多跳無線網(wǎng)絡(luò)跨層自適應(yīng)協(xié)同TDMA協(xié)議

黃紹城,馬林華,蔡 釗,張 嵩,茹 樂,田 雨

(1.空軍工程大學航空航天工程學院,陜西西安 710038; 2.95876部隊,甘肅張掖 734100)

多跳無線網(wǎng)絡(luò)跨層自適應(yīng)協(xié)同TDMA協(xié)議

黃紹城1,馬林華1,蔡 釗1,張 嵩1,茹 樂1,田 雨2

(1.空軍工程大學航空航天工程學院,陜西西安 710038; 2.95876部隊,甘肅張掖 734100)

針對多跳無線網(wǎng)絡(luò)中信道衰落和業(yè)務(wù)突發(fā)性導(dǎo)致的信道浪費與超負載問題,提出了多跳無線網(wǎng)絡(luò)跨層自適應(yīng)協(xié)同時分多址接入?yún)f(xié)議.該協(xié)議通過利用路由層周期性更新拓撲的特點,獲知信道的中斷概率和位置信息,在不增加額外協(xié)商開銷和保證信息傳輸效率的前提下自適應(yīng)判斷是否作為協(xié)同中繼,從而減少了等待延時,提高了信道利用率.通過建立跨層自適應(yīng)協(xié)同時分多址接入?yún)f(xié)議的馬爾科夫鏈數(shù)學分析模型,從理論上分析了協(xié)議在吞吐量、丟包率和延時方面的性能.理論和仿真結(jié)果顯示,與傳統(tǒng)時分多址接入?yún)f(xié)議相比,提升了網(wǎng)絡(luò)性能,吞吐量最大增加了36%,延時降低了40%.

信道浪費;無線網(wǎng)絡(luò);跨層;自適應(yīng);協(xié)同;馬爾科夫鏈

在基于時分多址接入(Time-Division Multiple Access,TDMA)的多跳無線通信中,路由選定并沒有考慮媒體接入控制層(Media Access Control,MAC)的接入順序[1],但由于業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐话l(fā)性,總會出現(xiàn)空閑時隙或某個中繼超負載[2-3].若按傳統(tǒng)方式傳輸,就容易造成信道浪費或增加延時,而協(xié)同MAC協(xié)議的設(shè)計是一個保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可靠且有效地占用資源的有效手段[4-6].

文獻[7-8]研究了基于TDMA的多天線系統(tǒng)的中心基站多用戶協(xié)同通信.在此基礎(chǔ)上,文獻[5]提出了一種在無線網(wǎng)絡(luò)下動態(tài)協(xié)同MAC協(xié)議(Dynamic Coordination TDMA,DC-TDMA),主要通過增加小時隙協(xié)商策略來動態(tài)選擇空閑時隙,但是它們都是基于中心基站的TDMA協(xié)議,并不適用于多跳的分布式網(wǎng)絡(luò)[9].文獻[10]主要通過額外增加反饋機制來比較中繼節(jié)點的空閑發(fā)送隊列情況以選擇協(xié)同中繼進行協(xié)同傳輸,但是這與文獻[11]一樣增加了相互比較協(xié)商的開銷,在網(wǎng)絡(luò)負載較大時每次傳輸前的協(xié)商過程帶來的額外開銷和信息碰撞將會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)性能降低.

針對路由層選路由時沒有考慮信道衰落和業(yè)務(wù)突發(fā)性導(dǎo)致的信道浪費與超負載問題,結(jié)合路由層周期性更新拓撲的特點,筆者提出一種適合多跳無線網(wǎng)絡(luò)的跨層自適應(yīng)協(xié)同TDMA協(xié)議.主要思想就是充分利用表驅(qū)動路由協(xié)議特點(如OLSR路由協(xié)議[12]),節(jié)點能計算自身滿足特定傳輸速率下作為中繼時的中斷概率,即能在不增加額外協(xié)商開銷的前提下自行判斷是否作為協(xié)同中繼,從而減少原路徑中繼的負載,使數(shù)據(jù)能以最快的速度傳送到目的節(jié)點,提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量.

