一种基于消息缓存的多跳协作机制*

张正华，刘占军

(1 国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广州 510530； 2 重庆邮电大学， 重庆 400065)

一种基于消息缓存的多跳协作机制*

张正华1，刘占军2

(1 国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广州 510530； 2 重庆邮电大学， 重庆 400065)

提出一种基于消息缓存的多跳协作机制(ICC机制)，该机制不需要依靠准确的网络状态信息和复杂的协作节点选择算法，而是通过利用RTS/CTS交互消息获得相隔两跳的节点MAC地址，并在数据帧中添加下两跳的节点MAC地址，使得相隔两跳的节点可靠的接收到节点发送的信号，并对接收到的信号进行合并，从而获得分集为2的增益。

网络状态信息；多跳；协作；MAC地址

协作通信技术是一种虚拟MIMO技术[1]，它为MIMO技术在移动终端的应用提供了一种解决方式。而现有的研究主要针对的是单跳中继协作[2]，多跳协作在无线网络中具有较高的应用前景。因此多跳协作通信技术近年来逐渐成为通信网络领域的研究热点之一。

在现有的协作通信技术中[3～9]，主要包括以下步骤：获取无线链路的网络状态信息NSI，其中NSI包括信道状态信息、业务负载、邻居节点的拥塞等；依靠获取的网络状态信息选择合适/最佳的协作节点；协作节点将接收到源节点发送的数据转发到目的节点。而在上述协作通信实现的步骤中，需要涉及获取网络状态信息和选择协作节点的过程，因此现有协作通信往往会存在以下缺陷：无线网络信道状态瞬时、无规律的变化，使得网络状态信息很难在网络中获得；网络中的节点需要引进额外开销来交换HTS消息；协作节点的选择依靠复杂的协作节点选择算法，因此增加协作通信的复杂度。

针对上述缺陷，提出一种基于消息缓存的多跳协作机制（based on Information Cache with multi-hop Cooperation mechanism for wireless networks，ICC），该机制不需要依靠准确的网络状态信息和复杂的协作节点选择算法，而是通过利用RTS/CTS交互消息获得相隔两跳的节点MAC地址，并在数据帧中添加下两跳的节点MAC地址，使得相隔两跳的节点可靠的接收到节点发送的信号，并对接收到的信号进行合并，从而获得分集为2的增益，从而有效地提高了系统的交付率，增大系统中的端到端的平均吞吐量。

1 ICC机制

ICC机制的基本思想是利用无线多跳网络中的广播特性，多跳路径上的后续节点可靠并缓存接收到的相隔两跳的节点发送的信号，后续节点接收前一节点发送的信号后，将接收到的信号的数据进行合并，并利用合并后的信号恢复出原信号，以此获取分集为2的增益。

1.1 获取MAC地址的机制方法

在无线网络中，由于节点ni与节点ni+2之间相隔两跳，正常情况下节点ni中没有节点ni+2的MAC地址。而在ICC机制，本文将充分利用MAC层中的RTS/ CTS的特性，设计一种方法使得节点能够获知相隔两跳的节点MAC地址（如节点ni能够获得节点ni+2的MAC地址），以便源节点和中间节点需要获知相隔两跳的节点MAC地址，用于在数据帧中添加下两跳的节点MAC地址，从而保证相隔两跳的节点能够可靠的接收到节点发送的信号。在ICC机制中，为了获取相隔两跳的节点MAC地址，本文对IEEE802.11MAC层中的RTS/CTS帧进行相应的修改，修改后的帧格式如表1和表2所示。

表1 带有daddr的RTS帧格式

表2 带有maddr的CTS帧格式

如图1所示，节点ni将在交互RTS/CTS消息时获得节点ni的MAC地址，具体步骤包括如下。

（1）当节点ni接收到节点ni-1发送的数据帧后，节点ni从数据帧中提取数据部分（pt），并将pt传递到网络层，此时，节点ni中的MAC层需要向pkt的目的地址（destination address，dadd）发送请求；

（2）节点ni将dadd加入RTS帧中，并将RTS帧发送到节点ni+1；

（3）节点ni+1接收到RTS帧后，从RTS帧中提取dadd，并在路由表中获得dadd的下一跳地址（next hop address，nadd）；

（4）根据地址解析协议（Address Resolve Protocol，ARP）表，节点ni+1可以获得nadd相对应的MAC地址madd；在获取madd后，节点ni+1将节点ni+2的madd封装在CTS帧中，并发送到节点ni；

（5）最后，节点ni接收到节点ni+1发送的CTS帧，并从中提取madd， 即为图1中的节点ni+2的MAC地址，其中nadd是节点ni+2的网络层地址，即IP地址。通过上述步骤，节点ni通过交互RTS/CTS消息时获得节点ni+2的MAC地址。

