基于功率分配與中繼選擇聯合優化的協作MAC

喻 超，芮雄麗，曹雪虹

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京工程學院 通信工程學院，江蘇 南京 211167)

基于功率分配與中繼選擇聯合優化的協作MAC

喻 超1，芮雄麗2，曹雪虹2

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京工程學院 通信工程學院，江蘇 南京 211167)

針對傳統中繼選擇算法中信道條件利用不足及等功率分配資源利用率低等問題，在解碼轉發協作無線傳感器網絡中，提出基于信道狀態的中繼選擇與功率分配算法，以達到最小化系統發射功率的目標。在最大發射功率、平均誤比特率及最大信道信噪比限制下，對候選中繼節點進行最優功率分配，并根據傳輸距離和對應的能量消耗完成中繼選擇。以生命周期為主要性能指標對OcoopMAC(Optimal wireless sensor network cooperative MAC)和現有的MAC協議進行仿真和比較，給出了聯合優化下的協作MAC協議流程，有效提高了系統的資源分配。仿真結果表明，該功率分配方案和中繼選擇策略在提高系統網絡生命周期方面比現有算法有顯著提高。

協作通信；MAC協議；功率分配；中繼選擇；生命周期

1 概 述

協作通信通過節點間的協作獲得很好的空間分集，引起了廣泛關注。通過無線信道的傳播，使目標節點接收的信號功率更強、更穩定，進而提升系統性能，使通信的傳播范圍更廣。無線傳感器網絡由許多個傳感器節點組成。由于地理位置及環境等因素的影響，節點能源的更換與續充非常困難，且節點受大小、功率和硬件復雜度的約束，這為協作通信和無線傳感器網絡的結合提供了可能。在保證端到端傳輸的通信質量要求下，協作通信比傳統通信有明顯的節能效果。因此，結合使用協作通信技術，可以減少無線傳感網絡的傳輸能耗[1]，從而延長網絡生命周期。

研究表明，協作通信中通過合理選擇中繼節點、分配中繼節點功率，能降低傳輸能耗，提高系統性能。文獻[2]提出基于放大轉發下的中繼分配方案，在收發端信噪比限制下使中繼節點功率達到最小化。文獻[3]提出一種節省能量的中繼分配方案，該方案利用時隙的信道狀態和所剩余的能量選擇出性能最優的中繼節點，使功耗最小及網絡生命周期更長。文獻[4]提出一種單個中繼節點的分配方案和中繼節點的功率分配，選出總發送功率最小的節點作為最好的中繼節點。文獻[5]提出一種無線傳感網中單中繼選擇算法，該算法基于MAC層RTS-CTS信號的功率控制。Liu Pei等[6]提出基于無線局域網的Coop-MAC，性能優于802.11b，但存在節點需要數據發送請求的限制。文獻[7]提出由競爭成為中繼節點時發送節點控制幀，但會產生接收端的碰撞。文獻[8]提出不同的退避時隙，但功率資源利用率不高。文獻[9]提出基于能效分析和功率分配的協作MAC協議，但沒有對中繼節點選擇進行研究。文獻[10]提出無線傳感網中的能效傳輸方案，缺少對中繼的協作。文獻[11]提出在無線傳感網下的協作傳輸，但功率分配方案沒有進一步優化。文獻[12]是多節點對多節點的傳輸方案，存在能耗較大的問題。文獻[13]提出基于距離選擇中繼的方案，但缺少對功率分配的優化。文獻[14]提出無線通信中基于能效的中繼選擇，在功率分配方面需進一步的分析和優化。

在無線傳感器網絡中，文中采用解碼轉發的協作通信方式，以最小化系統發射功率為目標，在滿足最大發射功率限制和平均誤比特率限制及最大信道信噪比限制下，對候選中繼節點進行功率分配，并由源節點根據源節點到候選中繼節點的傳輸距離和對應的能量消耗完成中繼選擇，從而減少能量損耗，延長網絡生命周期。

2 系統模型

協作通信模型如圖1所示。

圖1 協作通信模型

該模型由1個源節點、N個候選中繼節點和1個目的節點組成，分別記為S，Ri和D，其中i=0，1,…,N。協作方式采用解碼轉發協議。假設S與Ri之間和Ri與D之間的信道為相互獨立的瑞利衰落信道，所有信道鏈路的噪聲是均值為零的獨立加性高斯白噪聲，功率為N0。傳輸過程主要分為兩個階段:

第1階段:源節點S發送信號x，中繼Ri接收到的信號ysri為:

(1)

