基于跳數(shù)限制的WSNs自適應(yīng)協(xié)作FEC機(jī)制

靳 勇

（常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

0 引 言

4G通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)通信系統(tǒng)性能提出了更高的要求.而協(xié)作通信技術(shù)由于融合了多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)[1，2]，可以在使用較少帶寬的情況下提供較高的可靠性[3]，成為目前的研究熱點(diǎn)，并取得了一系列研究成果[4-8].

文獻(xiàn)[4]采用ACK-less基于協(xié)作策略的數(shù)據(jù)傳輸方法有效地使用網(wǎng)絡(luò)資源.文獻(xiàn)[5]在Nakagami_m信道上推導(dǎo)了適用于任意中繼數(shù)的協(xié)作自動(dòng)重傳請(qǐng)求（CARQ:Cooperative Automatic Repeat Request）誤幀率表達(dá)式，并證明了CARQ與傳統(tǒng)的自動(dòng)請(qǐng)求重傳（ARQ:Automatic Repeat Request）相比具有更好的性能.文獻(xiàn)[6]給出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作HARQ協(xié)議，文獻(xiàn)[7]提出了一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于切換與保持節(jié)點(diǎn)選擇的協(xié)同ARQ協(xié)議.然而，重傳數(shù)據(jù)會(huì)增加往返時(shí)延，特別是通過(guò)重傳數(shù)據(jù)包來(lái)糾正該數(shù)據(jù)包內(nèi)幾個(gè)字節(jié)甚至幾個(gè)比特的錯(cuò)誤導(dǎo)致通信效率降低，對(duì)于能量受限的傳感器節(jié)點(diǎn)而言，難以直接使用.因此，文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于2級(jí)比例-積分-微分（PID）控制的前向糾錯(cuò)（FEC:Forward Error Correction）碼率調(diào)整策略，有效改善了實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率.雖然FEC通過(guò)增加冗余數(shù)據(jù)提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但是傳輸冗余?shù)據(jù)占用了額外的帶寬，特別當(dāng)添加的冗余數(shù)據(jù)過(guò)多時(shí)，會(huì)浪費(fèi)有限的WSNs網(wǎng)絡(luò)資源.

本文在前期研究結(jié)果[9，10]的基礎(chǔ)上，針對(duì)何時(shí)協(xié)作和與誰(shuí)協(xié)作以及FEC在協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中難以提供有效的數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問(wèn)題，建立了多中繼數(shù)據(jù)協(xié)作FEC機(jī)制；在網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議并根據(jù)包頭中跳數(shù)限制值設(shè)定協(xié)作傳輸跳數(shù)，同時(shí)獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，自適應(yīng)地調(diào)整FEC參數(shù)N，對(duì)不同的數(shù)據(jù)幀添加較少冗余數(shù)據(jù)，在提高資源利用率的同時(shí)提高了可靠性.

1 多中繼數(shù)據(jù)協(xié)作FEC機(jī)制

1.1 FEC能效規(guī)律分析

由前期研究結(jié)果[10]可知，傳感器節(jié)點(diǎn)能耗包括：數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收能耗、傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)能耗和使用RS編碼算法對(duì)數(shù)據(jù)幀的解碼能耗.傳感器節(jié)點(diǎn)采用FEC機(jī)制時(shí)總能耗EFEC、能效η和誤幀率PFEC由公式（1）、（2）和（3）表示.

其中，Estart表示傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)能耗，Edec表示RS（n，v）編碼算法解碼能耗.

在不同的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)和通信距離情況下，對(duì)FEC的能效進(jìn)行分析和比較，結(jié)果如圖1所示.

從圖1中可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)為750字節(jié)和1500字節(jié)時(shí)，F(xiàn)EC能效隨著通信距離增大逐漸減小且數(shù)據(jù)幀越長(zhǎng)能效越高.當(dāng)端到端通信距離小于40米時(shí)能效變化很小，大于40米時(shí)能效急劇下降.表明遠(yuǎn)距離通信時(shí)繼續(xù)采用直接傳輸方式會(huì)浪費(fèi)過(guò)多的能量，嚴(yán)重影響傳感器節(jié)點(diǎn)使用壽命.

1.2 協(xié)作FEC能效分析

本節(jié)根據(jù)FEC能效規(guī)律，在WSNs中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)定通信距離門(mén)限值DT.當(dāng)端到端通信距離小于或等于DT時(shí)采用直接傳輸方式，大于DT時(shí)進(jìn)行中繼選擇采用協(xié)作傳輸方式.

假設(shè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)間端到端通信距離為Dsr，協(xié)作傳輸跳數(shù)記為Hop，中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為NC，則有公式（4）所示關(guān)系.

其中，mod表示取模運(yùn)算，[Dsr/DT]表示取整運(yùn)算.若已知Dsr可計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)間最佳中繼跳數(shù)和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù).根據(jù)公式（4）結(jié)合公式（1）和（2），可得出在數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)為750字節(jié)和1500字節(jié)時(shí)，采用協(xié)作FEC機(jī)制的能效如圖2所示.

對(duì)比圖1和2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通信距離大于40米時(shí)，協(xié)作通信方式中FEC能效在0.6381和0.7381上下浮動(dòng)，與傳統(tǒng)FEC相比有明顯的提高.

圖2 協(xié)作FEC能效分析

2 基于跳數(shù)限制的自適應(yīng)協(xié)作FEC

前期研究結(jié)果[9]表明，數(shù)據(jù)幀在傳輸過(guò)程中所經(jīng)歷的跳數(shù)越多，消耗的能量越多，則優(yōu)先級(jí)越高，要為其提供更高的可靠性.同時(shí)由第1節(jié)的分析，可以根據(jù)兩點(diǎn)間端到端通信距離計(jì)算出最佳協(xié)作傳輸跳數(shù).因此在網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議，其數(shù)據(jù)包頭格式如圖3所示.

