1、2008 年 11 月 Journal on Communications November 2008第 29 卷第 11 期 通 信 学 报 Vol.29 No.11无线传感器网络差错控制技术的能效分析田真，袁东风，梁泉泉（山东大学 信息科学与工程学院，山东 济南 250100）摘 要 ：对自动请求重传 (ARQ)技术和前向纠错(FEC)技术的能效进行了分析，提出在无线传感器网络中使用Chase 合并混合自动请求重传(HARQ)方案实现自适应差错控制，以满足无线传感器网络的不同链路对差错控制方案的差异性要求。仿真结果表明，Chase 合并 HARQ 为整体最优的差错控制方案。关键词：无线传感
2、器网络；能效分析；自动请求重传；前向纠错；Chase 合并混合自动请求重传中图分类号：TN92, TD393 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2008)11-0077-07Comparison of error control schemes in wireless sensor networksTIAN Zhen, YUAN Dong-feng, LIANG Quan-quan(School of Information Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250100, China)Abstract: Ene
3、rgy efficiency analyses of automatic repeat request (ARQ) and forward error correction (FEC) techniques were presented. Chase combining hybrid ARQ (HARQ) was proposed to achieve adaptive error control in wireless sensor networks. Moreover, Chase combining HARQ was compared with ARQ and FEC in terms
4、of energy efficiency based on different communication distances and packet lengths. The simulation result shows that Chase combining HARQ is the optimal scheme on the whole.Key words: wireless sensor networks; energy efficiency analyses; ARQ; FEC; Chase combining hybrid ARQ1 引言随着微机电技术、无线通信技术和数字电子技术的
5、进步和相互融合，出现了具有感知、信号处理和通信能力的传感器节点 1,2，这些节点通过自组织的方式形成一个检测网络，把过去单一的传感器探测技术扩展为智能的无线传感器网络。能量受限是无线传感器网络的核心问题。这使得传感器节点不仅要有低功率的能耗，而且要有高能效的通信协议。而传感器节点低功耗的限制，使本已深受无线信道影响的传输可靠性更加脆弱。因此，对无线传感器网络中的差错控制技术进行研究非常必要。尽管在无线网络、特别是蜂窝网络中，对差错控制技术已经有了非常深入的研究，但是相关的研究结论不能直接用于无线传感器网络 3。本文基于能效的标准，探求在无线传感器网络中最优的差错控制方案。根据传感器节点能耗的限
6、制和低复杂度的要求，无线传感器网络需要实现简单、复杂度低的差错控制方案，而自动请求重传(ARQ)、前向纠错(FEC)和混合自动请求重传(HARQ) 是最基本的差错控制技术。文献4最先给出了能效定义。这个定义精确描述了无线传感器网络数据链路层能耗的特点，成为无线传感器网络差错控制技术的衡量准则 57。收稿日期：2008-06-21；修回日期：2008-10-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（60672036） ；山东省自然科学基金重点项目（Z2006G04）Foundation Items: The National Natural Scientific Foundation of Chi
