無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)同MAC協(xié)議

李 楠 戚進(jìn)勇 蔡躍明 程乃平

①(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 南京 210007)

②(總裝備部陸裝科訂部 北京 100009)

③(裝備指揮技術(shù)學(xué)院 北京 101416)

1 引言

協(xié)同通信利用無(wú)線信道的廣播特性產(chǎn)生空間分集，可以顯著地提高系統(tǒng)性能和鏈路可靠性[1]。在多數(shù)具有自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)機(jī)制的協(xié)同MAC協(xié)議中，當(dāng)直傳出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組。但是，這種協(xié)同轉(zhuǎn)發(fā)需要中繼節(jié)點(diǎn)做出較大的犧牲。中繼節(jié)點(diǎn)需要貢獻(xiàn)部分帶寬去幫助其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，卻不能處理自己要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組。尤其是在基于二進(jìn)制指數(shù)退避的IEEE 802.11協(xié)議中，幫助其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)將增大中繼節(jié)點(diǎn)的退避窗口，降低中繼節(jié)點(diǎn)接入信道的概率。所以，從中繼節(jié)點(diǎn)的角度出發(fā)，幫助其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)降低自己的性能，是不利于自己的一種行為，這稱之為協(xié)同傳輸中的中繼低效率問(wèn)題[2]。

如何解決上述的問(wèn)題，我們進(jìn)而想到如果中繼節(jié)點(diǎn)既能轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，又能同時(shí)發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，協(xié)同傳輸中的中繼低效率問(wèn)題不就迎刃而解了嗎。但是要做到上述這點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)必須具有將兩個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)包融合，并且在接收端解析的能力，而網(wǎng)絡(luò)編碼恰好可以實(shí)現(xiàn)這一想法，給我們提供了一個(gè)解決協(xié)同傳輸中的中繼低效率問(wèn)題的有效途徑。

網(wǎng)絡(luò)編碼理論是網(wǎng)絡(luò)信息論領(lǐng)域的一項(xiàng)重要突破，其由Ahlswede等人[3]于2000年提出，并迅速成為研究熱點(diǎn)，給信息論與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和密碼學(xué)等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)影響。一直以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)通信皆采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制以傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流被當(dāng)成不可融合的實(shí)體流加以存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，而網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)指出數(shù)據(jù)流的本質(zhì)是信息流，允許信息流在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼運(yùn)算能有效提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼的研究大多數(shù)集中在物理層(如誤碼率，分集度等)和信息論(如信道容量等)方面，結(jié)合MAC層的研究還非常少。文獻(xiàn)[4]提出了一種利用中心控制機(jī)制來(lái)最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)編碼的方法，從而達(dá)到了基于TDMA的MAC協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)編碼的最佳結(jié)合。這種方法可以取得性能的巨大提升，但是它無(wú)法適用于分布式的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[5,6]提出了一種網(wǎng)絡(luò)編碼和MAC協(xié)議結(jié)合的方案，設(shè)計(jì)了一種機(jī)會(huì)的網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)提高系統(tǒng)吞吐量性能，但它的研究模型是雙向中繼信道模型，并不涉及協(xié)同傳輸中的中繼低效率問(wèn)題。

為了解決協(xié)同傳輸中的中繼低效率問(wèn)題，本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼，跨層設(shè)計(jì)了一種新的協(xié)同MAC協(xié)議NCCMAC(Network Coding Cooperative MAC)。NCCMAC協(xié)議是一種分布式的協(xié)同MAC協(xié)議，適用于無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。它的主要思想是在需要協(xié)同傳輸時(shí)，讓中繼節(jié)點(diǎn)幫助源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的同時(shí)也一起發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)這一目的的途徑就是采用網(wǎng)絡(luò)編碼。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)也有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)編碼將源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和中繼節(jié)點(diǎn)自己的數(shù)據(jù)融合在一起發(fā)送出去，中繼節(jié)點(diǎn)在幫助了其它節(jié)點(diǎn)的同時(shí)也發(fā)送了自己的數(shù)據(jù)，解決了協(xié)同傳輸中的中繼低效率問(wèn)題，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的性能。本文還在多跳網(wǎng)絡(luò)中對(duì)衰落信道下的NCCMAC協(xié)議進(jìn)行了性能分析，推導(dǎo)出了吞吐量性能表達(dá)式，并分析了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、多跳和信道質(zhì)量對(duì)吞吐量性能的影響。

