協作重傳的動態TDMA時隙分配算法

田 雨，宋曉鷗

(1.空軍工程大學航空航天工程學院，陜西西安710038;2.武警工程大學信息工程系，陜西西安710086)

協作重傳的動態TDMA時隙分配算法

田 雨1，宋曉鷗2

(1.空軍工程大學航空航天工程學院，陜西西安710038;2.武警工程大學信息工程系，陜西西安710086)

協作通信可以有效地降低衰落信道中數據傳輸的中斷概率，從而提高數據的傳輸速率。但是在TDMA系統中采用協作通信必然引入額外的帶寬開銷，為了提高傳輸速率而采用協作通信，是否能克服因此而產生的不利因素并不明確。在提出的CD-TDMA時隙算法中，在傳統TDMA幀的前部增加了一個偵聽和動態分配時隙的預約階段。所有節點在每個數據幀的開始如果沒有新產生的數據，則有義務協作轉發其他節點在上個時隙幀中發送失敗的數據。該算法提高了數據重傳的成功概率，提高了整個網絡的吞吐量。仿真結果表明，盡管該算法引入了額外的時隙開銷，和傳統的TDMA接入方式相比，該算法可以有效地提高整個網絡的吞吐量。

無線網絡;時分復用;協作;動態時隙分配

協作通信是無線通信中的重要技術，可以利用分集增益，降低中斷概率［1-3］，尤其適合于高樓林立的城市或山巒起伏的山區無線通信環境。動態TDMA可以利用空閑的時隙，發送其他節點的數據，從而提高整個網絡的吞吐量。將協作通信和動態TDMA結合起來，可以提高整個網絡的魯棒性和吞吐量。多個基于TDMA的協作MAC協議已經被提出，其中文獻［4］利用空閑時隙重新發送傳輸失敗的數據，但是當系統各個節點的空閑時隙不夠多時，嚴重影響了該協議的吞吐量。文獻［5］可以有效地提高數據的傳輸率，文獻［6］提出的C-TDMA在瑞利信道下可以提高數據的正確接受率，從而提高系統吞吐量，但文獻［5-6］都未考慮引入的額外開銷對吞吐量的影響。因此，本文提出了基于協作通信的動態TDMA時隙分配算法CD-TDMA(Cooperative Dynamic TDMA)。CD-TDMA采用譯碼轉發的協作方式［7］，在引入額外開銷的情況下依然比傳統的TDMA有更好的傳輸性能。

1 模型假設

假設信道為瑞利信道，網絡中每個節點發送數據的ACK應答都可以被其他節點接收到(ACK信息的數據量很小，可以采用冗余更大的信道編碼，增加其抗干擾、衰減的能力，而增加的開銷很小)。每個接收機可以估計每個鏈路的信噪比，而且該信噪比在一個時隙內保持不變。每個節點只有一根天線，每個節點對收到的數據按最大比合并的方式處理。

2 協作重傳的動態TDMA

2.1 數據幀設計

如圖1所示，本文采用了類似文獻［8］的幀結構，整個時隙分為預約和數據傳輸兩個階段。

圖1 CD-TDMA幀結構

數據傳輸部分為各個節點分配了固定的用于數據傳輸的時隙。每個節點的時隙又分為本節點的數據發送部分和數據接收節點的應答部分ACK。每個節點在不傳輸信息時，偵聽其他節點發送的數據是否得到了數據接收節點的應答ACK。如果偵聽到ACK，則認為該節點的數據傳輸是成功的;否則認為該節點的數據傳輸是失敗的，需要重新傳輸。當噪聲的功率一定時，發送失敗的數據多是受到了瑞利衰落和通信距離大而導致衰減過大的影響，因此可以采用協作通信的方式，降低該影響。預約時隙又分為多個子時隙，這些子時隙用來交換協作通信所需要的信息，并動態地分配協作通信的時隙。在動態分配協作通信階段，如果某節點沒有新數據包產生，在當前數據幀中該節點相應的時隙時，協作轉發上一幀中其他節點傳輸失敗的數據包，該策略避免了文獻［3］中空閑時隙不足導致傳輸速率降低的缺點。

2.2 傳輸失敗的計算公式

如圖2所示，假設在第n幀中節點A發送數據包Di給節點C，B，D，E和F為鄰居節點。當A向C發送數據Di時，如果不通過協作直接傳輸成功，則認為第一次傳輸即成功。當第一次沒有成功時，在下一幀中再次傳輸Di。如果有其他節點愿意幫助A協作重新傳輸Di，例如節點B，則A和B將在各自的數據傳輸時隙向C傳輸Di。C在這兩個時隙將接收到的Di按最大比合并，如果譯碼失敗，則需要在下一時隙繼續協作重傳。如果Di在需要協作重傳時沒有其他節點愿意協作傳輸，則A單獨傳輸，如果仍未傳輸成功，將繼續在下一幀中重新協作或單獨傳輸，直至成功傳輸。

