基于鏈路自適應(yīng)的無線通信跨層協(xié)議優(yōu)化方法

趙艷玲

樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川樂山614000

基于鏈路自適應(yīng)的無線通信跨層協(xié)議優(yōu)化方法

趙艷玲

樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川樂山614000

為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)下層與層之間無法信息共享和非最優(yōu)化性能等問題，通過建立鏈路自適應(yīng)模型和跨層協(xié)議優(yōu)化策略，分析對比基于鏈路自適應(yīng)的跨層協(xié)議較傳統(tǒng)分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)性能。本文設(shè)計(jì)了一種無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于鏈路自適應(yīng)的跨層協(xié)議優(yōu)化方法。在OPENT Modeler中實(shí)現(xiàn)跨層協(xié)議模型并構(gòu)建仿真場景，完成了優(yōu)化方法的測試驗(yàn)證。結(jié)果表明：基于鏈路自適應(yīng)的跨層協(xié)議較傳統(tǒng)分層協(xié)議在平均帶寬利用率方面提高了11.6%；在傳輸延時(shí)方面，減少29.2%；在網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面，增加17.3%?？傊摲椒▋?yōu)于傳統(tǒng)的分層協(xié)議。

無線通信;跨層協(xié)議;鏈路自適應(yīng)

無線通信跨層設(shè)計(jì)概念自提出以來，便迅速引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注，并逐漸成為未來通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中的重要組成部分。許多專家學(xué)者對跨層協(xié)議做了比較深入的研究。明尼蘇達(dá)大學(xué)的Q.Liu等聯(lián)合考慮了物理層的AMC技術(shù)和數(shù)據(jù)鏈路層的ARQ（Automatic Repeat-Request，自動(dòng)重傳技術(shù)）技術(shù)，提出了跨層設(shè)計(jì)方法為啟發(fā)式方法。在該方法中，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層相結(jié)合，在滿足數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)質(zhì)量需求的前提下，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)編碼調(diào)制模式和最大重傳次數(shù)，使之在適應(yīng)多變的無線通信信道條件下，提高系統(tǒng)頻譜效率[1]。普林斯頓大學(xué)的M.Chiang對跨層算法歸納出一種基于優(yōu)化理論的跨層設(shè)計(jì)算法，其核心思想是將無線網(wǎng)絡(luò)按照分解的子問題進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，而各層之間通過價(jià)格因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而保證協(xié)議層次在相對獨(dú)立的前提下最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體性能[2]。Z．Ji等從博弈理論的角度概述了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜分配的關(guān)鍵問題及其可能解決的方案，并重點(diǎn)研究了網(wǎng)絡(luò)用戶行為、分布式頻譜資源管理，以及策略的最優(yōu)性等三方面問題，并取得了較好的效果[3]。王羅等提出一種基于跨層優(yōu)化的低延遲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，該協(xié)議采用了具有跨層優(yōu)化思想的自適應(yīng)偵聽機(jī)制。此自適應(yīng)偵聽機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)路徑信息來決定是否進(jìn)行自適應(yīng)偵聽。通過數(shù)值分析，基于跨層優(yōu)化的低延遲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議在保證能量有限性的同時(shí)降低了延遲[4]。魏異芬等提出一種基于路由信息的組通訊跨層優(yōu)化協(xié)議HCLP（Hierarchical Cross Layer Protocol）。該協(xié)議結(jié)合了節(jié)點(diǎn)能力和節(jié)點(diǎn)間距離兩個(gè)因素，從而構(gòu)建了由超級節(jié)點(diǎn)和普通葉子節(jié)點(diǎn)組成的應(yīng)用層覆蓋網(wǎng)。超級節(jié)點(diǎn)間采用Gossip機(jī)制，而超級節(jié)點(diǎn)與普通葉子節(jié)點(diǎn)之間則采用單播方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)周期性地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其仿真數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了HCLP的高可靠、低開銷性能[5]。D.Wu提出了一個(gè)QoS的鏈路層信道模型，即有效容量模型，在有效容量模型中，基于傳輸效率、延時(shí)限制、時(shí)延違約概率三元參數(shù)分析無線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量保證問題[6]。同時(shí)，X.Zhang等基于此理論分析了多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，提出了多種保證時(shí)延QoS的最優(yōu)功率分配策略[7]。劉洋等提出了一種基于空分復(fù)用的無線Ad Hoc信道接入?yún)f(xié)議，通過在競爭時(shí)隙交換節(jié)點(diǎn)間握手信息，使通信節(jié)點(diǎn)可以以空分復(fù)用的形式進(jìn)行并行傳輸。同時(shí)構(gòu)建跨層分析網(wǎng)絡(luò)性能分析模型，對此協(xié)議進(jìn)行分析。數(shù)學(xué)計(jì)算及仿真結(jié)果均表明，提出的跨層優(yōu)化協(xié)議能夠在不增加節(jié)點(diǎn)占用帶寬的前提下有效地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率[8]。梅素平等研究了多種用于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的能量控制算法，給出了跨層設(shè)計(jì)方法的定義，研究和討論了兩種典型的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)議設(shè)計(jì)方法。對Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中多種能量控制算法進(jìn)行了分類、描述、分析比較和評價(jià)，在此基礎(chǔ)上，指出了基于跨層設(shè)計(jì)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)能量控制算法存在的問題和進(jìn)一步的研究方向[9]。