7、na (60672036); The Key Project of Natural Science Foundation of Shandong Province (Z2006G04)78 通 信 学 报 第 29 卷文献4还研究了 ARQ 协议的能效，并指出 ARQ的重传策略不能提高其能效。但是，这个结论是不精确的。在本文中，证明了在概率意义上 ARQ技术的能效与重传策略无关，ARQ 的重传机制不会改变系统能效。文献8和文献4 对无线传感器网络中 FEC 技术进行了研究，文献指出，BCH 码的能效高于其他信道编码。因此，在本文的研究中，使用 BCH码作为信道编码的方案，分析 FEC 技术的能
8、效特征和其在无线传感器网络中的应用。无线传感器网络节点的随机分布特性使得节点之间的通信距离并不固定。因此需要一种变速率，自适应的差错控制方案。本文首次提出在无线传感器网络中使用 Chase 合并 HARQ 技术 9，并通过仿真说明 Chase 合并 HARQ 技术的能效在整体上优于 ARQ 和 FEC 方案。2 信道模型和能效的定义2.1 信道模型本文采用了对数距离路径损耗信道模型 10。在该模型中，距离发射端间距为 d 时，节点的接收功率为(1)rt001lgPd其中， 为路径损耗指数，在本文中 ；d 0 为3近地参考距离。由此得到接收端的信噪比 dB(2)dBrnP其中，P n 是噪声功率
9、 3。2.2 能效的定义无线传感器网络传输能效的定义同时考虑了系统的能耗和通信的可靠性，由式（3）表示 4 er(3)fiPERtoal1其中， e 是能耗吞吐量，它表示数据包中负载的能耗 Eeffi 占总能耗 Etotal 的比值。 是数PER1r据包被正确接收的概率，用它来度量通信可靠性。因此，能效 代表了相邻的通信节点之间有效传输的能耗占系统总能耗的比例。3 差错控制方案能效的数学分析本文的能效分析是基于使用 ATmega128L 处理器 11和 CC1000 射频模块 12的 Mica2 型节点 13。3.1 ARQ 技术的能效分析由于传感器网络节点发送的数据包数量少、发送密度小，因而
10、在分析中选择使用等-停 ARQ协议。首先，在不考虑重传的情况下，推导 ARQ 的能效表达式。此时，ARQ 协议的能耗可以用式（4）表示(4)ARQARQtranreE其中， 是发送数据节点的能耗， 是接收数Xtran XreE据节点的能耗，它们可以分别表示为 ARQDTACKtrantranretradioDATtreradioACKtrEIVlIlT(5)reretranreaitrtraitrll(6)其中，V radio、I tr、I re 分别是 CC1000 射频模块的电压、发射电流和接收电流， 是 CC1000trradio1/TR传输 1bit 信息所用的时间。在能耗的计算中，使
11、用了 DATA-ACK 握手协议。Mica2 节点使用非相关 FSK 解调，其误码率由式(7)给出 3,15, (7)b02b1eENpNradio=BR其中， 是接收端的信噪比，B N 是噪声带宽，Rradio 是 CC1000 的数据发射速率。利用误码率pb，可以得到 ARQ 协议的误包率 PARQ(8)DATCKARQb1llPp如图 1 所示， 是数据帧的包长，DTaylodllpayload 负载的长度， 是包头 (MHR)和包校验位(FCS)的长度之和；l ACK 是 ACK 的包长。ARQ 协议的能效可以由式（9）表示 ARQefi01EPtreradiopyltrARQtiDA
12、TCKt1IVP第 11 期 田真等：无线传感器网络差错控制技术的能效分析 79(9)paylodARQDATCK1P其中， 是数据包中负载部分的能耗。XefiE图 1 802.15.4 标准的数据包 MAC 帧结构 14对 ARQ 技术来说，可靠性是通过重传机制来保障的。如果接收端发现收到的数据包有误，则会要求发送端重传，直到数据包被正确接收或者达到最大重传次数为止 16。下面，推导已知最大重传次数是 N 时，ARQ协议的能效。此时，ARQ 协议的总能耗为 (10)ARQ2ARQARQ1NEPP数据包的正确接收概率 可由式（11）表Nr示 ARQRAQRARQ111Nr(11)由此，可以得到
13、 ARQ 最大重传次数为 N 时的能效 ARQefiNNErRARQARQefiAQ2111NPP (12)AQefiRE通过比较式(9)和式(12) ，两式的结果完全相等(13)AQR0N因此，可以得到以下结论：从概率意义上看，ARQ 协议的能效与重传策略无关无论是否采取重传策略，以及采用重传策略时最大重传次数如何选取，对 ARQ 的能效都没有影响。ARQ 协议的能效仅仅与包长和通信距离有关。3.2 FEC 技术的能效分析采用 FEC 技术时，传感器节点的总能耗为(14)FECFECtranredec其中，E dec 表示译码能耗。由于 BCH 码的编码能耗与译码能耗相比非常小，因此，在能耗