本文組織如下：第2節(jié)詳細(xì)描述了NCCMAC協(xié)議；第3節(jié)對(duì)NCCMAC協(xié)議進(jìn)行了建模和吞吐量性能分析；第4節(jié)是仿真結(jié)果和分析，NCCMAC協(xié)議分別跟802.11DCF協(xié)議和一般的協(xié)同MAC協(xié)議進(jìn)行了性能比較，并分析了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、多跳和信道質(zhì)量對(duì)吞吐量性能的影響；第5節(jié)對(duì)本文進(jìn)行了小結(jié)。

2 協(xié)議描述

NCCMAC協(xié)議仍然以CSMA/CA的競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道，并且同樣采用ARQ重傳機(jī)制，傳輸?shù)膱?chǎng)景示意圖如圖1。如果在信道衰落或噪聲的影響下，源節(jié)點(diǎn)S的目的節(jié)點(diǎn)D1沒(méi)能正確接收源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組a,D1將反饋NACK，告知它的中繼節(jié)點(diǎn)R直傳失敗，需要啟用協(xié)同傳輸。到這里，我們遇到了協(xié)同傳輸中的中繼低效率問(wèn)題，中繼節(jié)點(diǎn)如果單純的轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組a將損傷自己的利益。我們的目的是在協(xié)同傳輸時(shí)，讓中繼節(jié)點(diǎn)R在幫助源節(jié)點(diǎn)S轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)a的同時(shí)也可以給自己的目的節(jié)點(diǎn)D2發(fā)送數(shù)據(jù)分組b。NCCMAC協(xié)議采用網(wǎng)絡(luò)編碼的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。

圖1 傳輸場(chǎng)景示意圖

NCCMAC協(xié)議的流程圖如圖2。若節(jié)點(diǎn)D1第1次接收數(shù)據(jù)包a錯(cuò)誤，如果第2次收到一個(gè)采用網(wǎng)絡(luò)編碼融合的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包融合了數(shù)據(jù)a和數(shù)據(jù)b，這種情況下使用基本的網(wǎng)絡(luò)編碼是不能恢復(fù)出任何信息的，因?yàn)閷?duì)基本的網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)說(shuō)只有完整的數(shù)據(jù)才能正確解碼。但是，文獻(xiàn)[7]中提出的一種網(wǎng)絡(luò)編碼MIMO_NC可以解決這種問(wèn)題。MIMO_NC是一種物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，它將物理層的糾錯(cuò)碼和基本的網(wǎng)絡(luò)編碼相結(jié)合，即使在一個(gè)數(shù)據(jù)包出錯(cuò)的情況下，MIMO_NC依然可以對(duì)融合的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，MIMO_NC為解決協(xié)同傳輸中的中繼低效率問(wèn)題提供了基本保障。

如果源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D1的信道質(zhì)量非常差，網(wǎng)絡(luò)編碼MIMO_NC的正確解碼率將非常低，網(wǎng)絡(luò)編碼將不再適用。為了避免這種情況的發(fā)生，節(jié)點(diǎn)D1在發(fā)送NACK之前將檢查錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀的SINR，如果這個(gè)值低于給定的門限值，就說(shuō)明不適合使用網(wǎng)絡(luò)編碼，節(jié)點(diǎn)D1將在反饋的NACK中用1個(gè)比特標(biāo)記出此問(wèn)題，可以用NACK_flag表示，不適合使用網(wǎng)絡(luò)編碼時(shí)flag為0，反之為1。在flag為0時(shí)，NCCMAC協(xié)議將退化成普通的協(xié)同MAC協(xié)議，通過(guò)一定中繼選擇算法選出的中繼節(jié)點(diǎn)將只轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)a。這里采用機(jī)會(huì)的退避算法來(lái)選擇中繼節(jié)點(diǎn)，也就是讓潛在的中繼節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的范圍內(nèi)隨機(jī)的選擇一個(gè)退避窗口進(jìn)行退避(潛在的中繼節(jié)點(diǎn)為聽(tīng)到NACK分組并且之前正確接收了數(shù)據(jù)a的節(jié)點(diǎn))，率先退避到0的節(jié)點(diǎn)將成為中繼節(jié)點(diǎn)幫助源節(jié)點(diǎn)重傳數(shù)據(jù)分組。在flag為1時(shí)，NCCMAC協(xié)議可以采用網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。如果中繼節(jié)點(diǎn)本身也有數(shù)據(jù)分組b要發(fā)送，它將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼，將源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)a和自己的數(shù)據(jù)b融合在一起發(fā)送出去。具體實(shí)施方法如下：