1　系統(tǒng)模型與協(xié)同策略

1.1信道模型

在瑞利信道衰落下的有效傳輸滿足鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率大于特定業(yè)務(wù)要求下的傳輸速率,否則鏈路會發(fā)生中斷[13].因此,當R

其中,r為瞬時信噪比,C(r)為鏈路容量,p(r)為信噪比的概率密度函數(shù).所有中繼都使用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式.在實際中,信道滿足瑞利分布的信道瞬時信噪比滿足Γ的指數(shù)分布[13].式(1)的中斷概率可以計算為

其中,Γ為衰落后的平均信噪比,Γ=PGd-αN0,P為發(fā)送功率,N0為接收端的高斯白噪聲功率,G為天線增益,d為收發(fā)節(jié)點間距離,α為路徑損耗指數(shù).滿足特定傳輸速率的鏈路傳輸成功概率Ps=1-Pout.

圖1　協(xié)同模型和CAC-TDMA幀結(jié)構(gòu)示意圖

1.2協(xié)同模式

圖1(a)為協(xié)同模型,其中所有可能協(xié)同的節(jié)點必須在源節(jié)點與下一跳目節(jié)點的一跳范圍內(nèi).圖1(b)為跨層自適應(yīng)協(xié)同時分多址接入?yún)f(xié)議(Cross-layer Adaptive Cooperative TDMA,CAC-TDMA)幀結(jié)構(gòu):一個時幀中每個節(jié)點分配一個時隙,該時隙包含數(shù)據(jù)傳輸和確認信息(ACK)兩部分,其中ACK結(jié)構(gòu)增加了原中繼在給定信息傳輸速率下的中斷概率Pout;在時幀的結(jié)尾部分預(yù)留一定時隙的空閑時隙,用于動態(tài)拓撲中新節(jié)點的加入.

跨層自適應(yīng)協(xié)同過程:以兩跳協(xié)同為例,如圖1(a),首先原節(jié)點S在其規(guī)定的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包給原中繼節(jié)點R1(路由協(xié)議選定的路徑).若R1成功接收該數(shù)據(jù)包,并在此時隙末端回復(fù)ACK,則這時源目節(jié)點共同覆蓋域內(nèi)的所有節(jié)點都將收到該數(shù)據(jù)包和ACK.若該數(shù)據(jù)包和ACK能被成功譯碼接收,則該節(jié)點將根據(jù)以下條件進行自行判斷是否參與協(xié)同:①通過表驅(qū)動路由的鄰居列表判斷是否在源目節(jié)點的共同一跳覆蓋范圍內(nèi);②通過表驅(qū)動路由周期性交互Hello等控制消息,利用式(2)計算路徑中斷概率,且大于原定中繼ACK攜帶的中斷概率信息.

滿足條件的高效協(xié)同中繼選出后,由于采用TDMA的輪詢機制,且每幀每節(jié)點只占用一個時隙,則會出現(xiàn)兩種情況:①當R1在其時隙中能先于協(xié)作中繼節(jié)點時隙將其對應(yīng)的數(shù)據(jù)包傳送出去時,即按照路由協(xié)議原定的路徑傳輸(S-R1-R2),下一跳節(jié)點收到該數(shù)據(jù)包后立即回復(fù)ACK,這時一跳范圍內(nèi)隊列中緩存有該數(shù)據(jù)包的節(jié)點都將該數(shù)據(jù)包從隊列中刪除,此過程與傳統(tǒng)TDMA相似.②在中繼節(jié)點特定時隙內(nèi)無法先于協(xié)作中繼節(jié)點傳輸?shù)街付ǖ南乱惶康墓?jié)點時,多個協(xié)作中繼節(jié)點中首先獲得時隙傳輸該數(shù)據(jù)包的節(jié)點將會被選為第一個協(xié)作中繼節(jié)點(如圖A節(jié)點),數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)较乱惶康墓?jié)點后,目的節(jié)點回復(fù)ACK,同理其一跳范圍內(nèi)的所有節(jié)點都會將其隊列中對應(yīng)的數(shù)據(jù)包刪除,此時的傳輸路徑更改為(S-A-R2);若該協(xié)同中繼傳輸失敗,則會由下一個協(xié)同中繼傳輸,進而提高數(shù)據(jù)報的成功概率,減少等待延時,減少原定中繼的負載.

