協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中基于DTR協(xié)議的改進算法*

余永聰 馮穗力

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640)

中繼協(xié)作通信是一種能開發(fā)空間分集增益而不需要在節(jié)點上設(shè)置多根天線的技術(shù)，通過多個單天線終端節(jié)點協(xié)作形成虛擬多天線陣列來提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、容量、傳輸效率等［1-2］.現(xiàn)有文獻對協(xié)作技術(shù)的研究主要分布在各類傳輸模式以及其性能分析上［3-4］，尤其是在選擇中繼節(jié)點時，大部分文獻都是采用基站或者是接入節(jié)點(AP)節(jié)點來統(tǒng)計計算，最后通過各類優(yōu)化方式來決定實施協(xié)作的中繼節(jié)點，這類成果有效地解決了集中式網(wǎng)絡(luò)中中繼節(jié)點接入信道的時機問題，從而提高了稀缺頻譜資源利用率，有很高的學(xué)術(shù)價值.

但是，在分布式無線網(wǎng)路中，比如無線Ad hoc或者無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點之間的地位是均等的，而且其計算能力及感知其他節(jié)點的能力也有限，依靠這些隨機分布的終端節(jié)點來控制中繼接入信道的問題是不太現(xiàn)實的，近年來，很多學(xué)者都關(guān)注到了這個問題，由此，相應(yīng)的研究成果也陸續(xù)發(fā)表［5-8］.

文獻［6］提出了一種基于優(yōu)先級競爭的協(xié)作媒介接入控制協(xié)議PBC-CMAC，協(xié)議規(guī)定源節(jié)點根據(jù)本地信息表選擇兩個最佳的候選中繼，這種中繼的選擇是由源節(jié)點獨立來完成的，因此也僅僅是參照了源節(jié)點與中繼節(jié)點之間的局部信道信息;Cui等［3］認為，依靠這些部分信道信息選擇的中繼節(jié)點，其協(xié)作性能與那些根據(jù)全部信道信息選擇的中繼節(jié)點相比相差很大，如果失去了傳輸效率，那么這種協(xié)作的意義也變得不再明顯;文獻［7］則在鏈路效用方面做了改進，提出了一種鏈路效用最優(yōu)的協(xié)作媒介接入?yún)f(xié)議，此協(xié)議無論在能量消耗還是在吞吐量方面，都比文獻［6］改善了很多.Zhou 等［7］利用功率及速率控制，自適應(yīng)地調(diào)整各個節(jié)點的發(fā)送狀態(tài)，并且把所有鏈路的效用之和作為目標(biāo)函數(shù)進行計算，得到最優(yōu)的控制參數(shù)值;此方法大大提高了傳輸性能，但其忽略了一點，中繼節(jié)點接入時未考慮到中繼與目的節(jié)點的信道條件，也就是說，中繼的大量接入有可能引起很大的碰撞概率，再者，全局最優(yōu)計算僅僅依靠局部的信息是很難精確完成的，一旦單個節(jié)點沒有按照精確計算值進行傳輸，那么將會導(dǎo)致其余節(jié)點的大量碰撞，以至于系統(tǒng)的崩潰.文獻［8］提出的接入?yún)f(xié)議有點類似于文獻［7］，不同的是，Hua 等［8］采用了AP 作為控制節(jié)點，避免了Zhou 等［7］提出算法崩潰的可能性.

文中提出了根據(jù)局部信息博弈及門限策略靈活控制中繼接入信道機會的DTR［9］改進算法DTR PLUS(Distributed Threshold Relaying Plus)，新算法很好地解決了上述存在的問題，它將通信過程分為兩個階段，根據(jù)具體信道條件協(xié)調(diào)中繼的接入時機，避免了大量的沖突碰撞問題，也節(jié)約了多中繼退避造成的時延消耗.

