多信道节点分布式协作MAC协议的研究

李 甲， 崔海霞

(华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006)

多信道节点分布式协作MAC协议的研究

李 甲， 崔海霞*

(华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006)

提出了一种基于协作增量值(CIV)的协作MAC协议(CIV-MAC). 在CIV-MAC中，备选协作节点通过侦听多路信道控制帧获得信道状态信息(CSI)，并计算自身CIV；根据节点的CIV，协议会实行协作节点分配和选择机制并选出最优的协作节点，同时通过采用最小功率控制算法来降低系统能量消耗. 以网络实际有效吞吐量和能量效率2个参数为网络性能指标，通过2个不同场景的仿真实验结果得到，相对于RBAR协议和CRBAR协议，CIV-MAC可以极大地提升系统性能.

协作通信； 多信道传输； 协作分配与选择

在通信系统中，自适应速率选择技术[1]和MIMO(多输入多输出)技术能够有效提升系统性能成为研究热点. 在分布式网络中，通过多个终端合作构成虚拟天线阵列实现虚拟MIMO成为当前硬件条件下一种切实可行的协作分集技术[2]. 协作分集技术在物理层已经获得广泛研究[3-4]，但是在MAC层的协作性能还没有被充分发掘. 现有协作MAC研究可分为：基于中继[5-7]和基于虚拟天线阵列(VA)[8]. 尽管基于VA的协作能更好地实现分集增益，但此类协作MAC协议往往需要更加复杂的协议过程和更为苛刻的硬件条件，使得协议的广泛实施存在一些现实问题. 近几年协作MAC协议已获得一定发展[8-9]，但针对大规模无线分布式网络中多个信源信宿对[10]在数据传输时协作节点的分配和选择问题并没有得到很好的研究. 针对此问题，文献[11]提出了一种最优中继节点的分配算法(ORA)，但是ORA算法假定所有节点无论距离远近都可以彼此通信，且工作在PCF(中心控制)方式下，对完全分布式网络参考意义不大，且仅以信道容量为性能指标，没有考虑功率控制的问题，也没有具体的信道控制过程，因此，此协议无法应用于无线分布式网络.

为此，本文基于多信道协作节点分配提出一种综合考虑网络实际有效吞吐量、能量效率和协作增益[12]的CIV-MAC协议. 仿真结果显示，与直传RBAR(基于接收端的速率自适应协议)[13]和信道瞬时CSI(信道状态信息)协作的CRBAR(基于协作中继的速率自适应协议)[14]相比，CIV-MAC能够极大地提高系统性能，且广泛适用各种复杂链路.

1 系统模型

协议的系统模型如图1所示，网络中所有节点均为平等关系，不存在超能节点，所有协作节点随机分布，A向C发送信息，同时B向D发送信息，但是A-C、B-D采用不同的信道. 系统中所有节点均可以同时侦听多路信道，但是同一时刻只能服务于1个目的节点，这在当前终端设备中容易实现.

图1 系统模型Figure 1 System model

A→C和B→D处在不同信道，当A和B需要发送数据时候，周围节点同时侦听到A和B发出的RTS(请求发送控制帧)控制帧、以及C和D回复的CTS(同意发送控制帧)控制帧. 通过对不同信道控制帧的侦听，周围节点可以获得包含在CTS控制帧中的直传CSI；通过对RTS/CTS的侦听，周围节点分别获得自身和信源信宿的CSI. 然后据此节点分别计算出在A→C信道和B→D信道的CIV(协作增量值)，并选择协作CIV最高的信道，如H选择协作B→D，放弃协作A→C. 协作节点分配过程完成后，经过3次分组退避过程选出最优协作节点并参与数据传输过程，如H被选中参与B→D的传输(图1)，则B→D传输过程为B→H→D，如果A→C没有被分配到较好的协作节点则仍然采用直传.

