多跳無線網絡跨層自適應協同TDMA協議

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)

多跳無線網絡跨層自適應協同TDMA協議

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)

針對多跳無線網絡中信道衰落和業務突發性導致的信道浪費與超負載問題,提出了多跳無線網絡跨層自適應協同時分多址接入協議.該協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,在不增加額外協商開銷和保證信息傳輸效率的前提下自適應判斷是否作為協同中繼,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協同時分多址接入協議的馬爾科夫鏈數學分析模型,從理論上分析了協議在吞吐量、丟包率和延時方面的性能.理論和仿真結果顯示,與傳統時分多址接入協議相比,提升了網絡性能,吞吐量最大增加了36%,延時降低了40%.

信道浪費;無線網絡;跨層;自適應;協同;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],但由于業務傳輸的突發性,總會出現空閑時隙或某個中繼超負載[2-3].若按傳統方式傳輸,就容易造成信道浪費或增加延時,而協同MAC協議的設計是一個保證網絡節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的多天線系統的中心基站多用戶協同通信.在此基礎上,文獻[5]提出了一種在無線網絡下動態協同MAC協議(Dynamic Coordination TDMA,DC-TDMA),主要通過增加小時隙協商策略來動態選擇空閑時隙,但是它們都是基于中心基站的TDMA協議,并不適用于多跳的分布式網絡[9].文獻[10]主要通過額外增加反饋機制來比較中繼節點的空閑發送隊列情況以選擇協同中繼進行協同傳輸,但是這與文獻[11]一樣增加了相互比較協商的開銷,在網絡負載較大時每次傳輸前的協商過程帶來的額外開銷和信息碰撞將會導致整個網絡性能降低.

針對路由層選路由時沒有考慮信道衰落和業務突發性導致的信道浪費與超負載問題,結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絡的跨層自適應協同TDMA協議.主要思想就是充分利用表驅動路由協議特點(如OLSR路由協議[12]),節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商開銷的前提下自行判斷是否作為協同中繼,從而減少原路徑中繼的負載,使數據能以最快的速度傳送到目的節點,提高整個網絡的吞吐量.

1　系統模型與協同策略

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據傳輸速率大于特定業務要求下的傳輸速率,否則鏈路會發生中斷[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.所有中繼都使用譯碼轉發方式.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為收發節點間距離,α為路徑損耗指數.滿足特定傳輸速率的鏈路傳輸成功概率Ps=1-Pout.

圖1　協同模型和CAC-TDMA幀結構示意圖

1.2協同模式

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

跨層自適應協同過程:以兩跳協同為例,如圖1(a),首先原節點S在其規定的時隙內發送數據包給原中繼節點R1(路由協議選定的路徑).若R1成功接收該數據包,并在此時隙末端回復ACK,則這時源目節點共同覆蓋域內的所有節點都將收到該數據包和ACK.若該數據包和ACK能被成功譯碼接收,則該節點將根據以下條件進行自行判斷是否參與協同:①通過表驅動路由的鄰居列表判斷是否在源目節點的共同一跳覆蓋范圍內;②通過表驅動路由周期性交互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.

滿足條件的高效協同中繼選出后,由于采用TDMA的輪詢機制,且每幀每節點只占用一個時隙,則會出現兩種情況:①當R1在其時隙中能先于協作中繼節點時隙將其對應的數據包傳送出去時,即按照路由協議原定的路徑傳輸(S-R1-R2),下一跳節點收到該數據包后立即回復ACK,這時一跳范圍內隊列中緩存有該數據包的節點都將該數據包從隊列中刪除,此過程與傳統TDMA相似.②在中繼節點特定時隙內無法先于協作中繼節點傳輸到指定的下一跳目的節點時,多個協作中繼節點中首先獲得時隙傳輸該數據包的節點將會被選為第一個協作中繼節點(如圖A節點),數據成功傳輸到下一跳目的節點后,目的節點回復ACK,同理其一跳范圍內的所有節點都會將其隊列中對應的數據包刪除,此時的傳輸路徑更改為(S-A-R2);若該協同中繼傳輸失敗,則會由下一個協同中繼傳輸,進而提高數據報的成功概率,減少等待延時,減少原定中繼的負載.