圖2 協作重傳示意圖

當采用BPSK調制時，節點A發送數據s，節點C接收的信號可以表示為

則直接傳輸數據s時，節點C處的信噪比為

式中:hAC為A和C之間的信道衰減系數，n為高斯白噪聲，滿足n～CN(0，N0)。假設節點之間沒有直射波，所以信道為瑞利信道，hAC～CN(0，k)。k為和信道有關的常數，dAC為A和C之間的距離，α為路徑損耗系數。同理，節點B發送給節點C的信號可以表示為

根據文獻［9］，可以得到A和B分別發送的數據在C處按最大比合并(MRC)后，信噪比為

當采用BPSK的調制方式時，根據文獻［9］可以得到A、B組成的天線陣列的平均誤碼率為

其中

當m=1時，數據包的長度為N，當采用了信道編碼后，可以根據式(5)計算直接傳輸，即第一次傳輸數據的失敗概率為

當m=2時，表示兩個節點協作重傳，一個數據包被協作重傳的失敗概率為

2.3 協作重新傳輸策略

如圖3所示，如果A單獨發送Di給C失敗，而其沒有其他節點正確接收Di，則A在其下個時隙再次直接重傳。如果A單獨發送Di給C失敗，并且存在鄰居節點B成功接收Di，則B節點有義務在n+1幀中協作轉發Di給C，前提是在n+1幀的預約階段B沒有本節點的數據需要發送。該協作方式相當于文獻［6］中的譯碼-轉發模式。若協作重傳不成功，則A和B在下個時隙中依然協作重傳，直至傳輸成功才會傳輸其他數據包。

圖3 協作重傳流程圖

圖4表示的是節點B決定是否協作重傳A傳輸的失敗數據包的流程圖。假設A節點在第n幀傳輸數據包Di失敗。如圖1所示，預約階段為每個節點分配了一個子時隙，如果B在n+1幀的預約階段沒有本節點的數據需要發送，而且B計算其協作重傳的失敗率小于A單獨重傳的一半時，B在其相應的預約子時隙內廣播B協作重傳A數據包的意愿。A、B節點在第n+1幀中相應的數據傳輸時隙發送Di。

圖4 協作節點選擇流程圖

當B節點子時隙之前的時隙，已經有其他的節點宣布協作轉發Di時，B在本時隙放棄轉發Di。如果還有其他節點在第n幀發送數據失敗，例如數據包M，而且在之前的時隙內沒有節點表示愿意協作傳輸M，B節點會在其第n+1幀的預約階段子時隙廣播協作轉發M的意愿。

協作重傳的機制可以提高重傳成功的概率，但是為了實現預約協作重傳的機制，在時隙幀的數據傳輸部分前面增加了預約階段，占用了信道資源。每個節點在預約階段都擁有一個子時隙，用于廣播其協作傳輸其他節點數據的意愿，在本文中該子時隙的長度為100 bit。每個數據包的長度為1 024 bit。與圖5所示的傳統TDMA幀結構相比，CD-TDMA有以下兩個特點:

1)預約階段占用的時間相當于一個數據子時隙，對信道的占用降低了數據傳輸的速率;

2)提高了重新傳輸錯誤數據的概率，相當于提高了數據傳輸速率。

圖5 傳統TDMA幀結構

CD-TDMA由于比傳統的TDMA多了預約階段，所以在相同的時間內，CD-TDMA的幀數要比TDMA少，這意味著數據傳輸的機會要少。但是，每個節點在單位時間內產生數據包的概率是相同的，即在相同時間內產生的數據量基本相同。所以CD-TDMA重新傳輸數據的機會要比TDMA少，但是由于CD-TDMA采用協作重傳，重傳數據的成功率大大增加，所以在相同的時間內CD-TDMA傳輸的數據比傳統的TDMA要多。本文第3節將用仿真結果對以上推論進行驗證。

3 性能仿真及分析

仿真區域為1 km×1 km的正方形平面，在該區域內隨機分布n個通信節點，通信速率為200 kbit/s，仿真時間為10 min。ACK的時間為0.5 ms，則CD-TDMA和TDM A的數據傳輸時隙部分，每個節點被分配了1 kbit/ (200 kbit/s)+0.5 ms=5.5 ms。為了比較CD-TDMA和TDMA的吞吐量性能，在運行10 min時統計此時各個節點數據緩存區還未發送的數據包之和，以及在10 min內產生的所有數據包數。未發送的數據包總數與已經產生的所有數據包總數之比可以衡量兩種協議的吞吐量性能。當仿真時間達到10 min時，兩種協議產生的數據包總數是基本一致的(差異小于0.1%)，此時該比值可以反映兩種協議的吞吐量性能。

