面向移動(dòng)匯點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)協(xié)同判斷策略

中國移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司鎮(zhèn)江分公司

宋嘯天 秦尓楠 劉 欣 戴 健 曹慶皇 劉志堅(jiān) 石春磊 王 坤 狄 源

0 引言

目前，已有的針對節(jié)點(diǎn)固定場景[1]下的判斷條件在移動(dòng)場景下未必能很好適用，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)為可移動(dòng)的Sink（匯點(diǎn)）時(shí)，它與源節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)間有限，若由于信道不佳的原因形成源節(jié)點(diǎn)在有限時(shí)間內(nèi)無法完成數(shù)據(jù)的傳輸工作。本文綜合考慮移動(dòng)Sink的停留時(shí)間和源節(jié)點(diǎn)與Sink進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏敽臅r(shí)[2-4]，針對Sink的移動(dòng)性及因信道質(zhì)量[5]不良導(dǎo)致傳輸性能不佳的問題，根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的自身情況，合理選擇單個(gè)協(xié)同伙伴進(jìn)行協(xié)同傳輸，實(shí)現(xiàn)理想的通信性能。本文提出一種面向移動(dòng)Sink場景下的協(xié)同判斷策略（collaborative strategy based on the residence time，CSBR）：若源節(jié)點(diǎn)在Sink停留時(shí)間內(nèi)可以獨(dú)自完成數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)源節(jié)點(diǎn)無需進(jìn)行協(xié)同；否則源節(jié)點(diǎn)需要尋求協(xié)同伙伴，協(xié)同完成傳輸過程。

1 分析場景的建立

設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)場景為矩形區(qū)域，區(qū)域內(nèi)包含一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S、n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Ri，以及一個(gè)作為目的節(jié)點(diǎn)D的移動(dòng)Sink。源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)是處理能力較強(qiáng)、能量有限的通信節(jié)點(diǎn)，Sink是處理能力很強(qiáng)、能量無限的通信節(jié)點(diǎn)。

為了有效地對場景模型進(jìn)行分析，場景中涉及的參量主要是物理層參量和MAC（媒體接入控制）[6]層參量。

在本文中，假設(shè)采用的調(diào)制方式均為MQAM（多進(jìn)制正交幅度調(diào)制），且每個(gè)階段的調(diào)制階數(shù)均相同。在AWGN（加性高斯白噪聲）信道里，設(shè)最高瞬間誤碼率為Pe,max，Pe,max的表達(dá)式見式（1）。

其中，b是MQAM的調(diào)制階數(shù)，滿足M＝2b，酌為接收端的信噪比，Q表示反函數(shù)。

設(shè)本場景中的無線傳感器與Sink之間的數(shù)據(jù)通信MAC層采用的是 S鄄MAC（sensor MAC）協(xié)議，S鄄MAC 協(xié)議是一種采用競爭的分布式MAC層協(xié)議，它可以在主節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行任何調(diào)度的條件下完成傳感器節(jié)點(diǎn)搜索相鄰節(jié)點(diǎn)的工作，并能夠安排合理的信道占用時(shí)間。

在分布式協(xié)調(diào)（DCF）工作方式下，若節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到無線信道正處于繁忙狀態(tài)下后，通過采用隨機(jī)退避時(shí)間和CSMA/CA（載波檢測多址/沖突避免）機(jī)制來實(shí)現(xiàn)無線信道的共享，以盡可能地降低無線信道中信號(hào)的沖突。此外，所有的定向通信都通過ACK（確認(rèn)）幀采用主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制；如果沒有收到ACK幀，發(fā)送方將進(jìn)行數(shù)據(jù)的重新傳輸。

下面給出了S鄄MAC協(xié)議中的參量描述。

IFS是IEEE802.11規(guī)定的幀間隙，SIFS是最短幀間隔，DIFS是長幀間隙，RTS是請求發(fā)送幀，CTS是允許發(fā)送幀，ACK是確認(rèn)信息幀。

在后續(xù)的分析中所涉及的物理層參數(shù)設(shè)置和MAC層參數(shù)設(shè)置如表1所示。

?