此外，对系统做如下设定：

(1)在完全分布式无线网络环境中，为避免因协作节点的引入造成突发同信道干扰进而影响相邻链路数据传输，通过上层协议调度使得相邻链路采用不同信道，而这在当前条件下是切实可行的.

(2)所有终端工作方式均为半双工，均只带有1根全向天线，可同时侦听多路信道但是同一时刻只能服务于1个目的终端，所有节点有最大功率限制，控制帧均采用最大功率发送.

(3)两节点之间的CSI在数据传输持续时间内保持不变，且信道状况为瑞利信道加高斯白噪声，衰落因子保持不变[15].

2 CIV-MAC协议

在描述CIV-MAC协议之前，对本节要用到的符号做统一解释：D表示控制帧和数据帧中的“持续时间”，t表示相应控制帧的传输时间，L为数据长度，R为数据传输速率，SH代表信源到协作节点，HD代表协作节点到目的节点，SD代表直传情况信源到信宿，SIFS为短帧间隔.

2.1 协议过程

2.1.1 信源 需要发送数据的同信道节点经过CSMA/CA成功抢占信道之后，经过1个DIFS时间间隔向信宿发送RTS控制帧，RTS控制帧为原始802.11控制帧，其中包含对信道预约的时间：

DRTS=tCTS+tGI+tMI+tRE+tRTH+5 SIFS，

(1)

其中，tGI、tMI、tRE、tRTH分别是组间竞争、组内竞争、随机竞争、协作返回帧(RTH)的退避时延.

周围同信道节点侦听到RTS后，会根据控制帧中的持续时间调整其设置. 如此设定DRTS是为了有效对抗数据传输时暴露终端抢占信道导致的同信道竞争冲突，进而造成数据传输失败；同时也是为了给协作存在预留足够的信道控制时间，确保协作传输成功. 此外信源需要设定1个计时器，如果超出计时器未收到CTS，则信源放弃此次传输，所有信源节点重新进入退避. 收到信宿发来的CTS之后，信源等待1个SIFS时间间隔，如果收到协作节点发出的RTH控制帧，则信源根据RTH中的协作节点地址和信源到协作节点之间的瞬时CSI选择相应的调制方式、数据发送速率和发送功率向协作节点地址发送数据. 如果信源未收到RTH，则按照CTS中包含的CSI调整数据传输速率和发送功率直接向信宿发送数据. 如果信源成功收到ACK(确认接收控制帧)，则本次传输成功，否则系统进入重传机制或放弃此次传输. 2.1.2 协作节点 同时侦听到多路信道控制帧的备选协作节点，如图1中的H，它可以同时侦听到A-C和B-D这2个不同信道中的控制帧信息. 侦听RTS控制帧和CTS控制帧分别对协作节点到信源和信宿的CSI做预测，并通过接收CTS控制帧获取直传CSI. 由此所有备选协作节点计算不同信道下的CIV值. 找出最大的CIV值后，将节点分配到相应的信道中参与协作. 协作节点分配完成后，通过3组退避过程[8]选出同信道下的最优协作节点.

2.1.3 信宿 信宿接收到信源发送的RTS后，通过侦听RTS信号强度对直传CSI做出预测，并将直传CSI放置在CTS控制帧中，信宿发送CTS控制帧通知信源可在当前CSI状态下直传，并针对信源不同数据发送速率调整相应的接收方式. 此外周围潜在协作节点通过侦听CTS获得直传CSI，并进一步做出协作判断.

尽管直传情况和协作情况CTS中duration所设定的时间本应是不同的，但为了给协作存在预留足够的时间，防止协作出现时候隐藏终端的出现使得信宿无法正确接收RTH，所以需要设定DCTS. 如果信宿正确接收到RTH，则信宿根据RTH中协作节点到信宿的CSI调整自身接收方式，否则信宿一直以直传CSI为根据的接收方式等待接收数据信息. 信宿正确接收到数据信息后，广播ACK通知信源，并告知周围节点此次传输过程结束. 为了清楚地理解前面表述，CTS和RTH控制帧的结构如图2所示，协议过程见图3.