14、计算中忽略了编码能耗 4。对于 BCH 码 ，译码能,kt耗 Edec 可用式(15)进行计算 3(15)2decproc cyle38mIVntt其中，V proc、I proc 和 tcycle 分别是 ATmega128L 处理器的电压、电流和时钟周期，式（15）中15。因此，FEC 技术的能效可以由式lb1mn（16）表示FECefiFP(16)treradiotrFECtri dec1IVkTPn其中，FEC 协议的误包率 FECb011t niiiPp式 (16)是 一 个 有 界 函 数 ， 。 当 固 定 包 长 和 通 信 距 离 的 时 候 ， 式 中 只 有 一 个 变
15、量 ， 纠错 位 数 t， 且 t 只 取 正 整 数 。 一 个 有 界 的 且 自 变 量有 限 取 值 的 离 散 函 数 必 存 在 最 大 值 。 因 此 ， 在 一定 包 长 、 一 定 通 信 距 离 的 情 况 下 ， FEC 存 在 一 个最 大 的 能 效 值 ； 此 时 的 纠 错 方 案 即 为 最 优 的 FEC方 案 。3.3 Chase 合并 HARQ 技术通过上述对 ARQ 和 FEC 能效的推导和分析，得到 2 个重要的结论：一是在无线传感器网络中，重传机制在概率意义上不会改变系统的能效。二是在一定包长和通信距离的时候，FEC 技术理论上可以获取最优的纠错编码
16、方案。但是，在实际的无线传感器网络系统中，单独的使用 ARQ 或者FEC 技术具有许多的局限和不足。首先，对于 ARQ 技术，它通过数据包重传机制实现数据的可靠传输。但在无线传感器网络中，传感器节点通信模块发射功率低，容易受到无线信道环境的影响。当信道环境较差的时候，可能多次重传仍然无法接收到正确的数据包；在 ARQ的重传机制中，对于检测出错的数据包采取了简单丢弃的方式，但是，被丢弃的数据包中仍含有大量有用的信息，这造成了信息量的损失。此外，相对其他差错控制技术来说，采用 ARQ 技术的无线传感器网络可靠传输距离短，使得传感器节点的通信覆盖范围受到一定的限制。其次，对于 FEC 技术，无线传感
17、器网络节点80 通 信 学 报 第 29 卷的随机分布特性使得节点之间的通信距离并不固定，基于不同的链路信道状况，不同的通信距离上存在着不同的最优 FEC 方案，现实中很难为每一跳的链路都取得最优的纠错方案，迫切的需要一种自适应的差错控制机制来实现能效最优化。因此，针对上述 2 种技术的局限性，提出在无线传感器网络中使用 Chase 合并 HARQ 技术。3.3.1 Chase 合并 HARQ 技术分析Chase 合并 HARQ 技术通过信道编码和数据包重传机制共同维护链路的可靠性。在该方案中，当接收端检测到接收数据包有误，首先会利用信道编码进行纠错，如果数据包的错误超过了信道编码的纠错能力，
18、则会要求发送端重传该数据包。Chase 合并 HARQ 技术每次重传的是同一编码数据包，接收端对所有重传数据包进行最大似然译码，将发送数据包的等效编码速率由初始状态的R 降低为 R/L（L 为重传次数） ，从而有效地提高了该编码数据包的译码性能，实现了自适应码率的编码方案；Chase 合并 HARQ 的重传策略不仅利用了所有重传数据包的信息，而且通过最大似然译码对每个重传数据包的可信度进行评估，在合并时作为该包的权重，克 服 了 由 于 某 些 数 据 包 的 严重 衰 落 对 整 体 译 码 性 能 的 影 响 ， 因 此 ， 该 技 术 可 以对 抗 严 重 的 信 道 衰 落 17。 随
19、着重传次数的增加，参加合并的数据包逐渐增多，合并后的译码性能也会不断提高。在实际应用中，Chase 合并译码可以简化为基于各重传数据包接收信噪比的加权合并，最大比合并译码可以提供接近于最大似然译码的性能 17。相比 ARQ、FEC 和递增冗余 HARQ 方案，在无线传感器网络中应用 Chase 合并 HARQ 技术具有以下几点优势。1) Chase 合并 HARQ 技术同时利用了数据包重传机制和信道编码技术，结合了 ARQ 和 FEC的技术优势，实现了无线传感器网络的高可靠性通信，提供了一种满足无线传感器网络自适应编码速率要求的差错控制机制。2) Chase 合 并 HARQ 技 术 的 重
