基于功率分配与中继选择联合优化的协作MAC

喻 超，芮雄丽，曹雪虹

(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003；2.南京工程学院 通信工程学院，江苏 南京 211167)

基于功率分配与中继选择联合优化的协作MAC

喻 超1，芮雄丽2，曹雪虹2

(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003；2.南京工程学院 通信工程学院，江苏 南京 211167)

针对传统中继选择算法中信道条件利用不足及等功率分配资源利用率低等问题，在解码转发协作无线传感器网络中，提出基于信道状态的中继选择与功率分配算法，以达到最小化系统发射功率的目标。在最大发射功率、平均误比特率及最大信道信噪比限制下，对候选中继节点进行最优功率分配，并根据传输距离和对应的能量消耗完成中继选择。以生命周期为主要性能指标对OcoopMAC(Optimal wireless sensor network cooperative MAC)和现有的MAC协议进行仿真和比较，给出了联合优化下的协作MAC协议流程，有效提高了系统的资源分配。仿真结果表明，该功率分配方案和中继选择策略在提高系统网络生命周期方面比现有算法有显著提高。

协作通信；MAC协议；功率分配；中继选择；生命周期

1 概 述

协作通信通过节点间的协作获得很好的空间分集，引起了广泛关注。通过无线信道的传播，使目标节点接收的信号功率更强、更稳定，进而提升系统性能，使通信的传播范围更广。无线传感器网络由许多个传感器节点组成。由于地理位置及环境等因素的影响，节点能源的更换与续充非常困难，且节点受大小、功率和硬件复杂度的约束，这为协作通信和无线传感器网络的结合提供了可能。在保证端到端传输的通信质量要求下，协作通信比传统通信有明显的节能效果。因此，结合使用协作通信技术，可以减少无线传感网络的传输能耗[1]，从而延长网络生命周期。

研究表明，协作通信中通过合理选择中继节点、分配中继节点功率，能降低传输能耗，提高系统性能。文献[2]提出基于放大转发下的中继分配方案，在收发端信噪比限制下使中继节点功率达到最小化。文献[3]提出一种节省能量的中继分配方案，该方案利用时隙的信道状态和所剩余的能量选择出性能最优的中继节点，使功耗最小及网络生命周期更长。文献[4]提出一种单个中继节点的分配方案和中继节点的功率分配，选出总发送功率最小的节点作为最好的中继节点。文献[5]提出一种无线传感网中单中继选择算法，该算法基于MAC层RTS-CTS信号的功率控制。Liu Pei等[6]提出基于无线局域网的Coop-MAC，性能优于802.11b，但存在节点需要数据发送请求的限制。文献[7]提出由竞争成为中继节点时发送节点控制帧，但会产生接收端的碰撞。文献[8]提出不同的退避时隙，但功率资源利用率不高。文献[9]提出基于能效分析和功率分配的协作MAC协议，但没有对中继节点选择进行研究。文献[10]提出无线传感网中的能效传输方案，缺少对中继的协作。文献[11]提出在无线传感网下的协作传输，但功率分配方案没有进一步优化。文献[12]是多节点对多节点的传输方案，存在能耗较大的问题。文献[13]提出基于距离选择中继的方案，但缺少对功率分配的优化。文献[14]提出无线通信中基于能效的中继选择，在功率分配方面需进一步的分析和优化。

在无线传感器网络中，文中采用解码转发的协作通信方式，以最小化系统发射功率为目标，在满足最大发射功率限制和平均误比特率限制及最大信道信噪比限制下，对候选中继节点进行功率分配，并由源节点根据源节点到候选中继节点的传输距离和对应的能量消耗完成中继选择，从而减少能量损耗，延长网络生命周期。