1.2 ICC机制的具体实现步骤

图2所示的网络拓扑图阐述了ICC机制的具体实现步骤，其中，源节点发送信号到目的节点的多跳路径为{n1，n2，…ni，…nk}，节点n1为源节点，节点nk为目的节点。

在ICC机制中，其具体实现步骤如下：

步骤1：若源节点n1处有数据需要发送到目的节点nk，源节点在MAC层上将分组进行封装，封装后的MAC帧头部包括节点n2的MAC地址和节点n3的MAC地址。封装完毕后，节点n1将数据帧发送出去。

图1 节点ni获得节点ni+2的MAC地址的具体过程

图2 多跳协作路径

步骤2： 对于中间节点ni（2≤i≤k-1）， 当时，若节点ni接收到节点ni-1发送的数据帧，则将节点ni+1的MAC地址和节点ni+2的MAC地址封装在数据帧中，并转发到下一个节点ni+1。

当3≤i≤k-1时，节点ni侦听节点ni-2发送信号的过程，并尝试着恢复出数据帧的头部。若数据帧的头部能够正确恢复出来，并且MAC头部中包含节点ni的MAC地址，则节点ni继续接收节点ni-2发送的数据，接收完毕后缓存数据帧数据部分（pdi-2）。当节点ni-1发送信号完毕后，节点ni接收到另一个数据帧数据部分（pdi-1）。此时，节点ni利用MRC方案合并pdi-2和pdi-1，并利用合并后的信号恢复出数据帧数据部分，以获得准确的数据帧数据部分。

当i=k-1时，节点ni将恢复出的数据帧数据部分填充在帧中，并将节点nk的MAC地址封装在数据帧中，封装完毕后将数据帧转发到目的节点nk。

当3≤i≤k-2时，节点ni将恢复出的数据帧数据部分填充在帧中，并将节点ni+1的MAC地址和节点ni+2的MAC地址封装在数据帧中，封装完毕后，将数据帧转发到下一个节点ni+1。

步骤3： 当节点nk-1将数据帧发送完毕后，目的节点nk利用最大比合并（MRC）方案合并来自节点nk-1和节点nk-2发送的信号，并利用合并后的信号恢复出原数据，再将恢复后的数据帧数据部分传递到网络层。通过上述步骤，多跳路径R上节点ni（3≤i≤k）采用MRC方案合并节点ni-1发送的信号以及节点ni-2发送的信号，以此获得分集增益。在步骤2中，节点ni（1≤i≤k-2）发送数据时，节点ni通过在数据帧头部中封装节点ni+2的MAC地址，使得处在发送路径R上的节点ni+2能够侦听到节点ni发送的信号。

如图3所示，节点ni在获取节点ni+2的MAC地址的过程中，在MAC层中需要RTS帧的目的节点网络地址进行封装，因此所提的ICC机制是跨层的。相对现有的协作机制，本文所提的ICC机制不需要增加新的控制帧，仅需要在RTS帧和CTS帧中分别增加长度为4 Octets的dadd和6 Octets的madd，因此ICC机制在协作过程所引进的开销是非常小。

2 性能仿真

本文在网络模拟软件NS2.28上搭建好仿真所需要的平台，对所提的ICC机制进行性能评估，并与现有的多跳非协作机制（multi-hop None-Cooperation Mechanism， NCM）比较，分析评估ICC机制的交付率（PDR）和端到端的平均吞吐量(AET)性能。在NCM机制中，源节点通过逐跳的方式将数据分组传输到目的节点，在中间节点处以及目的节点处均不存在协作。尽管在无线多跳网络中的协作已有一些研究成果[4，9]，但这些协作机制的实现依靠于准确的信道状态信息，复杂的协作节点选择，以及协作所需的开销很高。因此，本文所提的ICC机制将不与现有的多跳协作方法进行比较，仅通过与NCM机制比较，验证ICC机制通过简单易实现的“多跳缓存”能够有效地改善无线多跳网络的系统性能。

在仿真中，源节点不断地向目的节点发送数据分组，发送的信号未进行信道编码，调制方式采用BPSK调制。在仿真中，网络中的所有节点随机分布在400×400 m网络中，网络中的节点通信距离设置150 m，仿真中所使用的主要仿真参数如表3所示。