1 DTR 協(xié)議

Liu 等［9］針對協(xié)作節(jié)點之間會發(fā)生相互干擾和多協(xié)作節(jié)點在目的終端節(jié)點處會發(fā)生碰撞的問題，提出了DTR 協(xié)議，它是一種分布式協(xié)作中繼隨機接入信道的控制算法［10］.其原理是協(xié)作節(jié)點在提供服務(wù)之前，需要先偵聽信道一段時間，確定信道空閑時再執(zhí)行退避協(xié)議，然后提供協(xié)作服務(wù);目的節(jié)點直到正確收到源節(jié)點的數(shù)據(jù)信息后才釋放確認信號(ACK)，否則中繼節(jié)點繼續(xù)提供相應(yīng)協(xié)作，直到最大傳輸次數(shù)完成;目的節(jié)點在偵聽到一段空閑時隙(提前設(shè)置的時延門限)后，才能確定信息發(fā)送失敗.圖1 示出了DTR 協(xié)議的一個傳輸循環(huán)，其中SIFS、DIFS、EIFS、RTS、CTS、Error、ACK 和Packet 分別為最短幀間隔、分散協(xié)調(diào)幀間隔、延長幀間隔、請求幀、清除發(fā)送幀、錯誤、確認幀和包長;MAC 頭和PHY 頭分別為信道接入層和物理層添加的包頭［10］.一次成功的收發(fā)過程包括中繼發(fā)生碰撞的情況及中繼協(xié)作傳輸?shù)康墓?jié)點接收失敗的情況、還有中繼成功傳輸并且目的節(jié)點對接收到的信息最大比合并(MRC)后成功解碼的情況.注意這里協(xié)作節(jié)點接入信道時雖然采用的是隨機接入的方式，但由于其目的是協(xié)助源節(jié)點與目的節(jié)點之間的通信，并且這些協(xié)作節(jié)點的目標(biāo)均是相同的終端節(jié)點，因此有別于IEEE802.11 協(xié)議中的CSMA/CA 機制.

圖1 DTR 的傳輸循環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.1 Transmission cycle illustration of DTR

從上述工作原理可看出，相比之前的協(xié)作MAC協(xié)議，DTR 通過以下幾種措施改進了現(xiàn)存問題:①多中繼單次單個允許接入信道減少了其在目的節(jié)點碰撞沖突的可性能;②中繼節(jié)點是協(xié)作與否的決策者，協(xié)議可分布式執(zhí)行;③節(jié)點隨機接入簡單易行開銷低.

DTR 協(xié)議中每一次中繼節(jié)點決定接入信道提供協(xié)作服務(wù)時，都要實施退避算法，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延是1 個時隙，而每次退避的等待時延最大為W個時隙(其中W 是最大退避窗口數(shù))，并且多中繼隨機接入信道也會導(dǎo)致大量的沖突碰撞，因此協(xié)作過程中引入的時延遠遠大于實際上數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延長度;此外，在實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)包的長度和類型也不一定相同，每個數(shù)據(jù)包的傳輸時延均為1 個時隙的假設(shè)與實際不太相符.為避免DTR 協(xié)議的上述問題，需要采取新的傳輸接入算法，使得源節(jié)點和中繼節(jié)點按照實際信道條件和傳輸情況來協(xié)調(diào)中繼的接入時機.

2 基于DTR 協(xié)議的門限中繼改進算法

文中考慮一種中繼選擇動態(tài)門限策略，基于DTR 協(xié)議提出一種新算法DTR PLUS.新算法主要由源節(jié)點中繼局部博弈階段和中繼接入信道階段組成，其執(zhí)行傳輸循環(huán)如圖2 所示.與圖1 所示的DTR相比，DTR PLUS 算法一次成功收發(fā)過程中中繼發(fā)生碰撞的可能性減少了，這主要歸功于源節(jié)點與中繼的局部博弈.DTR PLUS 算法的原理是通過博弈選出最合適的中繼節(jié)點接入信道，來提供第二階段的協(xié)作傳輸，避免了DTR 中多候選中繼隨機接入帶來的碰撞沖突和大量退避時延問題，也有效解決了DTR 中數(shù)據(jù)包傳輸時間均為1 個時隙的問題.

圖2 DTR PLUS 的傳輸循環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.2 Transmission cycle illustration of DTR PLUS

2.1 源節(jié)點中繼局部博弈階段

與DTR 協(xié)議一樣，文中只考慮單個數(shù)據(jù)包的傳送過程，不過，這里的數(shù)據(jù)包大小在一定傳輸速率條件下是靈活可變的，相對DTR 協(xié)議來說更加符合實際應(yīng)用.研究中繼節(jié)點接入信道的問題，需要首先找到合適的中繼候選節(jié)點.為避免多個候選中繼隨機接入信道時可能發(fā)生的碰撞問題，文中通過Stackelberg 博弈［1］每次只選擇一個節(jié)點r*作為協(xié)作中繼接入信道.r*的選擇方法是:

此外，Stackelberg 博弈是源節(jié)點與中繼之間局部發(fā)生的，具體過程是: 中的中繼(博弈跟隨者)將信道信息反饋給源節(jié)點(博弈領(lǐng)導(dǎo)者)，源節(jié)點根據(jù)式(1)做出選擇，也就是說，源節(jié)點是協(xié)作中繼的決策者，不需要中心控制節(jié)點的任何支配;門限γ1的存在使得此階段的網(wǎng)絡(luò)開銷遠遠小于DTR 協(xié)議中大量碰撞產(chǎn)生的代價.如果在此階段源節(jié)點直傳成功，那么傳輸循環(huán)完成;如果找不到合適的中繼節(jié)點，源節(jié)點需要重傳，直到最大重傳次數(shù);否則，進入下一階段.