中繼節(jié)點(diǎn)在退避到0后將廣播RRTS(Relay RTS)分組，RRTS分組主要有兩個(gè)作用：一是告知自己中繼節(jié)點(diǎn)的身份，其它潛在的中繼節(jié)點(diǎn)聽(tīng)到RRTS分組后將不再退避；二是中繼節(jié)點(diǎn)與它的目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互。中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)有可能是源節(jié)點(diǎn)S或S的目的節(jié)點(diǎn)D1，也有可能是其它節(jié)點(diǎn)，需要分情況討論：

(1)如果中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)是源節(jié)點(diǎn)S的目的節(jié)點(diǎn)D1。D1收到RRTS分組后，將反饋RCTS分組，這里節(jié)點(diǎn)R和節(jié)點(diǎn)D1交互RRTS/RCTS分組的意義在于減小多中繼節(jié)點(diǎn)沖突對(duì)系統(tǒng)性能的影響。多中繼節(jié)點(diǎn)沖突是指多個(gè)潛在的中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送了分組而導(dǎo)致沖突發(fā)生的情況。在這種情況下，如果R收到NACK分組后直接發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能，而通過(guò)交互RRTS/RCTS分組可以將這種影響降至最小，即使發(fā)生了沖突也只是付出了很小的代價(jià)，對(duì)系統(tǒng)性能不會(huì)造成太大的影響。目的節(jié)點(diǎn)接收完融合的數(shù)據(jù)之后，將反饋兩次ACK/NACK分組，第1次是對(duì)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組a的反饋，第.2.次是對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組b的反饋。

(2)如果中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)是源節(jié)點(diǎn)S。節(jié)點(diǎn)R同樣要和源節(jié)點(diǎn)S交互RRTS/RCTS分組來(lái)減小因多中繼節(jié)點(diǎn)沖突對(duì)系統(tǒng)性能的影響。節(jié)點(diǎn)D1在接收完融合的數(shù)據(jù)后反饋ACK/NACK分組，隨后源節(jié)點(diǎn)S也將反饋ACK/NACK分組。

(3)如果中繼節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)是其它節(jié)點(diǎn)D2。節(jié)點(diǎn)D2收到RRTS分組后，如果之前節(jié)點(diǎn)D2也正確地接收了源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組a，它將能夠?qū)?jié)點(diǎn)R通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，節(jié)點(diǎn)D2反饋RCTS分組告知節(jié)點(diǎn)R可以使用網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，節(jié)點(diǎn)R將可以在轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同時(shí)發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。如果節(jié)點(diǎn)D2之前沒(méi)有收到數(shù)據(jù)分組a，它將不能對(duì)融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，節(jié)點(diǎn)D2將反饋NCTS分組告知這一情況，在這種情況下，NCCMAC將退化成普通的協(xié)同MAC協(xié)議，中繼節(jié)點(diǎn)R只轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)a。這里節(jié)點(diǎn)R和節(jié)點(diǎn)D2交互RRTS/RCTS的目的在于確定中繼節(jié)點(diǎn)是否可以使用網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)數(shù)據(jù)a和b進(jìn)行融合。在接收完數(shù)據(jù)后，節(jié)點(diǎn)D1和D2分別反饋ACK/NACK。

為了盡可能地利用網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)解決協(xié)同傳輸中的中繼低效率問(wèn)題，我們讓有數(shù)據(jù)發(fā)送的潛在中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)高于沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送的潛在中繼節(jié)點(diǎn)，具體的方法是使有數(shù)據(jù)發(fā)送的潛在中繼節(jié)點(diǎn)的中繼退避窗口更短，使它成為中繼節(jié)點(diǎn)的概率更高。

圖2 NCCMAC協(xié)議流程圖

3 建模與分析

本節(jié)將對(duì)在2維Markov退避模型的基礎(chǔ)上，加入網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同機(jī)制，并在多跳的網(wǎng)絡(luò)中對(duì)NCCMAC協(xié)議進(jìn)行建模和分析。