2　性能分析

建立馬爾可夫鏈數(shù)學分析模型,以此來描述協(xié)同中繼進行數(shù)據(jù)包產(chǎn)生、到達和傳輸?shù)倪^程,并以此分析協(xié)同中繼的吞吐量,丟包率,延時等性能.如圖2所示,總共有L+1個狀態(tài)(L為節(jié)點緩存隊列長度),Si表示每個節(jié)點緩存隊列中數(shù)據(jù)包的個數(shù).

假設(shè)滿足中斷概率傳輸條件的概率為Pt,為了簡化計算,中斷概率可以使用成功概率來計算,計算如下:當每個節(jié)點的發(fā)送功率和天線增益都相同時,中繼傳輸成功,即S-R和R-D都傳輸成功,PsR=Ps(S-R)Ps(R-D).若存在協(xié)同中繼節(jié)點A滿足其總傳輸成功概率大于原中繼R的成功概率,PsA>PsR,則同理可由式(2)得

圖2　節(jié)點緩存隊列馬爾可夫鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖

其中,dSA,dAD,dSR,dRD分別為協(xié)同中繼A和原中繼R到源節(jié)點S和目的節(jié)點D的距離.

因此,滿足式(3)的節(jié)點都會滿足中斷概率小于原路徑的中斷概率,其節(jié)點性能與其所處的位置相對應(yīng).在此令衰減因子α=2,若原中繼選定,則其到源目節(jié)點的距離也就固定,滿足,與原中繼傳輸性能相同的節(jié)點滿足該距離條件的性能曲線l,即(x-a)2+(y-b)2+(x-c)2+(y-d)2=K,如圖3所示的虛線.

圖3　中繼節(jié)點性能曲線示意圖

當原中繼選定時,滿足傳輸條件式(3)的協(xié)同中繼節(jié)點分布在如圖3的區(qū)域ST中.節(jié)點均勻地分布在共同覆蓋區(qū)域內(nèi).滿足式(3)的區(qū)域與整個共同覆蓋域的面積比值就是滿足傳輸條件的節(jié)點概率,Pt=ρST(ρSall)=STSall,ρ為節(jié)點密度[14].

若每個時幀數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生和到達數(shù)都服從二項分布[5],則一個時幀內(nèi)到達或產(chǎn)生k個數(shù)據(jù)包的概率P(k)為

其中,σ為每個時隙產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包的概率.

假設(shè)共同覆蓋域內(nèi)有N個鄰居節(jié)點,其中有i個成功接收中繼包的概率為

其中,Pe=1-Ps,為節(jié)點接收錯誤的概率.

因此,在i個成功接收的節(jié)點中,k個節(jié)點滿足傳輸條件的概率為

則滿足傳輸條件的中繼平均錯誤概率為

通過分析CAC-TDMA的馬爾可夫模型,其中繼的一步轉(zhuǎn)移矩陣BC表示為

由于此馬爾可夫鏈是有限狀態(tài),非周期的,因此其必然存在惟一的平穩(wěn)分布[15],得πCr=(πCr0,πCr1,πCr2,…,πCri,…,πCrL),其中πCri表示中繼節(jié)點在狀態(tài)Si的穩(wěn)定概率.

首先,計算CAC-TDMA的吞吐量.網(wǎng)絡(luò)中任何一個節(jié)點在其時隙除了發(fā)送隊列為空的情況(即一個時幀內(nèi)都沒有數(shù)據(jù)包到達或產(chǎn)生)外,都會傳輸數(shù)據(jù)包,因此協(xié)同中繼吞吐量為

其次,節(jié)點的丟包率即丟失數(shù)據(jù)包數(shù)與產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包的比值,則中繼丟包率為

最后,計算網(wǎng)絡(luò)的延時.由前面假設(shè)知道,在一幀中每個節(jié)點都只有一個時隙且發(fā)送一個數(shù)據(jù)包,即單位時隙發(fā)送速率和單位時幀發(fā)送速率一樣,則中繼的傳輸延時為

3　理論與仿真結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中每個數(shù)據(jù)包的長度為1 024 bit,隊列緩存大小為20個數(shù)據(jù)包(L=20),每個時幀包含20個時隙(M=20).假設(shè)在源目節(jié)點的共同一跳覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)N為5個或10個,并隨機的均勻分布在該范圍內(nèi),最后使用MATLAB進行理論和仿真的分析比較.