目的節點的接收信號ysd為：

(2)

第2階段:中繼節點Ri向目的節點轉發信息。目的節點接收到的信號yrid為:

(3)

信道的方差σ2為

σ2=ην-β

(4)

其中，ν為兩個節點之間的距離；β為傳輸損耗因子；η為由傳播環境決定的常量。

其中，yd表示目的節點收到的信號。

3 功率分配與中繼選擇

3.1 功率分配

傳統傳輸采用等功率分配的方案沒有考慮系統信道狀況的變化，不能對功率資源進行有效利用。因此，文中以最小化系統發射功率為目標，在滿足最大發射功率限制和平均誤比特率限制及最大信道信噪比限制下，對候選中繼節點進行功率分配，從而提升整個系統的性能。

(7)

min:Pf

s.t.P∈Φ

(9)

化簡為：

(10)

可把該式分為兩部分：

(11)

功率分配算法如下：

初始化:設置t=0。

步驟如下：

(1)中繼i選擇自己的初始非負值λi，并將λi及中繼節點i的接收功率Pr,i傳給源節點。

(3)令t=t+1，回到步驟2直到滿足限制條件Φ。

輸出:中繼i的最優Pi。

3.2 中繼選擇

在系統功率分配結束之后，源節點根據源節點-候選中繼節點距離與源節點-目的節點直傳距離比及其對應的能量損耗與剩余能量比的最小乘積值，選擇出最優的中繼節點。

文中的中繼選擇算法如下:

輸入:節點i剩余能量Qres,i、源節點發射功率P0、候選中繼i的接收功率Pr,i、中繼i的功率Pi、數據包長度L、源到目的直傳距離ddir、傳輸數據速率a、常數c、路徑衰耗因子β。

步驟如下：

(1)計算源節點到中繼節點i的距離di:

(2)計算能量消耗:

qi=Pi8L/a+P08L/a

(3)分別計算Qi和τi:

Qi=qi/Qres,i

τi=di/ddir

(4)計算φi的值:

φi=Qi×τi

輸出:minφi

4 協議流程

(1)源節點有數據要發送時，對信道監聽，等待信道空閑后持續DIFS，發出RTS信號。

(2)目的節點正確解碼出RTS信號，則返回CTS信號。源節點收到CTS信號后等待中繼節點的HTS信號，HTS幀格式如圖2(a)所示。在不同的時隙slots內，候選中繼節點將包含自身剩余能量、接收功率Pr,i及λi的HTS信號傳給源節點，若源節點在兩個時隙內仍未收到HTS信號，則進行非協作傳輸。若源節點收到HTS信號，則根據最優功率分配算法，在滿足Φ條件下進行功率分配，得出源節點和候選中繼節點的功率。

圖2 幀格式

(3)功率分配結束后，源節點根據收到的HTS信號，利用Pr,i和Pi分別得出源到候選中繼的傳輸距離d和能量消耗qi，由中繼選擇算法選出使φi最小的最優中繼。

(4)源節點在等待SIFS后，向最優中繼發送RTH(RequestToHelp)信號，RTH幀格式如圖2(b)所示。RTH中攜帶有最優中繼的發射功率，源發送數據。沒有被選中的中繼進入休眠狀態。

(5)目的節點接收到數據包，則向源節點反饋ACK信號。若源節點在發送數據后的SIFS間隔內沒有收到ACK信號，表明傳輸失敗，重新進入信道監聽，準備重新發送RTS。

(6)源節點收到ACK信號后，此次傳輸過程結束。當網絡中所有節點的信道狀態和剩余能量都小于數據傳輸所需要的損耗時，整個傳感器網絡的生命周期結束。源節點、中繼節點和目的節點的時序圖如圖3所示。

圖3 協作傳輸下的MAC時序

5 仿真結果分析

在所有的仿真中，采用BPSK調制。假定目的節點在圓中心位置，其他節點在半徑為50m的圓形區域內隨機地均勻分布。傳輸損失因子α=2，η=1，每個節點起始具有的能量Einit=1 J，發送一個數據包的電路損耗能量Ec=0.01 J，中繼節點對數據信號進行處理消耗的能量Ep=0.005 J，N0=-40dBm，Pimax為0.2W，報文長度為8 192bits，數據速率為1Mbit/s，最大平均誤比特率為ε=10-3，信道中允許的最大信噪比SNRmax=6dB。其中，與MAC和能耗相關的參數引用文獻[11-12]。網絡的生命周期定義為網絡從節點的傳輸過程開始到網絡中所有節點的信道狀態和剩余能量均不足以支持數據傳輸產生的損耗時的周期。文中無線傳感網的網絡生命周期通過傳輸過程結束后目的節點所收到的數據包數目來衡量。

