基于跨層設計的礦山物聯網感知層協作網絡壽命優化*

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

研究與探討

基于跨層設計的礦山物聯網感知層協作網絡壽命優化*

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

為了滿足礦山物聯網感知層服務質量（QoS）的要求，采用一種基于跨層設計的無線協作通信機制，在Nakagami-m衰落信道中，通過物理層自適應調制編碼（AMC）和鏈路層混合自動重傳請求（HARQ）協議跨層設計，研究無線通信網絡的HARQ協作機制，推導出協作傳輸系統的總能耗表達式，建立跨層優化模型。基于貪婪策略的思想，提出一種網絡壽命最大化的功率分配算法（NLMPAA），在保證誤碼率指標的前提下，在最大功率的約束范圍內，對功率矩陣進行優化，使網絡壽命最大化。仿真結果表明：基于協作機制的網絡壽命明顯優于非協作機制網絡，本文提出的NLMPAA可以延長網絡壽命20%以上。

跨層設計；協作傳輸；混合自動重傳請求；自適應調制編碼；網絡壽命

0　引言

礦山物聯網區域自治的松耦合特性導致網絡拓撲結構多變，網絡聯通性和鏈路質量無法保障，環境動態變化也將會給感知層終端節點可靠通信和節點生命周期帶來很大影響，這給礦山物聯網的服務質量（QoS）保障提出了巨大挑戰。由于傳感器網絡節點眾多，工作環境等因素不便補充節點電池能量，從而使網絡壽命延長是無線通信網絡研究中的一個重要問題［1，2］。

目前，對于自適應調制編碼（AMC）技術［3］和混合自動重傳請求（HARQ）［4］跨層設計的研究已經很多，針對無線協作通信網絡中，Nakagami-m衰落信道條件下AMC技術和HARQ技術聯合設計的網絡壽命分析以及優化尚且沒有相關報道［5］。本文通過通信節點之間的協作行為，基于跨層設計思想［6］，研究礦山物聯網感知層在保證誤碼率指標的前提下、最大功率的約束范圍內，礦山物聯網無線感知層網絡壽命優化問題［7，8］。

為此，本文研究無線通信網絡的協作機制，在Nakagami-m衰落信道條件下，建立AMC和HARQ跨層設計的網絡壽命優化模型，推導網絡壽命函數，提出網絡壽命最大化功率分配算法（network lifetime maximizing power allocation algorithm，NLMPAA），并對仿真結果進行分析比較。

1　系統描述

1.1系統模型設計

系統框圖如圖1所示。無線協作網絡中包含源節點S、協作節點R以及目的節點D。R采用DF傳輸方式，所有節點均工作在時分半雙工模式下，每個節點安裝一副單發射、單接收天線。首先信息數據包到達S鏈路層緩存器，再根據R和D反饋的信道狀態信息（CSI）將數據包映射為物理層的數據幀，采用循環冗余校驗碼（CRC）來檢測信息數據包信息的正確性，并確定重傳的必要性。

圖1　系統與信道模型Fig 1　Model for system and channel

本文基于Nakagami-m信道模型研究系統性能，系統平均誤碼率［9］為

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

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

通過表1中的參數可以表示出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：不銹鋼。

表1　Ⅲ型HARQ PER曲線參數Tab 1　PER curve parameters of HARQ-Ⅲ

1.2建立HARQ協作系統狀態轉移

假定最大傳輸次數N=4，圖中Sx，y表示節點S傳輸x次，中繼節點R協作y次，目的端解碼成功的狀態；除初始狀態外，每個Sx，y都對應一個，表示錯誤譯碼［10］。

圖2　HARQ狀態轉移圖Fig 2　HARQ state transition diagram

以MISO協作為例，詳細狀態轉移過程如下：

以R和D在傳輸n1-2和n1-1次中斷為條件，轉移概率px，0為

根據式（2）、式（3）、式（4）、式（5）中的轉移概率可以直接推導出狀態概率：

當y=0（沒有節點R協作）時

當y≥1（有節點R協作）時

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

因此，協作HARQ與自適應調制跨層設計的平均總功耗為

式中第一項表示在達到最大重傳次數之前，目的節點D正確譯碼的功耗；第二項表示存在協作節點R時，達到最大重傳次數后，目的節點D正確譯碼和不正確譯碼的功耗；第三項表示無協作節點R時，達到最大重傳次數后，目的節點D的功耗，最后一次傳輸中協作節點不需要接收數據，所以減去Pr。