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型

考慮一個(gè)由n個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的全分布式的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的緩存器中總是有數(shù)據(jù)發(fā)送，也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò)處在飽和狀態(tài)。其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅配備單天線，工作在半雙工模式。節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度相等，包括L個(gè)數(shù)據(jù)比特。分組在服從瑞利平坦衰落的信道中傳輸，接收節(jié)點(diǎn)采用最大比合并(Maximal Ratio Combiner,MRC)方式接收。信號(hào)調(diào)制方式為 BPSK，則接收機(jī)接收k分支調(diào)制信號(hào)的平均誤比特率(Bit Error Rate,BER)可以通過(guò)下式計(jì)算得到[8]

3.2 吞吐量性能分析

在單跳網(wǎng)絡(luò)中可以假設(shè)隱藏終端問(wèn)題是不存在的，但是在多跳網(wǎng)絡(luò)中，隱藏終端是不能不考慮的問(wèn)題。源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送分組時(shí)有兩種情況會(huì)發(fā)生沖突：(1)至少有一個(gè)源節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)也發(fā)送了分組。(2)至少有一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送了分組。第(2)種情況就會(huì)發(fā)生隱藏終端問(wèn)題。設(shè)nn為源節(jié)點(diǎn)的平均鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)(除去接收節(jié)點(diǎn))，為在發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸范圍之外，但在目的節(jié)點(diǎn)傳輸范圍內(nèi)的平均節(jié)點(diǎn)數(shù)，實(shí)際上就是隱藏終端的個(gè)數(shù)。在考慮了隱藏終端問(wèn)題后，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組時(shí)沖突的概率Pc為

其中τ為節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組的概率，τ可以表示為[9]

其中m是最大退避次數(shù)，W0是最小退避窗口，P為節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗的概率，考慮目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)失敗后重傳一次的情況，P可以表示為

其中Pde和Pce分別為直傳和協(xié)同傳輸?shù)恼`碼率，Pr為潛在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突的概率。

設(shè)Ps為在至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組的條件下無(wú)沖突傳輸?shù)母怕省?/p>

在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)傳輸有4種情況：(1)信道空閑；(2)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組而導(dǎo)致沖突；(3)目的節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)分組；(4)因?yàn)樾诺涝肼暬蛩ヂ洌瑢?dǎo)致目的節(jié)點(diǎn)未能正確接收數(shù)據(jù)分組。下面對(duì)4種情況分別進(jìn)行討論。

(1)信道空閑 設(shè)σ為一個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)，則空閑的平均時(shí)長(zhǎng)E[Tb]可表示為

(2)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組而發(fā)生沖突 設(shè)tx代表傳送相對(duì)應(yīng)分組的時(shí)長(zhǎng)，比如，tRTS就表示傳送RTS分組所需時(shí)長(zhǎng)。所以節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突所耗費(fèi)的時(shí)長(zhǎng)Tc為

因此，單位時(shí)隙內(nèi)發(fā)生沖突的平均時(shí)長(zhǎng)E[Tc]為

(3)目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)分組成功 設(shè)直傳傳輸所耗時(shí)長(zhǎng)為Tsdir，協(xié)同傳輸所耗時(shí)長(zhǎng)為Tscoop，中繼發(fā)生沖突后再傳輸所耗時(shí)長(zhǎng)為Tccoop，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)為L(zhǎng)bits，則

在式(11)中，Wr為中繼節(jié)點(diǎn)退避窗口大小，(Wr+ 1)/2為中繼退避所需的平均時(shí)長(zhǎng)。還需注意的一點(diǎn)是，在使用網(wǎng)絡(luò)編碼融合兩個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，在每個(gè)數(shù)據(jù)包需要標(biāo)記解碼時(shí)需要的系數(shù)因子，一般為8 bit，兩個(gè)數(shù)據(jù)包附加16 bit。所以在協(xié)同傳輸時(shí)，傳數(shù)據(jù)分組時(shí)需要附加16 bit。從中也可以看到，在使用網(wǎng)絡(luò)編碼融合兩個(gè)數(shù)據(jù)所帶來(lái)的附加開(kāi)銷非常少，對(duì)系統(tǒng)性能的影響將極其微小。

專業(yè)人士對(duì)信息化的定義是信息化是從物資層面升華到抽象層面，在生活需要和具體運(yùn)用中產(chǎn)生的物資信息描述。信息化是指以計(jì)算機(jī)為主體的一系列智能工具的價(jià)值運(yùn)用，這種運(yùn)用可以加速社會(huì)的發(fā)展，提高人們生活的質(zhì)量。智能工具與傳統(tǒng)工具不一樣，它們不是單一的工具，而是具有系統(tǒng)性的整體工具體系。它們可以形成一個(gè)有密切關(guān)系的體系。并且信息化工具可以提升人們的思維方法、交流方法等各方面，讓人類社會(huì)得到巨大的進(jìn)步。