OcoopMAC協議和非協作方式在不同數據包長度下的生命周期比較如圖4所示，節點個數為50，在數據包為1kb時，OcoopMAC協議的網絡生命周期和非協作方式接近。采用協作方式時，由于中繼數目的增加，電路消耗增加，數據包長度也隨之增加，當進行中繼傳輸節省的能量大于電路損耗能量時，OcoopMAC協議比非協作方式性能好。

無線傳感網中不同MAC協議下的網絡生命周期的比較如圖4所示，最優信道MAC源節點分布隨機，中繼通過信道最優來選擇。最大剩余能量MAC源節點分布隨機，中繼通過最大剩余能量來選擇。非協作方式性能最差，最優信道MAC和最大剩余能量MAC性能接近，OcoopMAC協議性能優于WcoopMAC[11]。可以看出,提出的OcoopMAC協議的性能更好，文中算法在滿足最大發射功率限制和平均誤比特率限制及最大信道信噪比限制下，對候選中繼節點進行功率分配并充分利用了源節點到候選中繼節點的傳輸距離和對應的能量消耗，選出最優中繼進行協作傳輸，有效地延長了網絡的生命周期。當節點數目越多，可以選擇的中繼節點越多，所選出的最優中繼性能越好，網絡生命周期越長。

圖4 OcoopMAC協議和非協作方式及不同

不同MAC協議在不同平均誤比特率下的網絡生命周期比較見圖5，最優信道MAC和最大剩余能量MAC性能相近，OcoopMAC性能優于WcoopMAC。當平均誤比特比大于10-2.1時，OcoopMAC在滿足最大發射功率限制和平均誤比特率限制及最大信道信噪比限制下，通過協作所節省的能量小于因增加中繼節點而產生的電路損耗，生命周期比非協作方式的生命周期短。不同MAC協議的平均剩余能量的比較見圖5，平均剩余能量為傳輸過程結束后整個網絡的剩余能量。最優信道MAC和最大剩余能量MAC的平均剩余能量接近，OcoopMAC的平均剩余能量少于WcoopMAC，可以看出OcoopMAC在減少網絡平均剩余能量方面更有效。

圖5 不同MAC協議在不同平均誤比特率下的網絡生命周期及平均剩余能量的比較

6 結束語

文中主要研究了解碼轉發協作系統中最優功率分配和中繼選擇策略。在解碼轉發協作無線傳感器網絡中，提出基于信道狀態的中繼選擇與功率分配算法的協作MAC，以達到最小化系統發射功率的目標。指出在滿足最大發射功率限制和平均誤比特率限制及最大信道信噪比限制下，對候選中繼進行功率分配，源節點通過源到候選中繼的傳輸距離和對應的能量消耗完成中繼選擇。給出了聯合優化下的協作MAC協議流程，有效提高了系統的資源分配。仿真結果表明，該功率分配方案和中繼選擇策略在提高系統網絡生命周期方面比現有算法有顯著提高。

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A Cooperative MAC Based on Joint Optimization of Power Allocation and Relay Selection

YU Chao1,RUI Xiong-li2,CAO Xue-hong2

(1.College of Telecommunications and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China; 2.College of Communication Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

As the under-utilization channel condition and low power allocation resource utilization of traditional relay selection algorithm,a relay selection and power allocation algorithm based on the channel state information is proposed to minimize the transmission power for Decode-and-Forward (DF) cooperative wireless sensor networks.Power is optimally allocated to source and relay nodes with the objective of minimizing the total transmission power under the limit of maximum transmitted power,the average bit error rate and maximum channel Signal-to-Noise Ratio (SNR),and relay is selected according to the transmission distance and the corresponding energy consumption.The simulation and comparison between OcoopMAC (Optimal wireless sensor network cooperative MAC) and existing MAC protocol are made by using the lifetime as the key performance indicators.Results verify that OcoopMAC significantly improves network performance.

cooperative communication;MAC protocol;power allocation;relay selection;lifetime

2016-01-06

2016-05-10

時間：2016-09-19

江蘇省普通高校研究生科研創新計劃基金項目(CXZZ12_0475)

喻 超(1994-)，男，碩士，研究方向為無線通信中的智能信號處理；曹雪虹，博士生導師，研究方向為無線通信中的智能信號處理。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0842.042.html

TP31

A

1673-629X(2016)10-0006-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.002