表3 仿真参数

图3 比特信噪比γb固定，网络中的节点数目N变化

在给定的网络拓扑中，随机的选取一对节点作为源节点和目的节点，并讨论不同的网络场景参数（如网络节点数目N，比特信噪比γb）对ICC机制的性能影响，并与现有的NCM机制相比较，评估所提的ICC机制在随机拓扑下的系统性能。仿真图中的仿真数据是80次仿真结果的平均值。当比特信噪比γb固定，网络中节点数目N变化，并比特信噪比γb分别固定为8.5 dB、9.5 dB和10.5 dB，在400×400 m网络中随机分布的节点数目N分别为20、40、60、80和90。

如图3所示，当比特信噪比γb固定时，随着网络中的节点数目N增加，ICC机制和NCM机制的PDR和AET也随着增大。这是由于随着网络中的节点数目增加，节点之间邻居特性也变好，在源节点到目的节点之间可以建立更好的传输路径。从图3中可知，由于ICC机制在多跳路径上进行协作而产生了分集增益，使得ICC机制的PDR和AET明显优于NCM机制的。其中，如图3（b）所示，当网络中的节点数目N为60时，误比特信噪比γb为8.5 dB和9.5 dB，ICC机制的AET相对NCM机制的分别提高了25.19%和8.16%。

从以上仿真分析可以看出，无论无线多跳网络的参数如何改变，ICC机制的交付率（PDR）和端到端的平均吞吐量(AET)性能都优于NCM机制。

3 结论

现有协作机制大多数是基于协作节点的选取，而协作节点的选取过度依赖于网络状态信息，实际的无线网络状态是瞬间变化的，以致节点很难获得准确的网络状态信息；并在选取协作节点时需要执行复杂的协作节点选择算法，进一步增加协作机制的复杂度。

为了克服这些缺点，本文提出了一种基于消息缓存的多跳协作机制，该机制不需要依靠准确的网络状态信息和复杂的协作节点选择算法，而是通过利用RTS/ CTS交互消息获得相隔两跳的节点MAC地址，并在数据帧中添加下两跳的节点MAC地址，使得相隔两跳的节点可靠的接收到节点发送的信号，并对接收到的信号进行合并，从而获得分集为2的增益。

为了验证该方法的性能，在NS2.28仿真平台上进行仿真分析，仿真结果显示，ICC机制的交付率（PDR）端到端的平均吞吐量(AET)性能都优于NCM机制，这表明所设计的机制，能够有效的适应无线网络动态拓扑变化，从而提高网络的性能。

本文所提的基于消息缓存的多跳协作机制是对IEEE802.11MAC层中的RTS/CTS帧进行相应的修改，未增加新的控制帧，与现有的IEEE802.11MAC兼容，具有较广的应用范围。

参考文献

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[8] 宁波大学． 多用户协作中继系统中基于功率最小化的资源分配方法： 中国， 103491634[P]． 2014-01-01．

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News

中国移动载波聚合试验效果明显：下行峰值速率超220 Mbit/s it/s

日前，在2014新一代宽带无线移动通信发展论坛上，中国移动通信研究院副院长黄宇红表示，中国移动正在致力打造一张全球最大的4G精品网络。这就要求中国移动的4G网络需要朝着更快速、更高效、更融合、更智能的方向发展。而首当其冲的技术就是载波聚合。

目前，中国移动已经开展了基于2.6GHz的D频段，F+D频段的载波聚合，以及室内的E频段两个载波的聚合，试验效果均符合预期，速率上已经达到220Mbit/s的平均速率。

同时，载波聚合还能有效改善网络质量，提升吞吐量，这也使将来网络负载均衡时候会更加平滑。除了网络设备已经开始支持载波聚合外，终端也正逐步支持载波聚合，预计明年市场将有更多的支持载波聚合的终端推出。

A new based on information cache with multi-hop cooperation mechanism for wireless networks

ZHANG Zheng-hua1, LIU Zhan-jun2
(1 Department of Telecommunication Examination, Patent Examination Cooperation Center of the Patent Off ce, SIPO, Guangdong, Guangzhou 510530, China; 2 Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

A new mechanism based on Information Cache with Multi-hop Cooperation (ICC) for wireless networks was proposed in this paper. The ICC does not depend on the network state information, and also does not execute relay selection algorithms. In ICC, with the beneft of Request-To-Send/Clear-To-Send (RTS/ CTS) frames in MAC layer, node can obtain the MAC address of the node two-hops away. And node can receive the signal sent by the node two-hops away via adding the next two node MAC address in the data frame, then combine the cached data with the data forwarded by the upstream to obtain diversity gain.

NSI; multi-hop; cooperation; MAC address

TN014

A

1008-5599（2014）11-0060-05

2014-09-23

国家科技重大专项(2010ZX03003008-004)、国家自然基金项目(No．61171111)、重庆市教委项目(KJ120510) 。