無線傳感器網(wǎng)絡(luò)吞吐量的自適應(yīng)跨層優(yōu)化策略
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吞吐量是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，它直接反映了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作運(yùn)行的效率，如何提高吞吐量一直都是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。
R．J．Lavery在參考文獻(xiàn)中首次建立了經(jīng)典的Adhoc網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對點(diǎn)鏈路模型，明確了點(diǎn)對點(diǎn)鏈路模型吞吐量的數(shù)學(xué)定義式。作者以吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)，針對影響吞吐量的符號速率和數(shù)據(jù)包長度這兩個(gè)參數(shù)分別作了優(yōu)化，得到了不同條件下的最優(yōu)符號速率和數(shù)據(jù)包長。隨后Taesang Yoo等人在參考文獻(xiàn)中提出了一種數(shù)學(xué)框架，采用符號速率、數(shù)據(jù)包長度、調(diào)制星座體積3個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化變量，實(shí)現(xiàn)了MQAM調(diào)制方式下點(diǎn)對點(diǎn)鏈路吞吐量的優(yōu)化。其后的參考文獻(xiàn)基于參考文獻(xiàn)提出的模型和假設(shè)，對鏈路的吞吐量也作了類似的研究和優(yōu)化分析。但是參考文獻(xiàn)的吞吐量優(yōu)化都是基于參考文獻(xiàn)建立的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對點(diǎn)鏈路模型，而目前針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)吞吐量的研究相對較少。
針對上述問題，本文將針對在WSN中如何最大化點(diǎn)對點(diǎn)鏈路吞吐量這一問題展開研究。為了最大化吞吐量，本文采用跨層優(yōu)化機(jī)制，不僅考慮了符號速率和調(diào)制星座體積這兩個(gè)物理層(PHY)主要參數(shù)，還考慮了MAC層的數(shù)據(jù)包長度，通過PHY和MAC層參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，保證在不同通信距離下鏈路的吞吐量能夠達(dá)到最優(yōu)。
1 系統(tǒng)模型和假設(shè)
為了簡化分析，本文只考慮WSN中兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對點(diǎn)鏈路。WSN中點(diǎn)對點(diǎn)通信鏈路一般由單個(gè)的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)以及無線通信信道組成。假定發(fā)射機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包總長為K+C=L位，其中K為有用信息數(shù)據(jù)長度，C為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC(Cyclical Redundancy Che ck)，用來檢測每個(gè)數(shù)據(jù)包中的誤碼，在本文的仿真分析中C=16位。接收機(jī)節(jié)點(diǎn)使用CRC校驗(yàn)接收到的數(shù)據(jù)包。假定CRC只進(jìn)行檢錯(cuò)而沒有進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，并且CRC有足夠的冗余度可以檢測到每個(gè)數(shù)據(jù)包的所有誤碼。當(dāng)接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)包中不包含誤碼時(shí)，便發(fā)送一個(gè)ACK反饋幀給發(fā)射機(jī)，告之?dāng)?shù)據(jù)已經(jīng)正確接收；否則發(fā)送一個(gè)NACK反饋幀。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到NACK幀時(shí)，便重傳該數(shù)據(jù)包，否則傳送下一個(gè)新的數(shù)據(jù)包。在實(shí)時(shí)通信中，ACK仍有可能產(chǎn)生誤碼，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的吞吐量下降。為了簡單起見，這里假定ACK／NACK反饋幀在傳輸過程中不會出現(xiàn)誤碼。
根據(jù)參考文獻(xiàn)，點(diǎn)對點(diǎn)鏈路的吞吐量可以定義為：每秒成功接收到的有用信息比特?cái)?shù)。對于一個(gè)基于上述模型和假設(shè)條件的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸鏈路，其吞吐量通式為：
，以使得鏈路的吞吐量達(dá)到極大值，對式(1)求關(guān)于Rs的偏導(dǎo)數(shù)并令該導(dǎo)數(shù)為0，即令，可以得到如下關(guān)于rs的微分方程：
。當(dāng)SNR發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)式(9)來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)速率Rs，確保，以保證得到最優(yōu)吞吐量。據(jù)此得到的最優(yōu)吞吐量曲線如圖1所示。
2．1．2 調(diào)制星座體積優(yōu)化
從式(7)、(8)可以看到，調(diào)制星座體積b對Pe、rs也有影響，因而鏈路的最優(yōu)吞吐量也取決于調(diào)制星座體積的大小。同樣，對式(1)求關(guān)于b的偏導(dǎo)數(shù)，并令，可得：
由上式可知，b*取決于L、Pe和rs，而
時(shí)，b*僅取決于L和Pe；根據(jù)不同調(diào)制方式下的誤符號率Pe，通過求解(10)式，可得該調(diào)制方式下的b*。
圖2顯示了不同信噪比條件下，星座體積b對吞吐量的影響。由圖2可見，當(dāng)信道條件較好，即SNR較大時(shí)，可以讓每個(gè)符號承載更多的信息位，即采用高階調(diào)制方式來提高系統(tǒng)的吞吐量；而當(dāng)信道條件較差即SNR較小時(shí)，誤符號率較大，此時(shí)應(yīng)該采用低階調(diào)制方式，以保證最優(yōu)吞吐量。
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