本文在研究學(xué)習(xí)了相關(guān)的跨層協(xié)議的理論基礎(chǔ)上，針對無線通信網(wǎng)絡(luò)中有限帶寬的網(wǎng)絡(luò)資源利用率低等問題，設(shè)計(jì)了基于鏈路自適應(yīng)的跨層協(xié)議優(yōu)化算法，協(xié)調(diào)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，旨在提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和傳輸延時(shí)，并設(shè)計(jì)了基于OPENT Modeler的仿真場景，對提出的基于鏈路自適應(yīng)的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行測試驗(yàn)證。

1 基于鏈路自適應(yīng)的跨層協(xié)議優(yōu)化方法

1.1 鏈路自適應(yīng)技術(shù)

跨層自適應(yīng)技術(shù)可以使得傳輸方案的效率與實(shí)際信道狀態(tài)保持動(dòng)態(tài)匹配，其在保證一定傳輸質(zhì)量的前提下，最大限度地利用信道條件，提高頻帶利用率。

在時(shí)域，鏈路自適應(yīng)技術(shù)通常被稱為自適應(yīng)編碼調(diào)制（AMC,Adaptive Modulation and Coding），即對于給定的系統(tǒng)QoS要求，根據(jù)信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)制方式、編碼方式等時(shí)域參數(shù)。隨著多天線系統(tǒng)及正交頻分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用，鏈路自適應(yīng)與空間分集技術(shù)以及頻率分集技術(shù)結(jié)合，從一維擴(kuò)展到二維甚至多維，即動(dòng)態(tài)調(diào)整包括時(shí)域、頻域、空域在內(nèi)的各種傳輸參數(shù)以適應(yīng)無線信道的變化，為鏈路自適應(yīng)技術(shù)提供更加廣闊的發(fā)展空間。鏈路自適應(yīng)技術(shù)還涵蓋了自動(dòng)請求重傳技術(shù)ARQ（Automatic Repeat Request），尤其是將信道編碼和ARQ結(jié)合的混合ARQ技術(shù)（HARQ，Hybrid Automatic Repeat Request）。

1.2 鏈路自適應(yīng)模型構(gòu)建

在通信協(xié)議的物理層，有多個(gè)編碼調(diào)制模式（MCS，Modulation and Coding Scheme）可供選擇，鏈路自適應(yīng)模型如圖1所示。首先，接收端估計(jì)信道狀態(tài)信息，并通過反饋環(huán)路反饋給發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)接受到的信道狀態(tài)信息選擇下次傳輸?shù)木幋a調(diào)制模式，即自適應(yīng)編碼調(diào)制。在數(shù)據(jù)鏈路層，采用重傳ARQ協(xié)議進(jìn)行重傳，當(dāng)接收端檢測到錯(cuò)誤包時(shí)，通過反饋信道發(fā)送重傳請求。

