基于鏈路自適應的無線通信跨層協議優化方法

趙艷玲

樂山職業技術學院,四川樂山614000

基于鏈路自適應的無線通信跨層協議優化方法

趙艷玲

樂山職業技術學院,四川樂山614000

為了解決傳統網絡分層結構下層與層之間無法信息共享和非最優化性能等問題，通過建立鏈路自適應模型和跨層協議優化策略，分析對比基于鏈路自適應的跨層協議較傳統分層網絡結構的網絡性能。本文設計了一種無線網絡環境下基于鏈路自適應的跨層協議優化方法。在OPENT Modeler中實現跨層協議模型并構建仿真場景，完成了優化方法的測試驗證。結果表明：基于鏈路自適應的跨層協議較傳統分層協議在平均帶寬利用率方面提高了11.6%；在傳輸延時方面，減少29.2%；在網絡吞吐量方面，增加17.3%?？傊?，該方法優于傳統的分層協議。

無線通信;跨層協議;鏈路自適應

無線通信跨層設計概念自提出以來，便迅速引起了學術界和工業界的關注，并逐漸成為未來通信網絡標準中的重要組成部分。許多專家學者對跨層協議做了比較深入的研究。明尼蘇達大學的Q.Liu等聯合考慮了物理層的AMC技術和數據鏈路層的ARQ（Automatic Repeat-Request，自動重傳技術）技術，提出了跨層設計方法為啟發式方法。在該方法中，物理層和數據鏈路層相結合，在滿足數據鏈路層的服務質量需求的前提下，動態調節編碼調制模式和最大重傳次數，使之在適應多變的無線通信信道條件下，提高系統頻譜效率[1]。普林斯頓大學的M.Chiang對跨層算法歸納出一種基于優化理論的跨層設計算法，其核心思想是將無線網絡按照分解的子問題進行分層設計，而各層之間通過價格因子進行關聯，從而保證協議層次在相對獨立的前提下最優化網絡整體性能[2]。Z．Ji等從博弈理論的角度概述了在異構網絡環境下進行動態頻譜分配的關鍵問題及其可能解決的方案，并重點研究了網絡用戶行為、分布式頻譜資源管理，以及策略的最優性等三方面問題，并取得了較好的效果[3]。王羅等提出一種基于跨層優化的低延遲無線傳感器網絡MAC協議，該協議采用了具有跨層優化思想的自適應偵聽機制。此自適應偵聽機制中，節點根據路徑信息來決定是否進行自適應偵聽。通過數值分析，基于跨層優化的低延遲無線傳感器網絡MAC協議在保證能量有限性的同時降低了延遲[4]。魏異芬等提出一種基于路由信息的組通訊跨層優化協議HCLP（Hierarchical Cross Layer Protocol）。該協議結合了節點能力和節點間距離兩個因素，從而構建了由超級節點和普通葉子節點組成的應用層覆蓋網。超級節點間采用Gossip機制，而超級節點與普通葉子節點之間則采用單播方式進行數據傳輸，同時周期性地調整網絡拓撲結構。其仿真數據也驗證了HCLP的高可靠、低開銷性能[5]。D.Wu提出了一個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、延時限制、時延違約概率三元參數分析無線網絡的服務質量保證問題[6]。同時，X.Zhang等基于此理論分析了多種網絡架構下，提出了多種保證時延QoS的最優功率分配策略[7]。劉洋等提出了一種基于空分復用的無線Ad Hoc信道接入協議，通過在競爭時隙交換節點間握手信息，使通信節點可以以空分復用的形式進行并行傳輸。同時構建跨層分析網絡性能分析模型，對此協議進行分析。數學計算及仿真結果均表明，提出的跨層優化協議能夠在不增加節點占用帶寬的前提下有效地提高網絡吞吐率[8]。梅素平等研究了多種用于Ad hoc網絡的能量控制算法，給出了跨層設計方法的定義，研究和討論了兩種典型的Ad hoc網絡跨層協議設計方法。對Ad hoc網絡中多種能量控制算法進行了分類、描述、分析比較和評價，在此基礎上，指出了基于跨層設計的Ad hoc網絡能量控制算法存在的問題和進一步的研究方向[9]。

本文在研究學習了相關的跨層協議的理論基礎上，針對無線通信網絡中有限帶寬的網絡資源利用率低等問題，設計了基于鏈路自適應的跨層協議優化算法，協調物理層和數據鏈路層，旨在提高網絡的吞吐量和傳輸延時，并設計了基于OPENT Modeler的仿真場景，對提出的基于鏈路自適應的跨層優化設計方法進行測試驗證。