1.3協作傳輸圖3是一個4節點的協作轉發示意圖，實線表示節點到目的節點的傳輸鏈路，虛線表示協作傳輸的鏈路。本文將發送功率表示為一個N×N的矩陣P，其中元素為Pi，j。

圖3　4節點的協作轉發示意圖Fig 3　Cooperative transmission diagram of 4 nodes

狀態分配矩陣為

當有協作節點R，目的節點nj對節點i的信號接收的平均誤碼率為

此時誤碼率的一個上界為

因此，自適應調度與HARQ聯合設計的協作網絡的節點i的壽命為

2　NLM建模與優化算法

2.1問題建模

網絡壽命最大化的優化目標是在最大功率范圍內，符合誤碼率指標的同時，對功率分配矩陣進行優化，以此來最大化網絡中節點的最小壽命

式中ρei為誤碼率（BER）的上限，表示為 ρei=Pi為最小發送功率Pi，j為節點i協助轉發節點 j的信息到目的節點 nj的功率。

2.2NLMPAA

功率分配算法的基本思想是將整個網絡壽命最大化問題分解為每個節點最大功率約束范圍內網絡壽命最大化子問題。1）初始化過程中，首先將矩陣P對角化，對角線上的元素為，傳輸方式為直接傳輸，相應的節點j的壽命為，然后創建待協助節點列表Code=｛1，2，…，N｝。

5）返回步驟（2），直到Code為空，或者網絡壽命已經不能明顯優化，退出。

3　數值仿真

仿真中的參數和條件如下：誤碼率要求ε=10-3；路徑傳輸衰耗因子β=3；所有節點的初始能量為105J；信道帶寬的取值為1 MHz；目標信噪比取5；節點的處理功耗Pc為節點在不協作時所需發送功率的25%；中繼協作節點的處理功耗Pr為Pc的50%；節點在指定區域內均勻分布，目的節點位于區域（0，0）；每個節點向目標節點發送信息，路由方式采用Dijkstra算法確定。

圖4表示兩個節點同時向目的節點發送信息，在協作與非協作情況下網絡節點的壽命。從圖中可以看出：通過協作傳輸明顯地優化了兩個節點的最小壽命；NLMPAA的性能明顯優于傳統的次優算法；直接傳輸的性能比協作傳輸的性能稍差。隨著協作節點2到目的節點距離的增加，協作與非協作性能接近，由于距離變大，所需發送功率增加，因此，網絡節點壽命減小。

圖4　兩節點網絡節點壽命Fig 4　Node lifetime of two-node network

圖5表示最小節點壽命與節點分布密度關系的仿真結果。節點的分布區域為100 m×100 m的正方形區域，節點數從20個到50個。仿真中保持傳輸速度不變。對于非協作傳輸而言，節點分布密度增加，意味著其傳輸路徑上的節點間的距離縮短，所需要的發送功率下降，因此網絡壽命增加。

圖5　節點分布密度與最小節點壽命的關系Fig 5　Relationship between node distribution density and the minimum node lifetime

為了評估本文提出的NLMPAA的性能，在平面隨機防止4個傳感器節點如圖3所示。節點間的距離為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［11］中所提的TDMA算法進行比較。可以看出NLMPAA優于TDMA方案，如圖6。隨著傳輸速率的增加，所需節點發送功耗增加，網絡壽命降低速度都加快，兩種方案性能接近。

圖6　協作傳輸模式下的網絡壽命Fig 6　Network lifetime in cooperative transmission mode

圖7描述了最大傳輸次數N=4，信道參數m=1，2，3時，協作與非協作HARQ-Ⅲ跨層設計的平均總能耗與傳輸距離d之間的關系。從圖中可以看出：傳輸次數相同時，隨著m增加，網絡的平均總功耗減少，由式（11）可知網絡壽命延長；m取相同值時，傳輸距離越長，協作HARQ-Ⅲ相比較非協作就越有優勢。

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

4　結束語

本文研究無線協作通信網絡中系統物理層AMC與鏈路層HARQ跨層設計的最大化網絡壽命問題。通過研究得知，節點間協作通信，既可降低傳輸能耗，又能夠利用無線網絡中各終端的供電能力，來有效延長網絡壽命。NLMPAA仿真結果表明：通過合理設計功率分配矩陣，可以使整個網絡的壽命延長。

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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

國家自然科學基金資助項目（61300001，51104003，51274001）

宋得名（1991-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為物聯網應用技術。