2 系统模型

协作通信模型如图1所示。

图1 协作通信模型

该模型由1个源节点、N个候选中继节点和1个目的节点组成，分别记为S，Ri和D，其中i=0，1,…,N。协作方式采用解码转发协议。假设S与Ri之间和Ri与D之间的信道为相互独立的瑞利衰落信道，所有信道链路的噪声是均值为零的独立加性高斯白噪声，功率为N0。传输过程主要分为两个阶段:

第1阶段:源节点S发送信号x，中继Ri接收到的信号ysri为:

(1)

目的节点的接收信号ysd为：

(2)

第2阶段:中继节点Ri向目的节点转发信息。目的节点接收到的信号yrid为:

(3)

信道的方差σ2为

σ2=ην-β

(4)

其中，ν为两个节点之间的距离；β为传输损耗因子；η为由传播环境决定的常量。

其中，yd表示目的节点收到的信号。

3 功率分配与中继选择

3.1 功率分配

传统传输采用等功率分配的方案没有考虑系统信道状况的变化，不能对功率资源进行有效利用。因此，文中以最小化系统发射功率为目标，在满足最大发射功率限制和平均误比特率限制及最大信道信噪比限制下，对候选中继节点进行功率分配，从而提升整个系统的性能。

(7)

min:Pf

s.t.P∈Φ

(9)

化简为：

(10)

可把该式分为两部分：

(11)

功率分配算法如下：

初始化:设置t=0。

步骤如下：

(1)中继i选择自己的初始非负值λi，并将λi及中继节点i的接收功率Pr,i传给源节点。

(3)令t=t+1，回到步骤2直到满足限制条件Φ。

输出:中继i的最优Pi。

3.2 中继选择

在系统功率分配结束之后，源节点根据源节点-候选中继节点距离与源节点-目的节点直传距离比及其对应的能量损耗与剩余能量比的最小乘积值，选择出最优的中继节点。

文中的中继选择算法如下:

输入:节点i剩余能量Qres,i、源节点发射功率P0、候选中继i的接收功率Pr,i、中继i的功率Pi、数据包长度L、源到目的直传距离ddir、传输数据速率a、常数c、路径衰耗因子β。

步骤如下：

(1)计算源节点到中继节点i的距离di:

(2)计算能量消耗:

qi=Pi8L/a+P08L/a

(3)分别计算Qi和τi:

Qi=qi/Qres,i

τi=di/ddir

(4)计算φi的值:

φi=Qi×τi

输出:minφi

4 协议流程

(1)源节点有数据要发送时，对信道监听，等待信道空闲后持续DIFS，发出RTS信号。

(2)目的节点正确解码出RTS信号，则返回CTS信号。源节点收到CTS信号后等待中继节点的HTS信号，HTS帧格式如图2(a)所示。在不同的时隙slots内，候选中继节点将包含自身剩余能量、接收功率Pr,i及λi的HTS信号传给源节点，若源节点在两个时隙内仍未收到HTS信号，则进行非协作传输。若源节点收到HTS信号，则根据最优功率分配算法，在满足Φ条件下进行功率分配，得出源节点和候选中继节点的功率。

图2 帧格式

(3)功率分配结束后，源节点根据收到的HTS信号，利用Pr,i和Pi分别得出源到候选中继的传输距离d和能量消耗qi，由中继选择算法选出使φi最小的最优中继。

(4)源节点在等待SIFS后，向最优中继发送RTH(RequestToHelp)信号，RTH帧格式如图2(b)所示。RTH中携带有最优中继的发射功率，源发送数据。没有被选中的中继进入休眠状态。

(5)目的节点接收到数据包，则向源节点反馈ACK信号。若源节点在发送数据后的SIFS间隔内没有收到ACK信号，表明传输失败，重新进入信道监听，准备重新发送RTS。

(6)源节点收到ACK信号后，此次传输过程结束。当网络中所有节点的信道状态和剩余能量都小于数据传输所需要的损耗时，整个传感器网络的生命周期结束。源节点、中继节点和目的节点的时序图如图3所示。