图2 改进的控制帧结构

Figure 2 Improved control frame structure

图3 协议过程Figure 3 Protocol process

2.2 CIV计算

本节介绍CIV的计算过程. CIV可通过如下公式计算：

CIV=UH/WH-UZ/WZ，

(2)

(3)

(4)

tHT=L/RSH+L/RHD，

(5)

tZT=L/RZ，

(6)

W=PX×tCON+PF×tT，

(7)

其中，PF=PX/10(SNR-θ)/10，SNR为信道瞬时信干噪比,θ为不同调制方式下数据可正确接收的阀值，UH和UZ分别为当前信道下节点参与协作的实际吞吐量和直传实际吞吐量，WH和WZ分别为当前信道下节点参与协作情况下能量消耗和直传情况下能量消耗，PX为所有终端最大发送功率，PF为终端经过调整后实际发送数据时的发送功率，tCON为控制帧传输时间，tT为数据传输时间. 由于在分布式网络中，所有节点能量均是有限的，所以在考虑系统实际有效吞吐量的同时需要尽可能提高能量利用效率、降低能量消耗、延长节点使用寿命. 在节点功率控制机制中，通过对信道信息的反馈，使得在满足接收端刚好正确接收数据信息时，发送终端的发送功率PF达到最小.

2.3 协作节点分配

无线分布式网络多信道数据传输条件下，半双工的终端设备可以同时侦听到多路信道控制帧，但是同一时刻只能服务1个目的终端，从而会存在协作节点如何分配使得系统整体性能最优的问题. 在无线分布式网络中，所有备选协作节点侦听各个信道RTS/CTS，获取协作节点分别到信源和信宿的CSI，并提取CTS中的直传CSI，由此计算节点在不同信道下的CIV. 然后协作节点被分配到获得最大CIV值的信道提供协作服务. 此机制采用一种局部最优的方法确保所有备选协作节点为整个系统提供最大可能的协作增益，从而提升了系统性能.

采用协作节点分配算法可有效提高系统整体性能，因为，同时侦听多路信道的协作节点对不同信道的协作增益不同，协作节点对整个系统的增益会随着节点选择的协作对象而变化，从分布式无线网络系统整体来考虑，必然希望所有可能的协作节点对整个系统所产生的协作增益最大化. 然而完全分布式网络中，所有节点平等，不存在可以中心调度系统整体的超能节点，也就不存在协作节点之间的协商选择. 所以采用本文的方法，通过协作节点对不同信道CIV的计算，定量表示出协作节点对不同信道的协作增益，进而选择造成协作增益最大的信道参与下一步同信道竞争，虽然对相对优质直传链路存在一定的不公平，但对网络系统整体而言却会收到很大的正增益，系统性能也会获得提升.

2.4 协作节点竞争

经过协作节点分配过程之后，根据文献[16]方法做出适应本文协议的改进，即处于同一信道的所有备选协作节点根据各个协作节点的CIV，退避竞争找出最优协作节点，这里退避窗口反比于CIV的值. 被选中的协作节点将会发送RTH抢占信道并表明协助本次传输. 如果不存在良好的协作节点或者协作节点竞争信道冲突，则信源直接向信宿发送信息.

3 仿真

通过仿真实验对CIV-MAC、RBAR、CRBAR三种协议进行了对比分析，目标参数分别是系统有效吞吐量和能量效率.

3.1 参数设定

所有备选协作节点随机分布在120 m×120 m的空间范围内，信源一直有数据发送，所有节点根据CSI做出发送和接收调整，具体参数见表1. 节点最大发送功率PX，控制帧等参数设置见表2. 设定A～C之间距离为60 m、B～D之间距离为90 m，L默认为1 024 b，拓扑图分别是图1和图4两种场景.