部分航運船公司存在重生產(chǎn)、輕安全的思想，公司安全管理不到位，對船舶防臺投入不夠；船員安全意識淡薄，設(shè)備維護、管理跟不上，防臺值班紀(jì)律松懈。

2.2 中繼接入信道階段

協(xié)作中繼接入信道之前，首先偵聽信道，偵聽到空閑時再執(zhí)行退避等待算法，目的是防止信道被別的用戶占用.如圖2 所示.當(dāng)此次協(xié)作傳輸結(jié)束后，目的節(jié)點將接收到的源節(jié)點信息和中繼節(jié)點信息進行最大比合并［3］:

式中，L 是失敗重傳次數(shù)上限，m 是實際重傳次數(shù)，γs，d是s 到d 的直傳接收信噪比，是r*到d 的第l 次傳輸接收信噪比，γmd 是中繼協(xié)作后s 到d 的接收信噪比.當(dāng)沒有合適中繼節(jié)點時，第2 階段的重傳過程由源節(jié)點來完成.目的節(jié)點如果正確解碼了源節(jié)點的信息，那么釋放ACK 確認信號，否則，中繼繼續(xù)重傳，直到m 達到最大值L;如果此時還沒有正確接收，偵聽時間超過提前設(shè)置的時延門限后，確認信息發(fā)送失敗，傳輸結(jié)束.DTR PLUS 算法在此階段的傳輸區(qū)別于DTR 協(xié)議的地方是數(shù)據(jù)包按照自己的傳輸速率傳輸，不受時隙的限制，不像DTR 中數(shù)據(jù)包的傳輸要限制在1 個時隙內(nèi)完成，這使得新算法更加靈活，符合實際應(yīng)用.

3 理論計算

假定選用的信道為瑞利模型，信道性能參數(shù)用Ωi，j，i，j∈{s∪d∪{1，2，…，K}}來表示;端到端的頻譜效率為E0，則由log2(1 +γs，r)/2≥E0，r∈{1，2，…，K}，得γ0=22R0-1.源節(jié)點s 與中繼節(jié)點r 的中斷概率可以表示為

其中Pr{}表示發(fā)生概率.

3.1 源節(jié)點直傳單個數(shù)據(jù)包的時延

如圖2 中最后一部分傳輸段，源節(jié)點首次傳輸目的節(jié)點就準(zhǔn)確接收時需要的時延為

式中，Tb、PHY、MAC 分別為平均退避時延、PHY 包頭比特數(shù)、MAC 包頭比特數(shù)，σ 為單個時隙，R 為傳輸速率.幀間隔的數(shù)值關(guān)系可參見文獻［10］.源節(jié)點直傳數(shù)據(jù)包成功的概率可以表示為

3.2 中繼節(jié)點的平均傳輸時延

中繼節(jié)點接入信道階段，存在如下兩種情況:

(1)無滿足公式(1)條件的候選中繼，此時還是由源節(jié)點進行重傳，其重傳時延為

式中:M0是一個參變量，表示源節(jié)點的平均重傳次數(shù);Prm(Error)是源節(jié)點第m 次重傳的接收誤碼率，為簡化分析，考慮信道為塊衰落信道［11］，那么誤碼率也近似等于包傳輸差錯概率;α 和β 表示星座調(diào)制參數(shù)［3，12-13］.候選中繼為空集的概率為

(2) 不為空集時，根據(jù)式(1)選擇中繼提供協(xié)作接入，需要注意的是，如果信道條件復(fù)雜多變［14-15］，每次重傳時r*不一定相同.此時，傳輸差錯概率仍可用式(9)，只是參數(shù)值與其不同.定義一參變量M1，表示r*不同取值時的平均重傳次數(shù)，T1表示其平均傳輸時延，則

M0和M1表達式雖然相同，但其參數(shù)值不同，分別對應(yīng)著源節(jié)點和r*的信道特性.