圖6和圖7中，δ表示一個節點數據在發送時隙的時間長度內產生數據包的概率，即在5.5ms的時間長度內產生一個數據包的概率。由于CD-TDMA和TDMA的仿真時間相同，δ也相同，所以產生的數據包總量是基本一致的。由圖6可以看出，當δ=0.06時，無論是CDTDMA還是TDMA，因為信噪比增加而導致傳輸失敗的概率降低，其未發送出的數據包的比例隨著信噪比的增加而降低;無論當節點數n=10還是n=15，未發送數據包的比例基本一致。從圖6中還可以看出本文提出的CD-TDMA的性能明顯優于傳統的TDMA。圖7中δ= 0.05，可以得到與圖6類似的結論，證明當δ發生變化時，CD-TDMA協議的性能依然優于傳統的TDMA。

圖6 δ=0.06時未發送數據比較

圖7 δ=0.05時未發送數據比較

圖8 未發送數據隨δ變化的比較

圖8中描述的是當信噪比為18 dB，節點數n=10時，未發送的數據包占總產生數據包比例隨δ的變化曲線。從圖8可以看出，隨著δ的增加，CD-TDMA和TDMA未發送的數據包顯著增加，這是因為當δ增加時，產生的數量增加，未發送的數據比例自然增加。無論δ如何變化，CD-TDMA未發送數據的概率都比傳統的TMDA要小，證明了CD-TDMA協議可以有效地利用協作提高網絡的吞吐量。

4 結論

本文提出的動態分配時隙的CD-TDMA算法，通過協作傳輸曾經傳輸失敗的數據包，提高了數據包的傳輸概率。仿真結果證明了CD-TDMA可以在不同的數據產生速率下，比傳統的TDMA協議有更高的數據傳輸速率。本文提出的CD-TDMA假設所有的節點都可以直接通信，在以后的工作中，需要研究在多跳通信的情況下，CD-TDMA協議的具體性能。

［1］LANEMAN JN，WORNELLGW，TSED NC.Cooperative diversity in wireless networks:efficient protocols and outage behavior［J］.IEEE Trans.Information Theory，2004，50(12):3062-3080.

［2］NOSRATINIA A，HUNTER TE，HEDAYAT A.Cooperative communication in wireless networks［J］.IEEE Communication Magazine，2004，42(10):74-80.

［3］王翠，唐加山.協作通信技術在惡劣信道條件下的應用研究［J］.電視技術，2013，37(13):101-104.

［4］SADEK A K，LIU K JR，EPHREMIDESA.Collaborativemultiple-access protocols for wireless networks［C］//Proc.IEEE ICC’06.Istanbul:IEEE Press，2006:4495-4500.

［5］JIAO H Z，LI F Y.A mini-slot-based cooperative MAC protocol for wireless mesh networks［C］//Proc.IEEE Global Communicaitons Workshops.Miami:IEEE Press，2010:89-93.

［6］YANG Zhuo，YAO Yudong，LIXiaochen，et al.A TDMA-based MAC protocol with cooperative diversity［J］.IEEE Comm.Letters，2010，14 (6):542-544.

［7］JIAN Z，KUHN M，WITTNEBEN A，et al.Cooperative transmission schemes for decode-and-forward relaying［C］//Proc.IEEE 18th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile radio Communications.Athens:IEEE Press，2007:1-5.

［8］LEE J K，LEE K M，LIM J S.Distributed dynamic slot assignment scheme for fastbroadcast transmission in tacticalad hoc networks［C］// Proc.IEEEMILCOM.Orlando:IEEE Press，2012:1-6.

［9］ GOLDSMITH A J.Wireless Communications［M］.New York:Cambridge University Press，2005.

Dynam ic Time Slot Assignment Algorithm of Cooperative Retransm ission

TIAN Yu1，SONG Xiao’ou2
(1.School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China; 2.Department of Information Engineering，Engineering University of CAPF，Xi’an 710086，China)

Cooperative communication is an efficient technique to reduce the outage probability of the data transmitted in fading channels，which can enhance transmission rate.However，cooperative communication consumes extra bandwidth in TDMA systems.It is not clear thatwhether cooperative communication can overcome the bad effectof itself to enhance the transmission rate.An ordering stage is added to the front of the TDMA frame for listening and dynamically assigning slots.If a node has no new data generated at the beginning of a frame，it has the obligation to transmit the failed packets of the other nodes cooperatively.The algorithm enhances the successful retransmission probability and the network throughput.The simulation result shows that the algorithm can enhance the network throughput efficiently in spite of consuming extra slots compared to traditional TDMA access protocol.

wireless network;TDMA;cooperation;dynamic slot assignment

TP393

A

?? 京

2014-04-22

【本文獻信息】田雨，宋曉鷗.協作重傳的動態TDMA時隙分配算法［J］.電視技術，2014，38(23).

國家自然科學基金項目(61309008)

田 雨(1985—)，博士生，主研無線自組織網絡和抗干擾通信;

宋曉鷗(1983—)，女，講師，博士，主研無線通信、數字信號處理。