城市交通拥堵已成为一种非常普遍的现象，为了解决这一问题，须要有效地获取交通数据．智能交通系统(ITS)基于城市道路交通流信息的实时采集、传输，为缓解交通拥堵和减少环境污染提供智能引导，并且在公共交通管理、安全等方面发挥着重要作用[1-2]．无线传感器网络(WSNs)因其具有分布式传感功能、部署的便利性及实时性等优点被广泛应用于智能交通系统中来完成传感任务，从而提高驾驶安全性和交通效率[3]．协同多输入多输出(CMIMO)技术能够降低系统能耗，在ITS中具有广泛的应用前景[4]，然而这一技术在信道间干扰和同步的问题上仍面临巨大挑战．为解决这一问题，文献[5]提出一种具备空间调制的协同多输入多输出(CMIMO-SM)传输方式．文献[6]将CMIMO-SM应用到ITS中，当进行中远距离传输时具有较高的能效．目前，自动重传请求(ARQ)技术是进一步提高WSNs吞吐量和传输可靠性的有效方法[7]．文献[8]提出一种混合射频基带收发器，利用ARQ分组重发固有的时间分集来提高分组传输成功率．文献[9]分析了多跳WSNs中ARQ的能量效率．为使交通信息采集中网络节点能耗相对均衡，文献[10]提出一种非均匀分簇路由协议．采用链式结合非均匀分簇的混合网络结构满足交通环境的特点，该协议在节点能耗和网络生命周期方面具有较好的性能．文献[11]提出一种动态的数据融合方案，用于多源交通信息的采集和管理，该方案在普通节点能耗、融合精确度方面比同类的协议具有明显的优势．本研究提出适用于智能交通系统中数据传输的接收节点自适应CMIMO-SM-ARQ协议．该协议将CMIMO-SM技术同ARQ协议相结合以提高数据传输的可靠性，并考虑通过接收节点自适应机制来进一步提高数据帧传输的成功率；建立了适用于该协议的DTMC模型，推导出了协议的中断概率、吞吐量和能效解析表达式．1 系统模型和传输机制1.1　系统模型在ITS中，被部署在道路两边的无线传感器节点和道路上车辆中的传感器节点形成簇，其中每一簇内传感器节点数目随机，且至少保证有四个．簇与簇之间、簇内节点之间通信构成的WSNs如图1所示．簇中圆点表示传感器节点，白点表示非活动节点，黑点表示活动节点．活动节点由簇内节点能量最高的两个节点担任，作为簇与簇之间发送/接收数据的节点．10.13245/j.hust.230515.F001图1接收节点自适应CMIMO-SM-ARQ协议通信模型簇2中活动节点由两个变为四个是由于在信道环境质量差的情况下，接收端会激活两个节点来辅助发送节点传输数据，以提高数据传输成功率．1.2　简化的系统模型将图1中信道质量良好状态下的WSNs简化为如图2(a)所示的发送端有活动节点A和B，接收端有活动节点C和D的四节点系统．10.13245/j.hust.230515.F002图2由空间调制技术进一步简化的通信系统模型由于空间调制技术保证了发送端在任一时刻只会有一个节点在传输数据，因此可将节点A和B根据空间调制技术的特性进一步简化为单一发送节点S，如图2(b)所示．当节点C和D中任一节点解码失败时，另一节点可以作为辅助节点协助发送端节点通信．当信道质量较差时会激活能量排名三、四位的节点E和F辅助节点C和D接收数据，此时数据传输情况如图2(c)所示．假设数据传输链路S→j(j∈{C,D,E,F})的信道衰落系数hSj均为独立同分布的零均值高斯随机变量．|hSj|2服从参数为λSj的指数分布，λSj∝dSj-n，其中：dSj(j∈{C,D,E,F})为节点S和节点j之间的距离；n为无线信道的路径损耗因子．1.3　传输机制簇间协同传输采用接收节点自适应CMIMO-SM-ARQ协议，在通信失败的情况下，接收端向发送端发送一个比特的反馈信息请求数据重传．发射机和接收机都设有缓冲器，发射机用它来保存待发送的数据，直到接收到来自接收端的确认信号；接收机用它来存储以前的观测数据，以便在传输中断时用于联合检测．发射机保持传输相同的数据，直到接收端解码成功或经过L次传输失败丢弃数据包，L为系统允许的最大传输次数，且L≥2．