3.3 網(wǎng)絡(luò)性能

綜合以上分析，根據(jù)全概率理論，系統(tǒng)一次傳輸循環(huán)的平均時延為

由上，可推導(dǎo)出系統(tǒng)平均吞吐量為

4 仿真與結(jié)果分析

為評估DTR PLUS 算法，文中采用Matlab 軟件對系統(tǒng)性能進行了仿真計算.部分參數(shù)設(shè)置如下:PHY、MAC、ACK、RTS、CTS 分別為192、224、112、160、112 b，傳輸速率為2 Mb/s，σ、DIFS、SIFS、EIFS分別為20、50、10、30 μs，γ0為6 dB，最大重傳次數(shù)L為3，最大退避窗口數(shù)W 為16，Packet 為500 B.同DTR 協(xié)議一樣，不考慮反饋傳播時延，即反饋開銷忽略不計.

當(dāng)采用二相相移鍵控(BPSK)調(diào)制方式時，即α取值為1，β 取值為2 時，DTR 與DTR PLUS 算法的時延性能隨著平均發(fā)射信噪比P/N0 的變化趨勢如圖3 所示.從圖中可以看出，DTR PLUS 算法的時延性能明顯要好于DTR，尤其是在平均信噪比較低時.這是因為在信噪比較低時，源節(jié)點與目的節(jié)點間的傳輸誤碼率較高，重傳的概率也大，此時參與協(xié)作的節(jié)點在接入信道時，DTR 由于采用的是隨機接入，發(fā)生碰撞的概率也大，那么傳輸平均時延較大也是顯而易見的.但文中提出的DTR PLUS 算法，由于采用了最優(yōu)中繼接入，避免了碰撞的發(fā)生，因此性能更優(yōu).此外，圖3 顯示，兩種算法的平均時延模擬仿真值與理論計算值兩者基本吻合，驗證了理論分析的正確性.改變調(diào)制方式為四相相移鍵控(4PSK)和四進制幅度鍵控(4ASK)時，DTR PLUS 算法的平均時延仿真結(jié)果如圖4 所示.

圖3 BPSK 調(diào)制時算法的平均時延比較Fig.3 Comparison of average delay of algorithms with BPSK

圖4 不同調(diào)制方式時DTR PLUS 的平均時延比較Fig.4 Comparison of average delay of DTR PLUS with different modulation

實驗條件不變，兩種算法在系統(tǒng)吞吐量方面的性能如圖5 所示.在DTR 協(xié)議中，由于節(jié)點的碰撞或大量退避時延的存在，傳輸一個數(shù)據(jù)包所耗費的時間增加，導(dǎo)致了系統(tǒng)吞吐量的減少，而在DTR PLUS 算法中，由于采取了改進措施，節(jié)點浪費的時延相應(yīng)減少，頻譜資源利用率上升，因此吞吐量也相對較大.但隨著發(fā)送信噪比的增加，信道條件相對越來越好，源節(jié)點成功發(fā)送的概率也越發(fā)增大，DTR候選中繼接入信道后成功發(fā)送的概率也會隨之增大，而DTR PLUS 算法卻由于網(wǎng)絡(luò)博弈開銷損失了一點吞吐量，此時DTR PLUS 的優(yōu)勢不再明顯;不過，系統(tǒng)也基本失去了協(xié)作分集的意義，因為源節(jié)點到目的節(jié)點的信道條件好到不需要協(xié)作，如圖5 右上角所示.圖5 中還進一步比較了兩種算法在系統(tǒng)吞吐量方面仿真值與理論值，再次驗證了推導(dǎo)出的理論分析的有效性.改變調(diào)制方式，實驗結(jié)果與圖4 結(jié)論類似，如圖6 所示.

圖5 BPSK 調(diào)制時算法的系統(tǒng)吞吐量比較Fig.5 Comparison of system throughput of algorithms with BPSK

圖6 不同調(diào)制方式時DTR PLUS 的系統(tǒng)吞吐量比較Fig.6 Comparison of system throughput of DTR PLUS with different modulation

5 結(jié)語

文中就分布式無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)多中繼接入信道時復(fù)雜的頻譜管理問題，提出了一種DTR 協(xié)議的改進算法.新算法采用局部信息博弈避免了DTR 協(xié)議中大量的退避等待和碰撞時延;采用門限策略靈活地解決了候選中繼過多或過少的問題;考慮到在實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)包尺寸的不規(guī)則性，新算法可在分布式網(wǎng)絡(luò)中得以實施.新算法在未明顯增加網(wǎng)絡(luò)開銷的情況下，在降低網(wǎng)絡(luò)平均傳輸時延和提升系統(tǒng)吞吐量方面具有更優(yōu)越的性能.

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