圖4給出了在瑞利信道下中繼吞吐量與網(wǎng)絡(luò)負載σ、共同鄰居節(jié)點數(shù)N的關(guān)系.可以發(fā)現(xiàn),吞吐量隨著網(wǎng)絡(luò)負載σ的增加而增加,最終達到穩(wěn)定值.因為當系統(tǒng)負載比較大時,TDMA時幀中的空閑時隙變少,協(xié)議的性能受到很大的影響.隨著N增大,協(xié)作TDMA的吞吐量明顯增加,主要是滿足條件的協(xié)同節(jié)點也增加了,即使在負載較重時也能減輕中繼的傳輸壓力.總體上,協(xié)作TDMA相比與傳統(tǒng)TDMA可獲得更高的吞吐量.

圖4　中繼吞吐量

圖5給出了中繼丟包率與網(wǎng)絡(luò)負載的關(guān)系.從圖5可以發(fā)現(xiàn),當網(wǎng)絡(luò)負載較低時,網(wǎng)絡(luò)由于傳輸或等待丟失的數(shù)據(jù)包很少;當網(wǎng)絡(luò)負載增加時,數(shù)據(jù)包傳輸?shù)却难訒r相應(yīng)增加,丟包率也同時增加;當存在協(xié)同中繼時,隨著可用高效中繼的增多,丟包率會相應(yīng)地降低.

圖5　中繼丟包率

圖6　中繼延時

圖6給出了中繼平均延時與負載的關(guān)系.可以明顯地看出,其延時從23時幀降低到了16時幀(總共降低了約40%),主要是因為隨著負載增加,原單一中繼的負載增大,其數(shù)據(jù)等待發(fā)送延時增加,傳輸成功概率降低.當存在多個高效協(xié)同中繼時,中繼數(shù)據(jù)能通過更快的中繼可用時隙轉(zhuǎn)發(fā)出去,因此網(wǎng)絡(luò)延時降低.

4　結(jié)束語

由于路由層選路由時沒有考慮MAC層的發(fā)送先后次序和可用時隙,因此筆者提出適合多跳網(wǎng)絡(luò)的跨層自適應(yīng)協(xié)同TDMA協(xié)議(CAC-TDMA).該協(xié)議適合多跳網(wǎng)絡(luò)且結(jié)合路由層的特點和TDMA的輪詢特點,能在不增加額外協(xié)商開銷和保證信息傳輸效率的前提下進行協(xié)同通信.理論分析與仿真表明,該協(xié)議在減少延時與丟包率、提高吞吐量方面的性能有較大的改進.其不足之處在于沒有考慮不同數(shù)據(jù)包長度對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不一樣,從而造成的中斷概率不一樣,導(dǎo)致算法的不準確性.

[1]ZENG Q J,ZHANG K,WANG Z Y.A Cross-layer Based TDMA Protocol for Wireless Biomedical Sensor Networks [C]//Proceedings of 5th International Conference on Biomedical Engineering and Informatics.Piscataway:IEEE,2012: 1380-1383.

[2]OMAR H A,ZHUANG W H,LI L.Ve MAC:a TDMA-based MAC Protocol for Reliable Broadcast in VANETs[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing,2013,12(9):1724-1736.

[3]CAO B,FENG G,LI Y,et al.Cooperative Media Access Control with Optimal Relay Selection in Error-Prone Wireless Networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2014,63(1):252-265.

[4]WILLIG A,UHLEMANN E.Deadline-aware Scheduling of Cooperative Relayers in TDMA-based Wireless Industrial Networks[J].Wireless Networks,2014,20(1):73-88.

[5]LEE J K,NOH H J,LIM J.Dynamic Cooperative Retransmission Scheme for TDMA Systems[J].IEEE Communications Letters,2012,16(22):2000-2003.

