基于跳數限制的WSNs自適應協作FEC機制

靳 勇

（常熟理工學院 計算機科學與工程學院，江蘇 常熟 215500）

0 引 言

4G通信技術的快速發展，對通信系統性能提出了更高的要求.而協作通信技術由于融合了多種異構網絡的關鍵技術[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，并取得了一系列研究成果[4-8].

文獻[4]采用ACK-less基于協作策略的數據傳輸方法有效地使用網絡資源.文獻[5]在Nakagami_m信道上推導了適用于任意中繼數的協作自動重傳請求（CARQ:Cooperative Automatic Repeat Request）誤幀率表達式，并證明了CARQ與傳統的自動請求重傳（ARQ:Automatic Repeat Request）相比具有更好的性能.文獻[6]給出了基于網絡編碼的協作HARQ協議，文獻[7]提出了一種無線傳感器網絡中基于切換與保持節點選擇的協同ARQ協議.然而，重傳數據會增加往返時延，特別是通過重傳數據包來糾正該數據包內幾個字節甚至幾個比特的錯誤導致通信效率降低，對于能量受限的傳感器節點而言，難以直接使用.因此，文獻[8]設計了一種基于2級比例-積分-微分（PID）控制的前向糾錯（FEC:Forward Error Correction）碼率調整策略，有效改善了實際數據傳輸速率.雖然FEC通過增加冗余數據提高了數據傳輸的可靠性，但是傳輸冗余數據占用了額外的帶寬，特別當添加的冗余數據過多時，會浪費有限的WSNs網絡資源.

本文在前期研究結果[9，10]的基礎上，針對何時協作和與誰協作以及FEC在協作通信網絡中難以提供有效的數據傳輸可靠性的問題，建立了多中繼數據協作FEC機制；在網絡層采用IPv6協議并根據包頭中跳數限制值設定協作傳輸跳數，同時獲得當前數據轉發跳數，自適應地調整FEC參數N，對不同的數據幀添加較少冗余數據，在提高資源利用率的同時提高了可靠性.

1 多中繼數據協作FEC機制

1.1 FEC能效規律分析

由前期研究結果[10]可知，傳感器節點能耗包括：數據幀發送和接收能耗、傳感器節點啟動能耗和使用RS編碼算法對數據幀的解碼能耗.傳感器節點采用FEC機制時總能耗EFEC、能效η和誤幀率PFEC由公式（1）、（2）和（3）表示.

其中，Estart表示傳感器節點啟動能耗，Edec表示RS（n，v）編碼算法解碼能耗.

在不同的數據幀長和通信距離情況下，對FEC的能效進行分析和比較，結果如圖1所示.

從圖1中可以看出，當數據幀長為750字節和1500字節時，FEC能效隨著通信距離增大逐漸減小且數據幀越長能效越高.當端到端通信距離小于40米時能效變化很小，大于40米時能效急劇下降.表明遠距離通信時繼續采用直接傳輸方式會浪費過多的能量，嚴重影響傳感器節點使用壽命.

1.2 協作FEC能效分析

本節根據FEC能效規律，在WSNs中傳輸數據時設定通信距離門限值DT.當端到端通信距離小于或等于DT時采用直接傳輸方式，大于DT時進行中繼選擇采用協作傳輸方式.

假設發送節點與接收節點間端到端通信距離為Dsr，協作傳輸跳數記為Hop，中繼節點個數為NC，則有公式（4）所示關系.

其中，mod表示取模運算，[Dsr/DT]表示取整運算.若已知Dsr可計算出兩節點間最佳中繼跳數和中繼節點數.根據公式（4）結合公式（1）和（2），可得出在數據幀長為750字節和1500字節時，采用協作FEC機制的能效如圖2所示.

對比圖1和2可以發現，當通信距離大于40米時，協作通信方式中FEC能效在0.6381和0.7381上下浮動，與傳統FEC相比有明顯的提高.

圖2 協作FEC能效分析

2 基于跳數限制的自適應協作FEC

前期研究結果[9]表明，數據幀在傳輸過程中所經歷的跳數越多，消耗的能量越多，則優先級越高，要為其提供更高的可靠性.同時由第1節的分析，可以根據兩點間端到端通信距離計算出最佳協作傳輸跳數.因此在網絡層采用IPv6協議，其數據包頭格式如圖3所示.

