無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )吞吐量的自適應跨層優(yōu)化策略
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吞吐量是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)的一項重要性能指標，它直接反映了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )工作運行的效率，如何提高吞吐量一直都是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )研究的熱點(diǎn)。
R．J．Lavery在參考文獻中首次建立了經(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學(xué)定義式。作者以吞吐量為優(yōu)化目標，針對影響吞吐量的符號速率和數據包長(cháng)度這兩個(gè)參數分別作了優(yōu)化，得到了不同條件下的最優(yōu)符號速率和數據包長(cháng)。隨后Taesang Yoo等人在參考文獻中提出了一種數學(xué)框架，采用符號速率、數據包長(cháng)度、調制星座體積3個(gè)參數作為優(yōu)化變量，實(shí)現了MQAM調制方式下點(diǎn)對點(diǎn)鏈路吞吐量的優(yōu)化。其后的參考文獻基于參考文獻提出的模型和假設，對鏈路的吞吐量也作了類(lèi)似的研究和優(yōu)化分析。但是參考文獻的吞吐量?jì)?yōu)化都是基于參考文獻建立的Ad hoc網(wǎng)絡(luò )點(diǎn)對點(diǎn)鏈路模型，而目前針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )吞吐量的研究相對較少。
針對上述問(wèn)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(wèn)題展開(kāi)研究。為了最大化吞吐量，本文采用跨層優(yōu)化機制，不僅考慮了符號速率和調制星座體積這兩個(gè)物理層(PHY)主要參數，還考慮了MAC層的數據包長(cháng)度，通過(guò)PHY和MAC層參數的聯(lián)合優(yōu)化，保證在不同通信距離下鏈路的吞吐量能夠達到最優(yōu)。
1 系統模型和假設
為了簡(jiǎn)化分析，本文只考慮WSN中兩個(gè)通信節點(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、接收機以及無(wú)線(xiàn)通信信道組成。假定發(fā)射機節點(diǎn)發(fā)送的每個(gè)數據包總長(cháng)為K+C=L位，其中K為有用信息數據長(cháng)度，C為循環(huán)冗余校驗碼CRC(Cyclical Redundancy Che ck)，用來(lái)檢測每個(gè)數據包中的誤碼，在本文的仿真分析中C=16位。接收機節點(diǎn)使用CRC校驗接收到的數據包。假定CRC只進(jìn)行檢錯而沒(méi)有進(jìn)行糾錯編碼，并且CRC有足夠的冗余度可以檢測到每個(gè)數據包的所有誤碼。當接收機接收到的數據包中不包含誤碼時(shí)，便發(fā)送一個(gè)ACK反饋幀給發(fā)射機，告之數據已經(jīng)正確接收；否則發(fā)送一個(gè)NACK反饋幀。當發(fā)送節點(diǎn)接收到NACK幀時(shí)，便重傳該數據包，否則傳送下一個(gè)新的數據包。在實(shí)時(shí)通信中，ACK仍有可能產(chǎn)生誤碼，從而導致系統的吞吐量下降。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里假定ACK／NACK反饋幀在傳輸過(guò)程中不會(huì )出現誤碼。
根據參考文獻，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數。對于一個(gè)基于上述模型和假設條件的點(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到極大值，對式(1)求關(guān)于Rs的偏導數并令該導數為0，即令，可以得到如下關(guān)于rs的微分方程：
。當SNR發(fā)生變化時(shí)，應根據式(9)來(lái)調節數據速率Rs，確保，以保證得到最優(yōu)吞吐量。據此得到的最優(yōu)吞吐量曲線(xiàn)如圖1所示。
2．1．2 調制星座體積優(yōu)化
從式(7)、(8)可以看到，調制星座體積b對Pe、rs也有影響，因而鏈路的最優(yōu)吞吐量也取決于調制星座體積的大小。同樣，對式(1)求關(guān)于b的偏導數，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；根據不同調制方式下的誤符號率Pe，通過(guò)求解(10)式，可得該調制方式下的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(jiàn)，當信道條件較好，即SNR較大時(shí)，可以讓每個(gè)符號承載更多的信息位，即采用高階調制方式來(lái)提高系統的吞吐量；而當信道條件較差即SNR較小時(shí)，誤符號率較大，此時(shí)應該采用低階調制方式，以保證最優(yōu)吞吐量。
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