2 基于停留時(shí)間的協(xié)同判斷策略

為了解決移動(dòng)場景中判斷是否需要協(xié)同的問題，本文提出了一種基于停留時(shí)間的協(xié)同判斷策略，通過對停留時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸耗時(shí)的分析，可以判斷出源節(jié)點(diǎn)是否需要協(xié)同。

2.1 移動(dòng)Sink的停留時(shí)間計(jì)算

針對Sink節(jié)點(diǎn)處于移動(dòng)狀態(tài)下的情況，源節(jié)點(diǎn)與Sink進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)應(yīng)該考慮它們之間的有效通信時(shí)間，即Sink的停留時(shí)間。只有當(dāng)停留時(shí)間足夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，源節(jié)點(diǎn)才能開始進(jìn)行通信傳輸，否則可以考慮尋找協(xié)同伙伴進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸工作。

Sink在場景內(nèi)以速率vd做勻速運(yùn)動(dòng)，停留時(shí)間tstay可以采用勻速直線運(yùn)動(dòng)的一般方程式計(jì)算得出，如式（2）所示。

其中，dstay是Sink在源節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離。

2.2 移動(dòng)Sink的傳輸耗時(shí)計(jì)算

根據(jù)CSBR策略，移動(dòng)場景中，源節(jié)點(diǎn)S進(jìn)行協(xié)同的判斷不僅需要計(jì)算Sink的停留時(shí)間，也要計(jì)算自身發(fā)送數(shù)據(jù)所要消耗的時(shí)間，即傳輸耗時(shí)ttr,sd。

在RTS/CTS接入方式下，傳輸過程可表示為RTS→CTS→data→ACK。在本章假設(shè)的場景中，考慮多用戶接入信道引起的沖突以及源節(jié)點(diǎn)因信道質(zhì)量不良導(dǎo)致的數(shù)據(jù)重新傳輸，傳輸耗時(shí)ttr,sd可分為3部分：成功發(fā)送期耗時(shí)tsuccess、沖突期耗時(shí)tcollide和重傳數(shù)據(jù)耗時(shí)tmnor。

2.2.1 成功發(fā)送期耗時(shí)計(jì)算

成功發(fā)送期耗時(shí)tsuccess的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中，ttr,data為在傳輸速率為Rb的條件下，傳輸長度為Ldata的數(shù)據(jù)包所需要的時(shí)間；tSIFS、tRTS、tCTS、tACK分別為在傳輸速率為 Rb的條件下，傳輸SIFS幀、RTS幀、CTS幀及ACK幀的耗時(shí)。

2.2.2 沖突期耗時(shí)計(jì)算

沖突期耗時(shí)tcollide的計(jì)算比較復(fù)雜，假設(shè)在沖突期內(nèi)，一共經(jīng)歷了nc次沖突，在第i次沖突發(fā)生時(shí)，第i次沖突的數(shù)據(jù)幀長度和退避時(shí)間長度分別記作Lcol,i和Lidle,i，Lcol,i和Lidle,i均是獨(dú)立同分布的。沖突期耗時(shí)tcollide的表達(dá)式為

其中，E[nc]是平均沖突次數(shù)，E[tcol]是平均傳輸沖突數(shù)據(jù)幀所耗時(shí)間，E[tidle]是平均退避時(shí)間。

2.2.3 重傳數(shù)據(jù)耗時(shí)計(jì)算

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)因信道質(zhì)量不良導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳時(shí)，僅需要與Sink進(jìn)行數(shù)據(jù)包和ACK幀通信，并不需要重新經(jīng)歷RTS/CTS過程。

其中tsd,mnor為源節(jié)點(diǎn)向Sink發(fā)送數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)。根據(jù)上述分析，傳輸耗時(shí)tr,sd可改寫為

從（3）式可以看出，傳輸耗時(shí)與數(shù)據(jù)的重傳次數(shù)呈正比例關(guān)系，數(shù)據(jù)的重傳次數(shù)越多，節(jié)點(diǎn)的傳輸耗時(shí)越大。

通過誤包率的分析，下面給出重傳次數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

源節(jié)點(diǎn)向Sink發(fā)送數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)的表達(dá)式為