圖1 鏈路自適應(yīng)跨層協(xié)議模型Fig.2 The model of cross-layer protocol based on link adaptation

采用通用的Nakagami-m信道模型來描述瞬間信噪比γ，其概率密度函數(shù)為：

由于在物理層采用自適應(yīng)的編碼調(diào)制技術(shù)，首先將信噪比劃分為N+1個(gè)區(qū)間，為編碼方式的種類，區(qū)間門限值為γn，n=0,1,2,…N，當(dāng)γn≤γ＜γn+1時(shí)(γ0=0,γN+1=+∞，選擇編碼方式MCS-n作為發(fā)送下幀時(shí)采用的編碼調(diào)制模式。首先需要確定信噪比的門限值，可采用誤包率準(zhǔn)則，若信道編碼采用卷積碼，其誤包率與信噪比的關(guān)系為：

在數(shù)據(jù)鏈路層采用選擇重傳HARQ機(jī)制，設(shè)定最大重傳次數(shù)為Nr，那么對于給定的鏈路層誤包率PERlink，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換為物理層誤包率為Ptarget：

根據(jù)給定的Ptarget，由下式計(jì)算門限值。

衡量系統(tǒng)優(yōu)越性的重要指標(biāo)之一是平均頻帶利用率，下面分析、驗(yàn)證基于鏈路自適應(yīng)的跨層協(xié)議在平均頻帶利用率方面的性能。

假設(shè)發(fā)送原始包與發(fā)送重傳包時(shí)的信道衰落系數(shù)是相互獨(dú)立的。N個(gè)傳輸模式中采用傳輸模式n的概率為：

在物理層，采用自適應(yīng)編碼調(diào)制之后系統(tǒng)的平均誤包率為：

假設(shè)總共有5種編碼方式，而且各種概率模式都按缺省值計(jì)算，通過計(jì)算分析，采用鏈路自適應(yīng)技術(shù)與正常分層技術(shù)的頻帶利用率隨信噪比關(guān)系圖2所示。從圖2可以看出，采用鏈路自適應(yīng)技術(shù)后，無線通信系統(tǒng)具有較高的頻帶利用率，而且，隨著信噪比的增大，頻帶利用率增加，這種趨勢是必然的。從仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)，頻帶利用率增幅較傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)在11.6%左右，這從數(shù)學(xué)模型方面對鏈路自適應(yīng)跨層理論的實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)和支持。

圖2 基于鏈路自適應(yīng)的跨層協(xié)議平均頻帶利用率結(jié)果Fig.2Average band utilization results of cross-layer protocol based on link adaptation

1.3 跨層協(xié)議優(yōu)化方法描述

由于無線通信系統(tǒng)能夠容忍的延時(shí)是有限的，因此必須限制信息數(shù)據(jù)包的最大傳輸次數(shù)Nr，另一方面，在數(shù)據(jù)鏈路層預(yù)先設(shè)置系統(tǒng)容許的誤包率Ptarget。在本優(yōu)化方法中，設(shè)置Ptarget=0.01，Nr=1,2,3,4。本文設(shè)計(jì)同時(shí)滿足數(shù)據(jù)鏈路層的誤包率和最大傳輸次數(shù)要求的自適應(yīng)編碼調(diào)制和混合自動(dòng)請求重傳方案。具體步驟如下：

Step 1：使用Type-I HARQ技術(shù)。當(dāng)接收到的信息數(shù)據(jù)包發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，接收方采用信道解碼來糾正錯(cuò)誤信息。如果數(shù)據(jù)包包含的錯(cuò)誤圖樣在信道編碼的糾錯(cuò)能力范圍之內(nèi)，存在錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包能夠被正確譯碼，然后將正確譯碼后的信息傳遞給上層協(xié)議；如果存在的錯(cuò)誤超出了信道編碼可接受的糾錯(cuò)范圍，則譯碼失敗。接收方丟棄該數(shù)據(jù)包，并向發(fā)送方發(fā)出重傳請求，直至數(shù)據(jù)信息包被正確譯碼，或者重傳請求已經(jīng)達(dá)到最大允許的重傳次數(shù)。