IPv6數據包頭長度固定為40字節，為IPv4包頭長度的兩倍，提供的地址長度為IPv4的四倍，并且IPv6數據包頭在中轉路由器中處理效率更高[11].其中，Hop Limit（跳數限制）占8位，IPv6數據包在路由器之間的轉發次數限定包的生命期.數據包每經過一次轉發，該字段減1，減到0時就丟棄該數據包.因此，數據幀轉發跳數Hop_T可由公式（5）得到.

基于上述分析，本節提出一種基于跳數限制的適用于WSNs的自適應協作FEC機制（CFEC），體系結構如圖4所示.圖4給出了在WSNs中，采用CFEC機制進行差錯控制時發送節點、接收節點和若干中繼節點的體系結構.算法描述如下：

步驟（1）：分析判斷得到發送節點與接收節點間端到端通信距離Dsr，根據公式（4）計算出協作傳輸所需跳數Hop和中繼節點數NC.如果Dsr小于DT，則直接傳輸；若Dsr大于DT則采用RSSI測距技術[9]，選擇通信距離小于DT的節點作為下一跳接收節點.

步驟（2）：在發送節點，將IPv6數據包頭中的Hop Limit賦值為Hop，FEC參數N賦值為Hop+v；即協作傳輸跳數越多，添加的冗余代碼越多，提供的可靠性越高.

步驟（3）：在中繼節點上，根據公式（5）得到數據幀轉發所經歷的跳數Hop_T；如果下一跳節點的距離小于DT，采用直接傳輸，否則，采用RSSI測距技術，選擇通信距離小于DT的節點作為下一跳接收節點，同時FEC參數N賦值為Hop_T+v.

步驟（4）：NC個中繼節點執行步驟（3），直至數據發送至接收節點.

圖3 IPv6數據包頭結構

圖4 CFEC在WSNs中的體系結構

3 性能分析和評價

本節采用數學分析的方法對上文提出的自適應CFEC機制（CFEC）與傳統FEC在誤幀率和能效等方面進行性能分析與評價.仿真參數是基于Cross-bow公司的使用ATmega128L處理器[12]和CC1000射頻模塊的Mica2型節點的WSNs平臺[13]，如表1所示.

Mica2節點的誤碼率（BER:Bit Error Rate）Pb可由公式（6）計算得到.其中，γ是接收端的信噪比，BN是噪聲帶寬，Rradio是CC1000的數據發射速率.

為便于分析，采用線性WSNs拓撲結構如圖5所示.其中，6個傳感器節點中有4個為中繼候選節點，發送節點S與接收節點R之間通信距離為200米，S向R直線勻速移動.

根據第3節中所提出的自適應CFEC機制以及公式（1）至（6），可得如圖6所示的自適應CFEC與傳統FEC在誤幀率和能效等方面的性能對比結果.從圖6（a）中可以看出，自適應CFEC誤幀率明顯小于FEC，可以提供更高的可靠性.而且，隨著發送節點S與接收節點R端到端通信距離的縮小，誤幀率也越來越小.從圖6（b）中發現，自適應CFEC能效在0.7380上下浮動且均大于0.7379，而FEC的能效在7秒之前始終為零，即接收節點R無法正確接收數據，通信性能很差.綜上，本文所提出的自適應CFEC機制采用協作通信方式可以為遠距離傳感器節點通信提供高可靠性.

圖5 線性WSNs網絡拓撲結構

表1 參數設置

4 結束語

針對傳統FEC機制在無線傳感器網絡中難以為端到端數據傳輸提供有效可靠性的問題，首先分析了FEC能效規律，然后建立一種多中繼協作FEC機制，根據通信距離為每一個數據幀選擇最佳協作跳數，最后根據IPv6數據包頭中的跳數限制（HopLimit）值得到當前數據幀轉發跳數，自適應調整FEC參數N，在保持高可靠性的同時添加較少的冗余代碼保證高能效.數學分析表明，自適應CFEC機制在誤幀率和能效等方面與傳統FEC相比均具有更好的性能，該機制非常適合于WSNs中遠距離節點通信.

圖6 FEC與自適應CFEC性能對比

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