基于跨层设计的矿山物联网感知层协作网络寿命优化*

宋得名，曲立国，黄友锐，陈珍萍（.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南300；.安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖4000）

研究与探讨

基于跨层设计的矿山物联网感知层协作网络寿命优化*

宋得名1，曲立国2，黄友锐1，陈珍萍1
（1.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001；2.安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖241000）

为了满足矿山物联网感知层服务质量（QoS）的要求，采用一种基于跨层设计的无线协作通信机制，在Nakagami-m衰落信道中，通过物理层自适应调制编码（AMC）和链路层混合自动重传请求（HARQ）协议跨层设计，研究无线通信网络的HARQ协作机制，推导出协作传输系统的总能耗表达式，建立跨层优化模型。基于贪婪策略的思想，提出一种网络寿命最大化的功率分配算法（NLMPAA），在保证误码率指标的前提下，在最大功率的约束范围内，对功率矩阵进行优化，使网络寿命最大化。仿真结果表明：基于协作机制的网络寿命明显优于非协作机制网络，本文提出的NLMPAA可以延长网络寿命20%以上。

跨层设计；协作传输；混合自动重传请求；自适应调制编码；网络寿命

0　引言

矿山物联网区域自治的松耦合特性导致网络拓扑结构多变，网络联通性和链路质量无法保障，环境动态变化也将会给感知层终端节点可靠通信和节点生命周期带来很大影响，这给矿山物联网的服务质量（QoS）保障提出了巨大挑战。由于传感器网络节点众多，工作环境等因素不便补充节点电池能量，从而使网络寿命延长是无线通信网络研究中的一个重要问题［1，2］。

目前，对于自适应调制编码（AMC）技术［3］和混合自动重传请求（HARQ）［4］跨层设计的研究已经很多，针对无线协作通信网络中，Nakagami-m衰落信道条件下AMC技术和HARQ技术联合设计的网络寿命分析以及优化尚且没有相关报道［5］。本文通过通信节点之间的协作行为，基于跨层设计思想［6］，研究矿山物联网感知层在保证误码率指标的前提下、最大功率的约束范围内，矿山物联网无线感知层网络寿命优化问题［7，8］。

为此，本文研究无线通信网络的协作机制，在Nakagami-m衰落信道条件下，建立AMC和HARQ跨层设计的网络寿命优化模型，推导网络寿命函数，提出网络寿命最大化功率分配算法（network lifetime maximizing power allocation algorithm，NLMPAA），并对仿真结果进行分析比较。

1　系统描述

1.1系统模型设计

系统框图如图1所示。无线协作网络中包含源节点S、协作节点R以及目的节点D。R采用DF传输方式，所有节点均工作在时分半双工模式下，每个节点安装一副单发射、单接收天线。首先信息数据包到达S链路层缓存器，再根据R和D反馈的信道状态信息（CSI）将数据包映射为物理层的数据帧，采用循环冗余校验码（CRC）来检测信息数据包信息的正确性，并确定重传的必要性。

图1　系统与信道模型Fig 1　Model for system and channel

本文基于Nakagami-m信道模型研究系统性能，系统平均误码率［9］为

式中参数an，gn和γpn通过计算机仿真和数据拟合方法得到。n为 AMC模式。γpn满足 anexp（-gn，γ）=1，将式（2）变换为

式中Ploss为系统允许的最大误包率（packet error rate， PER），当γ∈［γn，γn+1）时，选择AMC模式n编码调制方式。

通过表1中的参数可以表示出Ⅲ型HARQ的平均PER。直径分别为20，22，24，26 cm（脚架高约4.2 cm）材质：不锈钢。

表1　Ⅲ型HARQ PER曲线参数Tab 1　PER curve parameters of HARQ-Ⅲ

1.2建立HARQ协作系统状态转移

假定最大传输次数N=4，图中Sx，y表示节点S传输x次，中继节点R协作y次，目的端解码成功的状态；除初始状态外，每个Sx，y都对应一个，表示错误译码［10］。

图2　HARQ状态转移图Fig 2　HARQ state transition diagram

以MISO协作为例，详细状态转移过程如下：

以R和D在传输n1-2和n1-1次中断为条件，转移概率px，0为

根据式（2）、式（3）、式（4）、式（5）中的转移概率可以直接推导出状态概率：

当y=0（没有节点R协作）时

当y≥1（有节点R协作）时

通过递归分析法，利用式（6）、式（7），可以从初始状态概率推导出图2中所有状态概率。

因此，协作HARQ与自适应调制跨层设计的平均总功耗为

式中第一项表示在达到最大重传次数之前，目的节点D正确译码的功耗；第二项表示存在协作节点R时，达到最大重传次数后，目的节点D正确译码和不正确译码的功耗；第三项表示无协作节点R时，达到最大重传次数后，目的节点D的功耗，最后一次传输中协作节点不需要接收数据，所以减去Pr。

1.3协作传输图3是一个4节点的协作转发示意图，实线表示节点到目的节点的传输链路，虚线表示协作传输的链路。本文将发送功率表示为一个N×N的矩阵P，其中元素为Pi，j。