IPv6數(shù)據(jù)包頭長(zhǎng)度固定為40字節(jié)，為IPv4包頭長(zhǎng)度的兩倍，提供的地址長(zhǎng)度為IPv4的四倍，并且IPv6數(shù)據(jù)包頭在中轉(zhuǎn)路由器中處理效率更高[11].其中，Hop Limit（跳數(shù)限制）占8位，IPv6數(shù)據(jù)包在路由器之間的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)限定包的生命期.數(shù)據(jù)包每經(jīng)過(guò)一次轉(zhuǎn)發(fā)，該字段減1，減到0時(shí)就丟棄該數(shù)據(jù)包.因此，數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)Hop_T可由公式（5）得到.

基于上述分析，本節(jié)提出一種基于跳數(shù)限制的適用于WSNs的自適應(yīng)協(xié)作FEC機(jī)制（CFEC），體系結(jié)構(gòu)如圖4所示.圖4給出了在WSNs中，采用CFEC機(jī)制進(jìn)行差錯(cuò)控制時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)和若干中繼節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu).算法描述如下：

步驟（1）：分析判斷得到發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)間端到端通信距離Dsr，根據(jù)公式（4）計(jì)算出協(xié)作傳輸所需跳數(shù)Hop和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)NC.如果Dsr小于DT，則直接傳輸；若Dsr大于DT則采用RSSI測(cè)距技術(shù)[9]，選擇通信距離小于DT的節(jié)點(diǎn)作為下一跳接收節(jié)點(diǎn).

步驟（2）：在發(fā)送節(jié)點(diǎn)，將IPv6數(shù)據(jù)包頭中的Hop Limit賦值為Hop，F(xiàn)EC參數(shù)N賦值為Hop+v；即協(xié)作傳輸跳數(shù)越多，添加的冗余代碼越多，提供的可靠性越高.

步驟（3）：在中繼節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)公式（5）得到數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)所經(jīng)歷的跳數(shù)Hop_T；如果下一跳節(jié)點(diǎn)的距離小于DT，采用直接傳輸，否則，采用RSSI測(cè)距技術(shù)，選擇通信距離小于DT的節(jié)點(diǎn)作為下一跳接收節(jié)點(diǎn)，同時(shí)FEC參數(shù)N賦值為Hop_T+v.

步驟（4）：NC個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)執(zhí)行步驟（3），直至數(shù)據(jù)發(fā)送至接收節(jié)點(diǎn).

圖3 IPv6數(shù)據(jù)包頭結(jié)構(gòu)

圖4 CFEC在WSNs中的體系結(jié)構(gòu)

3 性能分析和評(píng)價(jià)

本節(jié)采用數(shù)學(xué)分析的方法對(duì)上文提出的自適應(yīng)CFEC機(jī)制（CFEC）與傳統(tǒng)FEC在誤幀率和能效等方面進(jìn)行性能分析與評(píng)價(jià).仿真參數(shù)是基于Cross-bow公司的使用ATmega128L處理器[12]和CC1000射頻模塊的Mica2型節(jié)點(diǎn)的WSNs平臺(tái)[13]，如表1所示.

Mica2節(jié)點(diǎn)的誤碼率（BER:Bit Error Rate）Pb可由公式（6）計(jì)算得到.其中，γ是接收端的信噪比，BN是噪聲帶寬，Rradio是CC1000的數(shù)據(jù)發(fā)射速率.

為便于分析，采用線(xiàn)性WSNs拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示.其中，6個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中有4個(gè)為中繼候選節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)S與接收節(jié)點(diǎn)R之間通信距離為200米，S向R直線(xiàn)勻速移動(dòng).

根據(jù)第3節(jié)中所提出的自適應(yīng)CFEC機(jī)制以及公式（1）至（6），可得如圖6所示的自適應(yīng)CFEC與傳統(tǒng)FEC在誤幀率和能效等方面的性能對(duì)比結(jié)果.從圖6（a）中可以看出，自適應(yīng)CFEC誤幀率明顯小于FEC，可以提供更高的可靠性.而且，隨著發(fā)送節(jié)點(diǎn)S與接收節(jié)點(diǎn)R端到端通信距離的縮小，誤幀率也越來(lái)越小.從圖6（b）中發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)CFEC能效在0.7380上下浮動(dòng)且均大于0.7379，而FEC的能效在7秒之前始終為零，即接收節(jié)點(diǎn)R無(wú)法正確接收數(shù)據(jù)，通信性能很差.綜上，本文所提出的自適應(yīng)CFEC機(jī)制采用協(xié)作通信方式可以為遠(yuǎn)距離傳感器節(jié)點(diǎn)通信提供高可靠性.

圖5 線(xiàn)性WSNs網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)FEC機(jī)制在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中難以為端到端數(shù)據(jù)傳輸提供有效可靠性的問(wèn)題，首先分析了FEC能效規(guī)律，然后建立一種多中繼協(xié)作FEC機(jī)制，根據(jù)通信距離為每一個(gè)數(shù)據(jù)幀選擇最佳協(xié)作跳數(shù)，最后根據(jù)IPv6數(shù)據(jù)包頭中的跳數(shù)限制（HopLimit）值得到當(dāng)前數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，自適應(yīng)調(diào)整FEC參數(shù)N，在保持高可靠性的同時(shí)添加較少的冗余代碼保證高能效.數(shù)學(xué)分析表明，自適應(yīng)CFEC機(jī)制在誤幀率和能效等方面與傳統(tǒng)FEC相比均具有更好的性能，該機(jī)制非常適合于WSNs中遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)通信.

圖6 FEC與自適應(yīng)CFEC性能對(duì)比

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