1 基于鏈路自適應的跨層協議優化方法

1.1 鏈路自適應技術

跨層自適應技術可以使得傳輸方案的效率與實際信道狀態保持動態匹配，其在保證一定傳輸質量的前提下，最大限度地利用信道條件，提高頻帶利用率。

在時域，鏈路自適應技術通常被稱為自適應編碼調制（AMC,Adaptive Modulation and Coding），即對于給定的系統QoS要求，根據信道狀態動態調整調制方式、編碼方式等時域參數。隨著多天線系統及正交頻分復用技術的應用，鏈路自適應與空間分集技術以及頻率分集技術結合，從一維擴展到二維甚至多維，即動態調整包括時域、頻域、空域在內的各種傳輸參數以適應無線信道的變化，為鏈路自適應技術提供更加廣闊的發展空間。鏈路自適應技術還涵蓋了自動請求重傳技術ARQ（Automatic Repeat Request），尤其是將信道編碼和ARQ結合的混合ARQ技術（HARQ，Hybrid Automatic Repeat Request）。

1.2 鏈路自適應模型構建

在通信協議的物理層，有多個編碼調制模式（MCS，Modulation and Coding Scheme）可供選擇，鏈路自適應模型如圖1所示。首先，接收端估計信道狀態信息，并通過反饋環路反饋給發送端，發送端根據接受到的信道狀態信息選擇下次傳輸的編碼調制模式，即自適應編碼調制。在數據鏈路層，采用重傳ARQ協議進行重傳，當接收端檢測到錯誤包時，通過反饋信道發送重傳請求。

圖1 鏈路自適應跨層協議模型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，其概率密度函數為：

由于在物理層采用自適應的編碼調制技術，首先將信噪比劃分為N+1個區間，為編碼方式的種類，區間門限值為γn，n=0,1,2,…N，當γn≤γ＜γn+1時(γ0=0,γN+1=+∞，選擇編碼方式MCS-n作為發送下幀時采用的編碼調制模式。首先需要確定信噪比的門限值，可采用誤包率準則，若信道編碼采用卷積碼，其誤包率與信噪比的關系為：

在數據鏈路層采用選擇重傳HARQ機制，設定最大重傳次數為Nr，那么對于給定的鏈路層誤包率PERlink，相應的轉換為物理層誤包率為Ptarget：

根據給定的Ptarget，由下式計算門限值。

衡量系統優越性的重要指標之一是平均頻帶利用率，下面分析、驗證基于鏈路自適應的跨層協議在平均頻帶利用率方面的性能。

假設發送原始包與發送重傳包時的信道衰落系數是相互獨立的。N個傳輸模式中采用傳輸模式n的概率為：

在物理層，采用自適應編碼調制之后系統的平均誤包率為：

假設總共有5種編碼方式，而且各種概率模式都按缺省值計算，通過計算分析，采用鏈路自適應技術與正常分層技術的頻帶利用率隨信噪比關系圖2所示。從圖2可以看出，采用鏈路自適應技術后，無線通信系統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。從仿真結果統計，頻帶利用率增幅較傳統的網絡分層結構在11.6%左右，這從數學模型方面對鏈路自適應跨層理論的實現提供了依據和支持。

圖2 基于鏈路自適應的跨層協議平均頻帶利用率結果Fig.2Average band utilization results of cross-layer protocol based on link adaptation

1.3 跨層協議優化方法描述

由于無線通信系統能夠容忍的延時是有限的，因此必須限制信息數據包的最大傳輸次數Nr，另一方面，在數據鏈路層預先設置系統容許的誤包率Ptarget。在本優化方法中，設置Ptarget=0.01，Nr=1,2,3,4。本文設計同時滿足數據鏈路層的誤包率和最大傳輸次數要求的自適應編碼調制和混合自動請求重傳方案。具體步驟如下：

Step 1：使用Type-I HARQ技術。當接收到的信息數據包發生錯誤時，接收方采用信道解碼來糾正錯誤信息。如果數據包包含的錯誤圖樣在信道編碼的糾錯能力范圍之內，存在錯誤的數據包能夠被正確譯碼，然后將正確譯碼后的信息傳遞給上層協議；如果存在的錯誤超出了信道編碼可接受的糾錯范圍，則譯碼失敗。接收方丟棄該數據包，并向發送方發出重傳請求，直至數據信息包被正確譯碼，或者重傳請求已經達到最大允許的重傳次數。

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）式擬合物理層實際誤差曲線。式中，n是用于表示不同自適應編碼調制模式的模式標號，γ是信噪比，而且an，gn和γpn依賴于不同的自適應編碼調制方式，但此方法只適用于擬合卷積碼編碼的信息數據包的誤包率曲線。