所以，單位時(shí)隙內(nèi)成功傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)長(zhǎng)E[Ts]可表示為

(4)因?yàn)樾诺涝肼暬蛩ヂ洌瑢?dǎo)致目的節(jié)點(diǎn)未能正確接收數(shù)據(jù)分組 設(shè)這種情況下直傳傳輸所耗時(shí)長(zhǎng)為Tedir，協(xié)同傳輸所耗時(shí)長(zhǎng)為Tecoop，中繼發(fā)生沖突后再傳輸所耗時(shí)長(zhǎng)為Teccoop。在這種情況下所耗的時(shí)長(zhǎng)與成功傳輸所耗的時(shí)間是相同的，所以有

則單位時(shí)隙內(nèi)因?yàn)檎`碼導(dǎo)致傳輸失敗的平均時(shí)長(zhǎng)E[Te]為

最后再來(lái)分析單位時(shí)隙內(nèi)源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)挠行ж?fù)載E[Tp]。在網(wǎng)絡(luò)編碼的作用下，單位時(shí)隙內(nèi)可以由以前的傳一個(gè)數(shù)據(jù)分組變?yōu)閭鬏攦蓚€(gè)數(shù)據(jù)分組，所以有

其中Rrate為數(shù)據(jù)傳輸速率。所以，總的吞吐量Stotal為

在多跳網(wǎng)絡(luò)中，從源節(jié)點(diǎn)的角度出發(fā)，為了得到有效的吞吐量性能，需要用平均路徑劃分總的吞吐量，圖3為多跳時(shí)的傳輸場(chǎng)景，其中Tr為節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)淖畲缶嚯x，A'為隱藏終端可能存在的區(qū)域，則

圖3 多跳傳輸場(chǎng)景圖

源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的平均路徑長(zhǎng)z為[10]

其中ρ為網(wǎng)絡(luò)密度，即單位面積內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。設(shè)適合一跳傳輸?shù)钠骄嚯x為Rc，節(jié)點(diǎn)一跳傳輸?shù)钠骄嚯x為d，則

所以有效吞吐量性能Seffect為

4 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)將對(duì)NCCMAC協(xié)議吞吐量性能進(jìn)行仿真分析，并和IEEE 802.11 DCF協(xié)議和一般的協(xié)同MAC協(xié)議性能進(jìn)行比較。考慮獨(dú)立同分布的準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道，且具有加性高斯白噪聲。系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制方式，有效負(fù)載長(zhǎng)度均為1024 bit，數(shù)據(jù)的傳輸速率為1 Mbit/s，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在Y×Y(m×m)的正方形區(qū)域內(nèi)，設(shè)節(jié)點(diǎn)的最大傳輸距離為300 m，其它參數(shù)的選取參照文獻(xiàn)[11]，如表1。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)吞吐量性能的影響

節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在600 m×600 m的區(qū)域內(nèi)，信道的平均信噪比為10 dB，圖4是NCCMAC協(xié)議與一般協(xié)同MAC協(xié)議和802.11 DCF協(xié)議的吞吐量性能比較圖。從圖中可以看到，采用協(xié)同機(jī)制可以較好地改善系統(tǒng)性能，而采用網(wǎng)絡(luò)編碼的 NCCMAC協(xié)議可以更進(jìn)一步的提高系統(tǒng)性能，相對(duì)一般的協(xié)同MAC協(xié)議和802.11 DCF協(xié)議，NCCMAC協(xié)議的吞吐量性能分別提高了 23.54%和 41.86%。我們還注意到，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，802.11 DCF協(xié)議的吞吐量性能增大到一定程度后基本不變，而采用協(xié)同機(jī)制的 MAC協(xié)議隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多吞吐量性能略有減小，這是因?yàn)樵趨f(xié)同傳輸中存在潛在中繼節(jié)點(diǎn)沖突的情況，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，潛在的中繼節(jié)點(diǎn)的沖突概率會(huì)增大，但是這種沖突帶來(lái)的影響較小，所以從圖4中看到采用協(xié)同機(jī)制的MAC協(xié)議吞吐量會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而略有減小。