表1 接收阀值参数Table 1 The receiving threshold

表2 协议参数Table 2 Protocol parameters

图4 实验拓扑图Figure 4 Experimental topology

3.2 仿真结果和分析

3种协议下的能量消耗(图5)结果表明，RBAR作为直传协议，其功耗最大，这是因为节点在传输数据时，信道条件越差，则所需要的发送功率越高. 采用协作方式的CRBAR和CIV-MAC由于引入了信道状况更好的协作节点，使在整个数据传输过程中所需平均发送功率较小. 而CIV-MAC之所以在功率消耗上比CRBAR性能更优，因为在节点选择时CIV的设定综合考虑了吞吐量和能量消耗，而且由于CIV-MAC中采用了节点分配算法，参与协作传输的协作节点对系统增益总是最大，最终实现系统在具有较好吞吐量的同时能量消耗相对较低.

图5 不同节点数的能量消耗Figure 5 Energy consumption at different node numbers

随着节点密度增大，采用CIV-MAC和CRBAR的系统吞吐量均会逐渐提升(图6)，CIV-MAC吞吐量比CRBAR高. 这是因为协作通信的引入使得信道状况良好的协作节点帮助直传信道情况较差的链路传输数据，从而提高了数据传输速率，系统吞吐量也因此会获得提升，而且CIV-MAC采用了协作通信技术，在协作节点选择时考虑了节点对系统协作增益最优的问题，促使节点进入协作增益更大的信道参与协作，从而使系统性能进一步提升，采用CIV-MAC协议的网络实际有效吞吐量明显优于CRBAR协议.

图6 不同节点数的吞吐量Figure 6 Throughput at different node numbers

图7和图8是在图4拓扑结构下的仿真结果，在图5两条链路平行的情况下，系统吞吐量和能量效率仍然是CIV-MAC优于CRBAR，而CRBAR又优于RBAR. 由此证明无论无线网络中相邻链路之间的位置关系如何，CIV-MAC协议均适用且表现优良. 由于控制帧在整个传输过程中占用的时间百分比会随着数据长度的增加而增小，所以正如图7和图8所示，吞吐量会随着L的增加而变大，能量效率会随着L的增大而降低.

图7 不同数据包长度下节点数的能量消耗

Figure 7 Energy consumption of nodes under different packet lengths

图8 不同数据包长度下节点数的吞吐量Figure 8 Throughput of nodes under different packet lengths

4 结论

提出针对分布式多信道协作节点分配与选择的CIV-MAC协议，通过在协作节点分配和选择时考虑到协作节点对系统整体的增益，采用局部最优的方案以及CIV值的设定有效地提升了系统性能，极大地提高了无线DCF多信道网络的实际有效吞吐量和能量效率. 通过信道控制过程的具体可实施性阐述，在当前终端设备条件下无线DCF网络环境中，CIV-MAC协议可以获得广泛的应用.

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【中文责编：谭春林 英文审校：肖菁】

Study on Distributed Cooperative MAC Protocol for Multi-Channel Transmission

LI Jia， CUI Haixia*

(School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

A cooperative MAC protocol based on cooperative increment value (CIV) for multi-channel (CIV-MAC) is proposed. In CIV-MAC, alternative cooperative nodes are able to sense multiple channel control frames to obtain the channel state information (CSI) and calculate its CIV. According to the nodes’ CIV, the protocol would implement cooperative node assignment and selection. And then, it chooses the optimal cooperative node. At the same time, the system energy consumption will be reduced by use of the minimum power control. Finally, the simulation results with two different scenarios show that CIV-MAC can greatly improve the system performance compared with RBAR and CRBAR protocol in terms of energy efficiency and throughput performance.

cooperative communication; multi-channel transmission; collaborative allocation and selection

2016-04-23 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目(61201255);广州市科技计划项目(201707010490)

TN929.5

A

1000-5463(2017)03-0011-06

*通讯作者:崔海霞，副教授，Email:cuihaixia@m.scnu.edu.cn.