Step 3：傳輸處理過程。1064比特的信息加上16 bits的循環冗余校驗碼之后，經過1/2碼率的卷積碼進行信道編碼操作，生成2160 bits的信道編碼信息。然后根據目前的信道狀況選擇合適的自適應編碼調制方案。Type-I HARQ調制方案如表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，經過調制后送入無線信道。如果接收端譯碼失敗，則啟動重傳機制。

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

2 仿真實現及分析

為了驗證本文設計的基于鏈路自適應的無線通信跨層協議優化方法在無線移動自組織網絡中的應用效果，在OPENT Modeler中完成跨層協議模型的修改和仿真場景的構建，對比與傳統的分層結構下的通信性能區別，驗證跨層協議的可行性。

2.1 模型實現及仿真環境的搭建

OPNET Modeler的建模思路是以事件調度為基礎，結合進程交互以便于處理，其既保留了事件調度的事件列表、時間推進方式，又保留了進程概念與實際系統最接近的部分，即進程是成分的活動、事件按實踐先后順序的組合，使得通信建模在OPNET Modeler中得以實現[10,11]。

本文提出的跨層自適應模型是在OPNET Modeler軟件提供的MANET（Mobile Ad Hoc Network）節點模型的基礎上完成的，其節點模型如圖3所示?？鐚訁f議主要修改位于MAC層的自動請求重傳功能和位于物理層的自適應編碼調制功能，使兩層的信息形成反饋回路，完成自適應調節。

構建一個1000 m2范圍的仿真場景，如圖4，擁有若干無線通信節點，根據表2設置參數進行兩次仿真過程，分別采用跨層協議和傳統通信模型，然后統計吞吐量及傳輸延時等網絡性能，用于后續分析驗證。

圖3 無線跨層協議實現模型Fig.3 Wireless cross-layer protocol implementation model

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

表2 仿真參數設置Table 2 Simulation parameter sets

2.2 跨層優化方法的測試驗證

傳輸延時和丟包率是反映網絡狀況的最基本的指標。傳輸延時決定了數據信息的實時性，定義為信息包接收與發送之間的時間差；而吞吐量決定了網絡所完成通信任務的效率，定義為單位時間內系統成功接收的數據量大小。在完成了上述的仿真過程后，論文統計了10 min內的傳輸延時和吞吐量，分別如圖5和圖6中顯示。

圖5 傳輸延時仿真結果Fig.5 Simulation results of transmission delay

圖6 網絡吞吐量仿真結果Fig.6 Simulation results of network throughput

從上述結果可以看出，基于鏈路自適應的跨層優化協議在傳輸延時和網絡吞吐量方面，較傳統的分層協議都有所改善。傳輸延時減少了29.2%，網絡吞吐量增加了17.3%。網絡性能改善的根本原因是，無線網絡產生擁堵時或者通信需求較大時，基于鏈路自適應的跨層優化協議會根據當前重傳次數自適應的調整物理層編碼，加快了網絡正確譯碼的概率；參與通信的節點正確的估計了當前網絡狀況，通過合適的編碼進行數據包的發送也減少了信息的重傳次數，使誤包率和網絡的平均頻帶利用率效果有所提升，從而使無線網絡的整體性能得到改善。

3 結論

本文通過分析傳統的無線網絡分層結構的特點及弊端，學習相關跨層理論，設計了一種基于鏈路自適應的無線通信跨層協議優化方法，該方法主要應用在物理層及數據鏈路層。通過結合物理層的自適應編碼技術和數據鏈路層的混合自動重傳技術，使分層的協議通過多層間的反饋而形成跨層協議體系。通過構建鏈路自適應跨層協議模型，同時計算驗證其平均頻帶利用率，發現與傳統的分層結構相比，其平均頻帶利用率相對有所提高。為了驗證本文設計的跨層協議在無線通信系統中的實際應用效果，作者在OPENT Modeler中設計了具有若干無線通信節點的仿真場景，經過測試，基于鏈路自適應的無線通信跨層協議優化方法在吞吐量和傳輸延時方面等網絡性能都有所提高，也驗證了該優化協議的可行性。

本論文也為存在一定的不足，例如，此跨層協議優化方法只適用于網絡狀況起伏變化不明顯的情況，自適應程度有所局限等。同時，作者也會在今后的研究工作中，學習研究更加準確且具有應用價值的無線網絡跨層協議優化方法，為解決無線網絡擁堵等問題貢獻更多的科研成果。

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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項目資助(14GZD232)

趙艷玲(1971-),女,四川巴中人,碩士,副教授.研究方向:計算機、物聯網、自動化控制等.E-mail:waterjie_050@163.com