20、传 合 并 策 略 利用 了 历 次 接 收 到 的 重 传 数 据 包 信 息 ， 信 息 使 用 效率 高 ， 并 通 过 最 大 似 然 译 码 实 现 了 最 优 的 合 并 译码 。3) Chase 合 并 HARQ 技 术 重 传 使 用 同 一 编 码数 据 包 ； 与 递 增 冗 余 的 HARQ 技 术 相 比 ， 发 射端 和 接 收 端 设 计 复 杂 度 较 低 ， 系 统 运 算 量 少 ， 适合 传 感 器 节 点 低 复 杂 度 的 要 求 。 此 外 ， Chase 合并 HARQ 技 术 可 以 使 用 任 意 信 道 编 码 ； 而 递 增第 11 期 田真
21、等：无线传感器网络差错控制技术的能效分析 81冗 余 的 HARQ 方 案 由 于 需 要 使 用 删 除 矩 阵 ， 选择 纠 错 码 受 到 限 制 ， 无 法 使 用 BCH 码 等 高 能 效的 信 道 编 码 方 案 。3.3.2 Chase 合并 HARQ 技术的能效分析首先推导在不考虑重传的情况下，Chase 合并HARQ 方案的总能耗 HARQ0EHARQ0tranredecE(17)taioACKtrdecIVlTE令 Chase 合并 HARQ 方案第 k 次重传时的能耗为 ( )， 可以用式(18)表示HARQk1 HRQkEAMCtranredeckEMRCtrraio
22、AKtrdeckIVlTE( ) (18)1k其中， 为第 k 次重传后进行最大比合并的能MRC耗，有 procACKadmult1kEIVnlkT( ) (19)1 Tadd、 Tmult 分别是 ATmega128L 处理器计算一次加、乘的时间， ， 。adcyle18tmultcyle14T假设 Chase 合并 HARQ 方案最大重传次数为N，此时， N 次重传的总能耗可以写为 1HARQHARQHARQtoal,0100NkEEPEP (20)其中， 是数据包第一次传输的误包率，R0( )是 Chase 合并 HARQ 方案第 k 次重HAQkP1传的误包率。 此时，数据包的正确接收
23、概率 为HARQNr(21)HARQHARQ010R01NNkrPP因此，Chase 合并 HARQ 的能效可以由式（22）表示(22)HRQAAefitoal,NNEr1HARQHARQHARQR010R 0efi 10NkNkPPPEE其中， 。HRQefitreradiotrIVkT在第 4 节中，将 Chase 合并 HARQ 技术的能效与 ARQ 和 FEC 方案的能效进行了比较。4 仿真分析本 文 在 不 同 的 数 据 包 长 度 和 节 点 通 信 距 离 的 情况 下 ， 对 ARQ、 FEC 和 Chase 合 并 HARQ 的 能 效进 行 仿 真 ， 验 证 了 前 文
24、 证 明 的 结 论 ， 同 时 对 不 同 差错 控 制 方 案 的 能 效 进 行 了 比 较 。 仿 真 参 数 是 基 于Crossbow 公 司 的 Mica 2 系 列 无 线 传 感 器 网 络 平 台3,1114,18， 如 表 1 所 示 。表 1 仿真参数设置符号 名称 数值0()Pd参考点的功率损耗 55dBt发射功率 0dBmn噪声功率 105dBmMHR 和 FCS 长度之和 11byteACKlACK 包长 7 byte符号 名称 数值radioVCC1000 电压 3VpcATmega128L 处理器电压 5VroIATmega128L 处理器电流 8mAcyle
25、t处理器的运算周期 250nstrICC1000 发射端电流 8.5mAeCC1000 接收端电流 7mANB噪声带宽 30kHzradioR发射数据速率 38.4kbaud图 2(a)图 2(d)给出了在不同包长情况下，ARQ 最大重传次数分别是 0、 1、2、3 时的能效。图中代表不同 最 大 重 传 次 数 的 曲 线 在 任 意 的 通 信距 离 上都重合在一起。因此可以得到结论，ARQ技术的能效不随着最大重传次数的增减而变化，它的能效与重传策略无关。仿真结果与理论分析相符合。图 3 比 较 了 ARQ 技 术 选 择 不 同 包 长 时 的 能效 。 如 图 所 示 ， 当 节 点
26、间 通 信 距 离 较 近 时 ， 包 长82 通 信 学 报 第 29 卷越 长 ， 能 效 越 大 。 这 是 因 为 较 近 的 通 信 距 离 使 得信 道 条 件 比 较 好 ， 传 输 误 包 率 非 常 小 ， 数 据 包 正确 接 收 的 概 率 接 近 于 1， 此 时 能 效 的 大 小 主 要 由能 耗 吞 吐 量 e 决 定 ； 对 于 数 据 包 长 度 大 的 数 据 帧 ，负 载 所 占 的 比 重 较 大 ， 传 输 负 载 的 能 耗 在 总 能 耗中 所 占 的 比 例 较 高 ， 有 较 大 的 能 耗 吞 吐 量 e， 因而 能 效 相 对 比 较 大
