shù)N=4，信道參數(shù)m=1，2，3時(shí)，協(xié)作與非協(xié)作HARQ-Ⅲ跨層設(shè)計(jì)的平均總能耗與傳輸距離d之間的關(guān)系。從圖中可以看出：傳輸次數(shù)相同時(shí)，隨著m增加，網(wǎng)絡(luò)的平均總功耗減少，由式（11）可知網(wǎng)絡(luò)壽命延長；m取相同值時(shí)，傳輸距離越長，協(xié)作HARQ-Ⅲ相比較非協(xié)作就越有優(yōu)勢(shì)。

圖7　m取不同值時(shí)，HARQ-Ⅲ協(xié)議平均總能耗Fig 7　Average total energy consumption of HARQ-Ⅲprotocol when m take different values

4　結(jié)束語

本文研究無線協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)物理層AMC與鏈路層HARQ跨層設(shè)計(jì)的最大化網(wǎng)絡(luò)壽命問題。通過研究得知，節(jié)點(diǎn)間協(xié)作通信，既可降低傳輸能耗，又能夠利用無線網(wǎng)絡(luò)中各終端的供電能力，來有效延長網(wǎng)絡(luò)壽命。NLMPAA仿真結(jié)果表明：通過合理設(shè)計(jì)功率分配矩陣，可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命延長。

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Lifetime optimization of mine Internet of things perception layer cooperative network based on cross-layer design*

SONG De-ming1，QU Li-guo2，HUANG You-rui1，CHEN Zhen-ping1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Science
and Technology，Huai'nan 232001，China；2.College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China）

In order to meet the requirements of mine Internet of things（IoT）perception layer QoS，a wireless cooperative communication mechanism based on cross-layer design is proposed.In Nakagami-m fading channel，through cross-layer design of physical layer adaptive modulation coding（AMC）and link layer HARQ protocol，HARQ cooperation mechanism of wireless communication network is studied，and the total energy consumption expression of the cooperative transmission system is deduced，a cross-layer optimization model is established.A network lifetime maximizing power allocation algorithm（NLMPAA）based on greedy strategy is proposed，optimize the power matrix under the premise of ensuring the bit error rate index and in range of maximum power constraint，maximize network lifetime.Simulation results show that the lifetime of network based on the cooperation mechanism is significantly better than that of the non cooperative network，the NLMPAA proposed in this paper can extend the network lifetime more than 20%.

cross-layer design；cooperative transmission；HARQ；adaptive modulation coding（AMC）；networklifetime

TN929.5

A

1000—9787（2016）06—0004—05

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0004—05

2016—04—11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61300001，51104003，51274001）

宋得名（1991-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。