4.2 多跳對(duì)吞吐量性能的影響

圖5顯示的是NCCMAC協(xié)議的吞吐量性能與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模關(guān)系圖。取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為50，信道的平均信噪比為 10 dB，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在Y×Y(m × m)的正方形區(qū)域內(nèi)。從圖中可以看到，NCCMAC協(xié)議的吞吐量是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而減小的。這是因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，網(wǎng)絡(luò)的平均跳數(shù)也隨之增多，節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所需的步驟也增加了，傳輸步驟的增加將導(dǎo)致吞吐量下降，所以吞吐量是隨著網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)的增多而減小的。在Y=4 00m時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的平均跳數(shù)約等于1，在Y=8 00m時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的平均跳數(shù)約等于 2，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變大，網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)的增多，Y=8 00m時(shí)的吞吐量和Y=4 00m時(shí)的吞吐量相比減少了56.98%。

4.3 信道質(zhì)量對(duì)吞吐量性能的影響

圖6是不同信道的平均信噪比下，NCCMAC協(xié)議相比一般協(xié)同MAC協(xié)議的吞吐量性能增益圖，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在600 m×600 m的區(qū)域內(nèi)。從圖中可以看出，在所給參數(shù)條件下，當(dāng)SNR=10dB時(shí)，NCCMAC協(xié)議相比一般的協(xié)同MAC協(xié)議能獲得高達(dá)23.54%的性能提升。但是在信道條件稍好或稍壞的情況下，NCCMAC協(xié)議的吞吐量性能增益都會(huì)有所下降。這是因?yàn)樵谛诺罈l件稍差時(shí)，經(jīng)過(guò)融合的數(shù)據(jù)也會(huì)更容易出現(xiàn)誤碼，所以吞吐量增益會(huì)有所降低。但是在信道質(zhì)量更好時(shí)，直傳的成功率很高，協(xié)同傳輸?shù)膸茁首冃。瑥亩捎镁W(wǎng)絡(luò)編碼的機(jī)會(huì)也變小，所以相比一般的協(xié)同MAC協(xié)議，NCCMAC協(xié)議的吞吐量性能增益也會(huì)有所降低。

圖7是不同信道的平均信噪比下，NCCMAC協(xié)議相比802.11 DCF協(xié)議的吞吐量性能增益圖，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在600 m×600 m的區(qū)域內(nèi)。從圖中可以看出，在所給參數(shù)條件下，當(dāng)SNR=5dB時(shí)，采用協(xié)同機(jī)制可以極大地提高吞吐量性能，幾乎是802.11 DCF協(xié)議吞吐量性能的5.2倍。在信道質(zhì)量逐漸提高時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)略有下降，在SNR=10dB時(shí)，這種增益變?yōu)?.419，在SNR=15dB時(shí)，這種增益僅為1.087。這是因?yàn)殡S著信道質(zhì)量的提高，直傳的成功率較高，協(xié)同傳輸?shù)淖饔米冃×耍鼘?duì)系統(tǒng)性能的提升也就降低了。所以可知，信道質(zhì)量越差，協(xié)同通信對(duì)系統(tǒng)性能的改善就越明顯。

圖4 吞吐量性能與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)關(guān)系圖

圖5 NCCMAC協(xié)議吞吐量性能與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模關(guān)系圖

圖6 改變信道的平均信噪比，NCCMAC協(xié)議相比一般協(xié)同MAC協(xié)議的吞吐量性能增益

圖7 改變信道的平均信噪比，NCCMAC協(xié)議相比802.11 DCF協(xié)議的吞吐量性能增益

5 結(jié)論

本文針對(duì)無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，提出了一種新的協(xié)同MAC協(xié)議——NCCMAC協(xié)議。NCCMAC協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同機(jī)制相結(jié)合，解決了協(xié)同傳輸中的中繼低效率問(wèn)題。本文還在多跳網(wǎng)絡(luò)中對(duì)NCCMAC協(xié)議進(jìn)行了吞吐量性能分析。仿真結(jié)果表明，和802.11 DCF協(xié)議相比，采用協(xié)同機(jī)制可以大大提高系統(tǒng)的吞吐量性能。和一般的協(xié)同MAC協(xié)議相比，加入網(wǎng)絡(luò)編碼可以進(jìn)一步提升協(xié)同MAC協(xié)議的吞吐量性能，它對(duì)協(xié)同機(jī)制是一種很好的補(bǔ)充。

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