Step 2：通過仿真得到Type-I HARQ物理層的誤包率曲線，然后使用（2）式擬合物理層實(shí)際誤差曲線。式中，n是用于表示不同自適應(yīng)編碼調(diào)制模式的模式標(biāo)號，γ是信噪比，而且an，gn和γpn依賴于不同的自適應(yīng)編碼調(diào)制方式，但此方法只適用于擬合卷積碼編碼的信息數(shù)據(jù)包的誤包率曲線。

Step 3：傳輸處理過程。1064比特的信息加上16 bits的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼之后，經(jīng)過1/2碼率的卷積碼進(jìn)行信道編碼操作，生成2160 bits的信道編碼信息。然后根據(jù)目前的信道狀況選擇合適的自適應(yīng)編碼調(diào)制方案。Type-I HARQ調(diào)制方案如表1所示。信道編碼信息通過刪除矩陣剔除冗余信息之后，生成碼率為1/2，3/4，9/16的信道編碼比特，經(jīng)過調(diào)制后送入無線信道。如果接收端譯碼失敗，則啟動(dòng)重傳機(jī)制。

表1 Type-I HARQ調(diào)制模式及誤包率曲線參數(shù)Table 1 Modulation mode and packet error rate curve parameters of Type-I HARQ

2 仿真實(shí)現(xiàn)及分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于鏈路自適應(yīng)的無線通信跨層協(xié)議優(yōu)化方法在無線移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用效果，在OPENT Modeler中完成跨層協(xié)議模型的修改和仿真場景的構(gòu)建，對比與傳統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)下的通信性能區(qū)別，驗(yàn)證跨層協(xié)議的可行性。

2.1 模型實(shí)現(xiàn)及仿真環(huán)境的搭建

OPNET Modeler的建模思路是以事件調(diào)度為基礎(chǔ)，結(jié)合進(jìn)程交互以便于處理，其既保留了事件調(diào)度的事件列表、時(shí)間推進(jìn)方式，又保留了進(jìn)程概念與實(shí)際系統(tǒng)最接近的部分，即進(jìn)程是成分的活動(dòng)、事件按實(shí)踐先后順序的組合，使得通信建模在OPNET Modeler中得以實(shí)現(xiàn)[10,11]。

本文提出的跨層自適應(yīng)模型是在OPNET Modeler軟件提供的MANET（Mobile Ad Hoc Network）節(jié)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上完成的，其節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示?？鐚訁f(xié)議主要修改位于MAC層的自動(dòng)請求重傳功能和位于物理層的自適應(yīng)編碼調(diào)制功能，使兩層的信息形成反饋回路，完成自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

構(gòu)建一個(gè)1000 m2范圍的仿真場景，如圖4，擁有若干無線通信節(jié)點(diǎn)，根據(jù)表2設(shè)置參數(shù)進(jìn)行兩次仿真過程，分別采用跨層協(xié)議和傳統(tǒng)通信模型，然后統(tǒng)計(jì)吞吐量及傳輸延時(shí)等網(wǎng)絡(luò)性能，用于后續(xù)分析驗(yàn)證。

圖3 無線跨層協(xié)議實(shí)現(xiàn)模型Fig.3 Wireless cross-layer protocol implementation model

圖4 跨層協(xié)議仿真場景Fig.4 Simulation scene of cross-layer protocol

表2 仿真參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation parameter sets

2.2 跨層優(yōu)化方法的測試驗(yàn)證

傳輸延時(shí)和丟包率是反映網(wǎng)絡(luò)狀況的最基本的指標(biāo)。傳輸延時(shí)決定了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性，定義為信息包接收與發(fā)送之間的時(shí)間差；而吞吐量決定了網(wǎng)絡(luò)所完成通信任務(wù)的效率，定義為單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)成功接收的數(shù)據(jù)量大小。在完成了上述的仿真過程后，論文統(tǒng)計(jì)了10 min內(nèi)的傳輸延時(shí)和吞吐量，分別如圖5和圖6中顯示。

圖5 傳輸延時(shí)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of transmission delay

圖6 網(wǎng)絡(luò)吞吐量仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of network throughput