27、。(a) ARQ 包长为 255byte 时的能效(b) ARQ 包长为 511byte 时的能效(c) ARQ 包长为 1023byte 时的能效(d) ARQ 包长为 2047byte 时的能效图 2 ARQ 选择不同最大重传次数时的能效图 3 ARQ 选择不同包长时能效的比较随着通信距离的增大，特别是当节点间距离超过 40m 时，ARQ 技术的能效迅速下降到零。这是由于当通信距离远时，接收端比特错误概率增大，使得数据包正确接收概率 r 迅速的减小。观察此时的仿真曲线，发现包长越长的 ARQ 方案能效越小。由 式 (8)可 以 分 析 得 到 ： 误 包 率 PARQ 随 着包 长 的 增
28、 加 呈 指 数 级 增 大 ， 包 长 越 长 的 方 案 ，PARQ 增 大 越 快 ， 能 效 减 小 也 就 越 快 。 因 此 ， 当 节点 间 通 信 距 离 远 时 ， 包 长 越 长 ， 能 效 越 小 ， 通 信的 可 靠 传 输 距 离 也 越 短 。第 11 期 田真等：无线传感器网络差错控制技术的能效分析 83(a) 包长为 511byte 时的能效(b) 包长为 1023byte 时的能效图 4 各种差错控制方案的能效比较图 4(a)、图 4(b)在不同包长的情况下，对ARQ， FEC 和 Chase 合并 HARQ 技术的能效进行了比较。在仿真中，ARQ 和 Cha
29、se 合并 HARQ 的最大重传次数设置为 3。FEC 选择了纠错比特数为2 和 5 的 BCH 码编码方案；Chase 合并 HARQ 选择了纠错比特数为 1 的 BCH 码编码方案。如图 4 所示，当节点间通信距离较近的时候，每种方案的能效都接近一条直线，几乎不随着通信距离的增加而变化。这是因为较近的通信距离使得链路的可靠性非常高，数据传输的误包率趋近于零；根据式(12)、式(16)和式(22) ，对于特定的差错控制方案来说，在不同的通信距离上，能效的改变仅与误包率的变化相关，而此时误包率没有变化，所以能效曲线接近一条直线。当节点之间的通信距离小于 35m 时，ARQ 为最优的差错控制方案
30、。因为此时信道条件比较好，数据传输的差错概率非常小，显现不出 FEC 和Chase 合并 HARQ 中使用了纠错编码的优势。由于编码方案 BCH 码的译码能耗超过了 ARQ 进行ACK 重传的能耗，因此，ARQ 能效最高。此时，Chase 合并 HARQ 方案的能效略小于 ARQ 方案。随着通信距离的增加，各种差错控制方案的能效逐步地降低。从图 4 可以看出，当节点的通信距离在 40m 附近时，3 种差错控制方案的能效都急剧下降 。 其 中 ， ARQ 和 FEC 方 案 的 能 效 随 着通 信 距 离 的 增 加 快 速 下 降 到 零 。 从 式 (1)、 式 (2)和 式(7)可 以
31、看 出 ， 通 信 距 离 的 增 长 导 致 信 噪 比 下 降 ，接 收 端 BER 迅 速 增 加 。 FEC 因 为 有 纠 错 码 保 护 ，下 降 速 度 稍 慢 ， 但 是 当 BER 增 大 到 使 用 纠 错 码 也不 足 以 保 障 数 据 包 的 可 靠 传 输 时 ， FEC 的 能 效 也 迅速 下 降 到 零 。而对于 Chase 合并 HARQ 方案，其拥有信道编码和重传数据包分集合并技术提供的多重冗余保护，虽然随着通信距离的增长，能效虽也有所下降，但在通信距离较远时仍然保持了比较好的性能。通过在不同包长、不同通信距离上对 3 种差错控制方案进行比较，可以看到，C
32、hase 合并HARQ 方案性能相对稳定，在所有的通信距离上都具有比较好的性能，因此，Chase 合并 HARQ为整体最优的差错控制方案。5 结束语本文从能效的角度，全面分析了无线传感器网络的差错控制技术。文章首先证明了 ARQ 技术的能效与重传策略无关；其次对 FEC 技术的能效进行了分析；并针对无线传感器网络需要自适应差错控制方案的特点，提出了在无线传感器网络中使用 Chase 合并 HARQ 技术，该技术提供了一种满足无线传感器网络自适应编码要求的差错控制机制。本文最后通过仿真比较了上述 3 种方案，并指出 Chase 合并 HARQ 为整体最优的差错控制方案。参考文献：1 AKYILD
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