其中，Pe,sd為源節(jié)點(diǎn)向Sink發(fā)送數(shù)據(jù)包的誤包率。根據(jù)信道狀況不同，不同數(shù)據(jù)包所需的重傳次數(shù)也不同，但是不能反復(fù)進(jìn)行同一數(shù)據(jù)的傳輸。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，需要設(shè)置節(jié)點(diǎn)的最大重傳次數(shù)nmnor,max，當(dāng)數(shù)據(jù)包都被接收端正確接收或者數(shù)據(jù)包經(jīng)過nmnor,max次重傳后仍沒有成功正確接收時(shí)，節(jié)點(diǎn)不再進(jìn)行該數(shù)據(jù)包的發(fā)送并將其從鏈路層的緩存器中移走。nmnor,max的選取主要的考慮因素是信道狀況，要能滿足大部分的數(shù)據(jù)包在重傳nmnor,max次后都能被正確接收。仿真中假設(shè)最大重傳次數(shù)nmnor,max＝3。

3 協(xié)同判斷策略

基于傳輸耗時(shí)和停留時(shí)間的協(xié)同判斷策略，本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景，綜合考慮移動(dòng)Sink的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速率等信息，提出了CSBR算法，對Sink的停留時(shí)間tstay以及源節(jié)點(diǎn)的傳輸耗時(shí)ttr,sd進(jìn)行比較。當(dāng)tstay≥ttr,sd時(shí)，源節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的傳輸；當(dāng)tstay＜ttr,sd時(shí)，源節(jié)點(diǎn)無法在有限的通信時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的傳輸，此時(shí)它需要尋找協(xié)同伙伴進(jìn)行協(xié)同傳輸。

當(dāng)tstay＜ttr,sd時(shí)源節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行協(xié)同的概率Pneed可表為

4 協(xié)同判斷策略分析

在表1的參量設(shè)置基礎(chǔ)上，分別給出了信噪比、源節(jié)點(diǎn)的通信范圍、數(shù)據(jù)包大小Lc,data以及Sink的運(yùn)動(dòng)速率vd對協(xié)同概率Pneed的影響曲線仿真圖。

如圖1所示，在數(shù)據(jù)大小Lc,data＝5 Mb、通信范圍為50 m，以及Sink的運(yùn)動(dòng)速率vd＝1 m/s的條件下進(jìn)行10 000次樣本分析，隨著信噪比的上升，協(xié)同概率Pneed逐漸下降；在信噪比酌＜7 dB時(shí)，16QAM調(diào)制方式下的協(xié)同概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于8QAM以及4QAM調(diào)制方式。

如圖2所示，當(dāng)信噪比酌＝5 dB、運(yùn)動(dòng)速率vd＝1 m/s以及數(shù)據(jù)大小Lc,data＝5 Mb時(shí)，若節(jié)點(diǎn)的通信范圍逐漸增大，Sink在源節(jié)點(diǎn)可通信范圍內(nèi)的停留時(shí)間也不斷增長，使源節(jié)點(diǎn)有較多的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致源節(jié)點(diǎn)需要中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同的概率不斷下降。

在信噪比酌＝5 dB、通信范圍為50 m以及運(yùn)動(dòng)速率vd＝1 m/s的條件下，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包越大，需要協(xié)同的概率越大。這是因?yàn)殡S著數(shù)據(jù)包大小的增加，在傳輸中發(fā)生錯(cuò)誤的概率越大，很可能在停留時(shí)間內(nèi)無法完成數(shù)據(jù)包的正確傳輸，這時(shí)需要尋找中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)同傳輸，如圖3所示。

在圖4中，在相同信噪比酌＝5 dB、通信范圍為50 m以及以及數(shù)據(jù)包大小Lc,data，隨著Sink的運(yùn)動(dòng)速率vd提高，停留時(shí)間tstay變短，使得源節(jié)點(diǎn)的可通信時(shí)間變短，這也是導(dǎo)致協(xié)同概率提高的因素之一。

通過各圖可以看出，隨著調(diào)制階數(shù)的增加，協(xié)同概率始終呈上升趨勢。仿真結(jié)果表明：在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的場景下，協(xié)同判斷策略與信噪比、源節(jié)點(diǎn)的通信范圍、傳輸數(shù)據(jù)的大小及Sink的運(yùn)動(dòng)速率密切相關(guān)。

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