從上述結(jié)果可以看出，基于鏈路自適應(yīng)的跨層優(yōu)化協(xié)議在傳輸延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面，較傳統(tǒng)的分層協(xié)議都有所改善。傳輸延時(shí)減少了29.2%，網(wǎng)絡(luò)吞吐量增加了17.3%。網(wǎng)絡(luò)性能改善的根本原因是，無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁堵時(shí)或者通信需求較大時(shí)，基于鏈路自適應(yīng)的跨層優(yōu)化協(xié)議會(huì)根據(jù)當(dāng)前重傳次數(shù)自適應(yīng)的調(diào)整物理層編碼，加快了網(wǎng)絡(luò)正確譯碼的概率；參與通信的節(jié)點(diǎn)正確的估計(jì)了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，通過合適的編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送也減少了信息的重傳次數(shù)，使誤包率和網(wǎng)絡(luò)的平均頻帶利用率效果有所提升，從而使無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能得到改善。

3 結(jié)論

本文通過分析傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及弊端，學(xué)習(xí)相關(guān)跨層理論，設(shè)計(jì)了一種基于鏈路自適應(yīng)的無線通信跨層協(xié)議優(yōu)化方法，該方法主要應(yīng)用在物理層及數(shù)據(jù)鏈路層。通過結(jié)合物理層的自適應(yīng)編碼技術(shù)和數(shù)據(jù)鏈路層的混合自動(dòng)重傳技術(shù)，使分層的協(xié)議通過多層間的反饋而形成跨層協(xié)議體系。通過構(gòu)建鏈路自適應(yīng)跨層協(xié)議模型，同時(shí)計(jì)算驗(yàn)證其平均頻帶利用率，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)相比，其平均頻帶利用率相對有所提高。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的跨層協(xié)議在無線通信系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用效果，作者在OPENT Modeler中設(shè)計(jì)了具有若干無線通信節(jié)點(diǎn)的仿真場景，經(jīng)過測試，基于鏈路自適應(yīng)的無線通信跨層協(xié)議優(yōu)化方法在吞吐量和傳輸延時(shí)方面等網(wǎng)絡(luò)性能都有所提高，也驗(yàn)證了該優(yōu)化協(xié)議的可行性。

本論文也為存在一定的不足，例如，此跨層協(xié)議優(yōu)化方法只適用于網(wǎng)絡(luò)狀況起伏變化不明顯的情況，自適應(yīng)程度有所局限等。同時(shí)，作者也會(huì)在今后的研究工作中，學(xué)習(xí)研究更加準(zhǔn)確且具有應(yīng)用價(jià)值的無線網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)議優(yōu)化方法，為解決無線網(wǎng)絡(luò)擁堵等問題貢獻(xiàn)更多的科研成果。

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OptimizationMethodforCross-layerProtocolofWireless Network Based on LinkAdaptation

ZHAO Yan-ling
Leshan Vocational&Technical College,Leshan 614000,China

In order to solve the problem of the information non-sharing and the non-optimization performance among layers in the traditional hierarchical network structure,this paper designed a cross-layer protocol optimization method in wireless network environment based on link adaptation by way of establishing the link adaptation model and cross-layer protocol optimization strategy,analyzing and contrasting the performance between the cross-layer protocol based on link adaptation and the traditional hierarchical network structure.This method was realized in OPENT Modeler,built and validated in the simulative scene.The results showed that the average band utilization of cross-layer optimization method based on link adaptation was improved by 11.6%compared to traditional network hierarchical structure.In the aspect of time delay, transmission delay of cross-layer optimization method based on link adaptation was reduced by 29.2%,the proposed cross-layer method improves network throughput by 17.3%.In a word,the method of cross-layer optimization was better than the traditional one.

Wireless network;cross-layer protocol;link adaptation

O233

A

1000-2324(2015)03-0434-06

2014-04-12

2014-04-18

樂山市科技局自然科學(xué)項(xiàng)目資助(14GZD232)

趙艷玲(1971-),女,四川巴中人,碩士,副教授.研究方向:計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化控制等.E-mail:waterjie_050@163.com