图3 协作传输下的MAC时序

5 仿真结果分析

在所有的仿真中，采用BPSK调制。假定目的节点在圆中心位置，其他节点在半径为50m的圆形区域内随机地均匀分布。传输损失因子α=2，η=1，每个节点起始具有的能量Einit=1 J，发送一个数据包的电路损耗能量Ec=0.01 J，中继节点对数据信号进行处理消耗的能量Ep=0.005 J，N0=-40dBm，Pimax为0.2W，报文长度为8 192bits，数据速率为1Mbit/s，最大平均误比特率为ε=10-3，信道中允许的最大信噪比SNRmax=6dB。其中，与MAC和能耗相关的参数引用文献[11-12]。网络的生命周期定义为网络从节点的传输过程开始到网络中所有节点的信道状态和剩余能量均不足以支持数据传输产生的损耗时的周期。文中无线传感网的网络生命周期通过传输过程结束后目的节点所收到的数据包数目来衡量。

OcoopMAC协议和非协作方式在不同数据包长度下的生命周期比较如图4所示，节点个数为50，在数据包为1kb时，OcoopMAC协议的网络生命周期和非协作方式接近。采用协作方式时，由于中继数目的增加，电路消耗增加，数据包长度也随之增加，当进行中继传输节省的能量大于电路损耗能量时，OcoopMAC协议比非协作方式性能好。

无线传感网中不同MAC协议下的网络生命周期的比较如图4所示，最优信道MAC源节点分布随机，中继通过信道最优来选择。最大剩余能量MAC源节点分布随机，中继通过最大剩余能量来选择。非协作方式性能最差，最优信道MAC和最大剩余能量MAC性能接近，OcoopMAC协议性能优于WcoopMAC[11]。可以看出,提出的OcoopMAC协议的性能更好，文中算法在满足最大发射功率限制和平均误比特率限制及最大信道信噪比限制下，对候选中继节点进行功率分配并充分利用了源节点到候选中继节点的传输距离和对应的能量消耗，选出最优中继进行协作传输，有效地延长了网络的生命周期。当节点数目越多，可以选择的中继节点越多，所选出的最优中继性能越好，网络生命周期越长。

图4 OcoopMAC协议和非协作方式及不同

不同MAC协议在不同平均误比特率下的网络生命周期比较见图5，最优信道MAC和最大剩余能量MAC性能相近，OcoopMAC性能优于WcoopMAC。当平均误比特比大于10-2.1时，OcoopMAC在满足最大发射功率限制和平均误比特率限制及最大信道信噪比限制下，通过协作所节省的能量小于因增加中继节点而产生的电路损耗，生命周期比非协作方式的生命周期短。不同MAC协议的平均剩余能量的比较见图5，平均剩余能量为传输过程结束后整个网络的剩余能量。最优信道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在减少网络平均剩余能量方面更有效。

图5 不同MAC协议在不同平均误比特率下的网络生命周期及平均剩余能量的比较

6 结束语

文中主要研究了解码转发协作系统中最优功率分配和中继选择策略。在解码转发协作无线传感器网络中，提出基于信道状态的中继选择与功率分配算法的协作MAC，以达到最小化系统发射功率的目标。指出在满足最大发射功率限制和平均误比特率限制及最大信道信噪比限制下，对候选中继进行功率分配，源节点通过源到候选中继的传输距离和对应的能量消耗完成中继选择。给出了联合优化下的协作MAC协议流程，有效提高了系统的资源分配。仿真结果表明，该功率分配方案和中继选择策略在提高系统网络生命周期方面比现有算法有显著提高。

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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

时间：2016-09-19

江苏省普通高校研究生科研创新计划基金项目(CXZZ12_0475)

喻 超(1994-)，男，硕士，研究方向为无线通信中的智能信号处理；曹雪虹，博士生导师，研究方向为无线通信中的智能信号处理。

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