图3　4节点的协作转发示意图Fig 3　Cooperative transmission diagram of 4 nodes

状态分配矩阵为

当有协作节点R，目的节点nj对节点i的信号接收的平均误码率为

此时误码率的一个上界为

因此，自适应调度与HARQ联合设计的协作网络的节点i的寿命为

2　NLM建模与优化算法

2.1问题建模

网络寿命最大化的优化目标是在最大功率范围内，符合误码率指标的同时，对功率分配矩阵进行优化，以此来最大化网络中节点的最小寿命

式中ρei为误码率（BER）的上限，表示为 ρei=Pi为最小发送功率Pi，j为节点i协助转发节点 j的信息到目的节点 nj的功率。

2.2NLMPAA

功率分配算法的基本思想是将整个网络寿命最大化问题分解为每个节点最大功率约束范围内网络寿命最大化子问题。1）初始化过程中，首先将矩阵P对角化，对角线上的元素为，传输方式为直接传输，相应的节点j的寿命为，然后创建待协助节点列表Code=｛1，2，…，N｝。

5）返回步骤（2），直到Code为空，或者网络寿命已经不能明显优化，退出。

3　数值仿真

仿真中的参数和条件如下：误码率要求ε=10-3；路径传输衰耗因子β=3；所有节点的初始能量为105J；信道带宽的取值为1 MHz；目标信噪比取5；节点的处理功耗Pc为节点在不协作时所需发送功率的25%；中继协作节点的处理功耗Pr为Pc的50%；节点在指定区域内均匀分布，目的节点位于区域（0，0）；每个节点向目标节点发送信息，路由方式采用Dijkstra算法确定。

图4表示两个节点同时向目的节点发送信息，在协作与非协作情况下网络节点的寿命。从图中可以看出：通过协作传输明显地优化了两个节点的最小寿命；NLMPAA的性能明显优于传统的次优算法；直接传输的性能比协作传输的性能稍差。随着协作节点2到目的节点距离的增加，协作与非协作性能接近，由于距离变大，所需发送功率增加，因此，网络节点寿命减小。

图4　两节点网络节点寿命Fig 4　Node lifetime of two-node network

图5表示最小节点寿命与节点分布密度关系的仿真结果。节点的分布区域为100 m×100 m的正方形区域，节点数从20个到50个。仿真中保持传输速度不变。对于非协作传输而言，节点分布密度增加，意味着其传输路径上的节点间的距离缩短，所需要的发送功率下降，因此网络寿命增加。

图5　节点分布密度与最小节点寿命的关系Fig 5　Relationship between node distribution density and the minimum node lifetime

为了评估本文提出的NLMPAA的性能，在平面随机防止4个传感器节点如图3所示。节点间的距离为d1，0= 3.5 m，d2，0=5 m，d3，0=7 m，d4，0=3 m，d2，1=1.5 m，d3，1= 2 m，d4，1=3 m。将本文提出的算法和文献［11］中所提的TDMA算法进行比较。可以看出NLMPAA优于TDMA方案，如图6。随着传输速率的增加，所需节点发送功耗增加，网络寿命降低速度都加快，两种方案性能接近。

图6　协作传输模式下的网络寿命Fig 6　Network lifetime in cooperative transmission mode

图7描述了最大传输次数N=4，信道参数m=1，2，3时，协作与非协作HARQ-Ⅲ跨层设计的平均总能耗与传输距离d之间的关系。从图中可以看出：传输次数相同时，随着m增加，网络的平均总功耗减少，由式（11）可知网络寿命延长；m取相同值时，传输距离越长，协作HARQ-Ⅲ相比较非协作就越有优势。

图7　m取不同值时，HARQ-Ⅲ协议平均总能耗Fig 7　Average total energy consumption of HARQ-Ⅲprotocol when m take different values

4　结束语

本文研究无线协作通信网络中系统物理层AMC与链路层HARQ跨层设计的最大化网络寿命问题。通过研究得知，节点间协作通信，既可降低传输能耗，又能够利用无线网络中各终端的供电能力，来有效延长网络寿命。NLMPAA仿真结果表明：通过合理设计功率分配矩阵，可以使整个网络的寿命延长。

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Lifetime optimization of mine Internet of things perception layer cooperative network based on cross-layer design*

SONG De-ming1，QU Li-guo2，HUANG You-rui1，CHEN Zhen-ping1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Science
and Technology，Huai'nan 232001，China；2.College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China）

In order to meet the requirements of mine Internet of things（IoT）perception layer QoS，a wireless cooperative communication mechanism based on cross-layer design is proposed.In Nakagami-m fading channel，through cross-layer design of physical layer adaptive modulation coding（AMC）and link layer HARQ protocol，HARQ cooperation mechanism of wireless communication network is studied，and the total energy consumption expression of the cooperative transmission system is deduced，a cross-layer optimization model is established.A network lifetime maximizing power allocation algorithm（NLMPAA）based on greedy strategy is proposed，optimize the power matrix under the premise of ensuring the bit error rate index and in range of maximum power constraint，maximize network lifetime.Simulation results show that the lifetime of network based on the cooperation mechanism is significantly better than that of the non cooperative network，the NLMPAA proposed in this paper can extend the network lifetime more than 20%.

cross-layer design；cooperative transmission；HARQ；adaptive modulation coding（AMC）；networklifetime

TN929.5

A

1000—9787（2016）06—0004—05

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0004—05

2016—04—11

国家自然科学基金资助项目（61300001，51104003，51274001）

宋得名（1991-），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向为物联网应用技术。