[6]董洛兵,沈沛意,易克初,等.具有單緩沖區(qū)的協(xié)同GBN-ARQ算法[J].西安電子科技大學學報,2012,39(3):90-94. DONG Luobing,SHEN Peiyi,YI Kechu,et al.Cooperative GBN-ARQ with a Single Beffer[J].Journal of Xidian University,2012,39(3):90-94.

[7]YANG Z,YAO Y D,LI X C,et al.A TDMA-based MAC Protocol with Cooperative Diversity[J].IEEE Communications Letters,2010,14(6):542-544.

[8]GOKTURK M S,ERCETIN O,ERCETIN O,et al.Throughput Analysis of ALOHA with Cooperative Diversity[J]. IEEE Communications Letters,2008,12(6):468-470.

[9]LEE J K,NOH H J,LIM J.TDMA-based Cooperative MAC Protocol for Multi-hop Relaying Networks[J].IEEE Communications Letters,2014,18(3):435-438.

[10]ZHAO Y L,DU B,GE N.An Empty-queue Aware Cooperative Relay MAC Protocol with Vacation Queue Analysis [C]//Proceedings of Military Communications Conference.Piscataway:IEEE,2013:194-199.

[11]WANG X Y,LI J.Network Coding Aware Cooperative MAC Protocol for Wireless Ad Hoc Networks[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems,2014,25(1):167-179.

[12]YELEMOU T,DANGJINOU T M.Taking into Account Link Quality in OLSR Protocol Core Areas[C]//Proceedings of IEEE 6th International Conference on Adaptive Science&Technology.Piscataway:IEEE,2014:1-4.

[13]ZHAO Y,ADVE R,LIM T J.Outage Probability a At Arbitraty SNR with Cooperative Diversity[J].IEEE Communications Letters,2005,9(8):700-702.

[14]董榮勝,馬爭先,郭云川,等.一種基于馬爾可夫博弈的能量均衡路由算法[J].計算機學報,2013,36(7):1500-1508. DONG Rongsheng,MA Zhengxian,GUO Yunchuan,et al.A Markov Game Theory-based Energy Balance Routing Algorithm[J].Chinese Journal of Computer,2013,36(7):1500-1508.

[15]ZAALOUL A,BEN EL AATTAR M,HANINI M,et al.A Markov Model to Evaluate System Performances under Slotted Aloha Protocol[C]//Proceedings of Fifth International Conference on Next Generation Networks and Services. Piscataway:IEEE Computer Society,2014:54-59.

(編輯:郭 華)

Cross-layer adaptive cooperative TDMA protocol for multi-hop wireless networks

HUANG Shaocheng1,MA Linhua1,CAI Zhao1,ZHANG Song1,RU Le1,TIAN Yu2
(1.Aeronautics and Astronautics Engineering College,Air Force Engineering Univ.,Xi’an 710038,China;2.No.95876 Unit,Zhangye 734100,China)

Aiming at signal fading in the Rayleigh channel and channel waste or overload caused by the sudden traffic transmission in multi-hop wireless networks,a cross-layer adaptive cooperative time division multiple access protocol(CAC-TDMA)for multi-hop wireless networks is proposed.By taking advantage of the routing layer characteristics that periodically update topology,nodes can get the channel outage probability and position,determine whether they are cooperative relays themselves by no additional consultations overhead,which can decrease the waiting delay and increase channel utilization.To make a numerical analysis of the throughput,packet drop rate and delay of CAC-TDMA,a Markov chain analysis models of CAC-TDMA is constructed.Numerical and simulation results show that the proposed protocol can guarantee better performance than the conventional TDMA,that is,the maximum increase of throughput is 36%and the maximum decrease of delay is 40%.

channel waste;wireless networks;cross-layer;adaptive;cooperative;Markov chain

TP393

A

1001-2400(2016)03-0131-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.03.023

2015-03-22

時間:2015-07-27

國家自然科學基金資助項目(61472442);航空科學基金資助項目(20130596008,20145596025);綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室開放研究資助項目(ISN15-13)

黃紹城(1990-),男,空軍工程大學碩士研究生,E-mail:huangshaocheng606@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150727.1952.023.html