2　性能分析

建立馬爾可夫鏈數學分析模型,以此來描述協同中繼進行數據包產生、到達和傳輸的過程,并以此分析協同中繼的吞吐量,丟包率,延時等性能.如圖2所示,總共有L+1個狀態(L為節點緩存隊列長度),Si表示每個節點緩存隊列中數據包的個數.

假設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:當每個節點的發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).若存在協同中繼節點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　節點緩存隊列馬爾可夫鏈狀態轉移示意圖

其中,dSA,dAD,dSR,dRD分別為協同中繼A和原中繼R到源節點S和目的節點D的距離.

因此,滿足式(3)的節點都會滿足中斷概率小于原路徑的中斷概率,其節點性能與其所處的位置相對應.在此令衰減因子α=2,若原中繼選定,則其到源目節點的距離也就固定,滿足,與原中繼傳輸性能相同的節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)的協同中繼節點分布在如圖3的區域ST中.節點均勻地分布在共同覆蓋區域內.滿足式(3)的區域與整個共同覆蓋域的面積比值就是滿足傳輸條件的節點概率,Pt=ρST(ρSall)=STSall,ρ為節點密度[14].

若每個時幀數據包的產生和到達數都服從二項分布[5],則一個時幀內到達或產生k個數據包的概率P(k)為

其中,σ為每個時隙產生一個數據包的概率.

假設共同覆蓋域內有N個鄰居節點,其中有i個成功接收中繼包的概率為

其中,Pe=1-Ps,為節點接收錯誤的概率.

因此,在i個成功接收的節點中,k個節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,其中繼的一步轉移矩陣BC表示為

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

首先,計算CAC-TDMA的吞吐量.網絡中任何一個節點在其時隙除了發送隊列為空的情況(即一個時幀內都沒有數據包到達或產生)外,都會傳輸數據包,因此協同中繼吞吐量為

其次,節點的丟包率即丟失數據包數與產生的數據包的比值,則中繼丟包率為

最后,計算網絡的延時.由前面假設知道,在一幀中每個節點都只有一個時隙且發送一個數據包,即單位時隙發送速率和單位時幀發送速率一樣,則中繼的傳輸延時為

3　理論與仿真結果分析

網絡設置中每個數據包的長度為1 024 bit,隊列緩存大小為20個數據包(L=20),每個時幀包含20個時隙(M=20).假設在源目節點的共同一跳覆蓋范圍內的節點數N為5個或10個,并隨機的均勻分布在該范圍內,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絡負載σ、共同鄰居節點數N的關系.可以發現,吞吐量隨著網絡負載σ的增加而增加,最終達到穩定值.因為當系統負載比較大時,TDMA時幀中的空閑時隙變少,協議的性能受到很大的影響.隨著N增大,協作TDMA的吞吐量明顯增加,主要是滿足條件的協同節點也增加了,即使在負載較重時也能減輕中繼的傳輸壓力.總體上,協作TDMA相比與傳統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絡負載的關系.從圖5可以發現,當網絡負載較低時,網絡由于傳輸或等待丟失的數據包很少;當網絡負載增加時,數據包傳輸等待的延時相應增加,丟包率也同時增加;當存在協同中繼時,隨著可用高效中繼的增多,丟包率會相應地降低.

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,其數據等待發送延時增加,傳輸成功概率降低.當存在多個高效協同中繼時,中繼數據能通過更快的中繼可用時隙轉發出去,因此網絡延時降低.

4　結束語

由于路由層選路由時沒有考慮MAC層的發送先后次序和可用時隙,因此筆者提出適合多跳網絡的跨層自適應協同TDMA協議(CAC-TDMA).該協議適合多跳網絡且結合路由層的特點和TDMA的輪詢特點,能在不增加額外協商開銷和保證信息傳輸效率的前提下進行協同通信.理論分析與仿真表明,該協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據包長度對數據傳輸速率要求不一樣,從而造成的中斷概率不一樣,導致算法的不準確性.

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(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);綜合業務網理論及關鍵技術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