当L=2时，接收端节点C和D第一次解码数据均失败，此时会激活簇内能量排名第三、四位的节点E和F，发送端重传该数据．当活动节点解码数据成功而激活的节点解码失败时，活动节点不会向自动激活的节点传输数据，而是继续接收数据．发送数据的节点为活动节点始终保持不变，激活节点仅用作辅助活动节点接收数据，提高接收端解码的成功率，进而降低发送端发送数据的能耗．当数据进行第二次传输时，数据传输过程的各种情形定义如下．情形1 节点C和D解码失败，节点E和F中任意一个解码成功，此时解码成功的节点E/F将会向节点C反馈肯定应答(ACK)，节点C收到反馈信息后向解码成功的节点E/F发送数据请求，节点E/F在接收到数据请求后将自身解码成功的数据发送给节点C和D，节点C接收成功后会向发送端反馈ACK．情形2 节点C，D，E和F全部解码失败，节点D，E和F向节点C反馈否定应答(NACK)，节点C在接收到反馈信息后向发送端反馈NACK，此时发送端将在下一时隙发送新的分组．情形3 节点C解码成功，节点D解码失败，节点D向节点C反馈NACK，节点C在接收到反馈信息后将自己解码成功的数据发送给节点D，节点D在解码成功后发送ACK给节点C，节点C向发送端反馈ACK．情形4 节点C解码成功，节点D解码失败，节点D向节点C反馈NACK，节点C在接收到反馈信息后将自己解码成功的数据发送给节点D，节点D在解码失败后发送NACK给节点C，节点C向发送端反馈NACK．情形5 节点C解码失败，节点D解码成功，节点D向节点C反馈ACK，节点C在接收到反馈信息后向节点D发送数据请求，节点D在收到信息后将自身解码成功的数据发送给节点C，节点C在接收数据成功后向发送端反馈ACK．情形6 节点C解码失败，节点D解码成功，节点D向节点C反馈ACK，节点C在接收到反馈信息后向节点D发送数据请求，节点D在收到信息后将自身解码成功的数据发送给节点C，节点C在接收数据失败后向发送端反馈NACK．情形7 当节点C和D全部解码成功时，节点D分别向节点C反馈ACK，节点C在接收到反馈信息后向发送端反馈ACK，发送端发送新的数据帧．2 接收节点自适应CMIMO-SM-ARQ 协议系统吞吐量2.1　DTMC模型建立依据协议的数据传输过程，建立一个具有L2+2L+2个状态的DTMC模型，如图3所示．当任一目的节点一旦在第l1≤l≤L次传输中正确解码了数据帧，而另一目的节点解码失败时，则该节点就可以在下一时隙替代发送端向解码失败的节点传输数据．10.13245/j.hust.230515.F003图3自适应CMIMO-SM-ARQ协议的DTMC模型所有DTMC模型的状态定义如下：V表示节点C和D均解码成功；X表示当达到最大传输次数L时，节点C和D及节点E和F均解码失败；Ei表示节点C和D均解码失败第l次传输的数据；Rl,Ci表示节点C在第l次传输解码成功，且D在C的第i次传输解码失败；Rl,Di表示节点D在第l次传输解码成功，且C在D的第i次传输解码失败；RL,E/F0表示节点E/F在第L次传输解码成功，节点C和D在第L次传输解码失败；l表示S向接收端发送的次数；i表示接收端节点辅助传输的次数．2.2　中断概率求解对于具有增量冗余的ARQ协议，接收机对过去的信号有记忆，因为它积累了用于解码帧的互信息．在同一数据帧的一次传输中，本研究考虑7个数据传输链路：S-C，S-D，S-E，S-F，C-D，E-C和E-D．当相同的节点对不变时，由于信道衰落系数在一帧的所有传输时隙中都是恒定的，因此可以用hik(i∈{S,C,E},k∈{C,D,E,F})表示，并且不同的节点对之间信道衰落系数是独立的．通信系统在具有加性高斯白噪声(AWGN)的情况下进行点对点通信，发送信号为x，发送信号能耗为P，噪声能耗为N，接收信号为y，信道衰落系数为h，数据链路的中断速率为r．因此，信道的中断概率可表示为pout=Pr{I(x:yh)r}=Pr{log(1+(P/N)h2)r},式中：I(x:y|h)为信息速率；Pr{∙}为事件的概率．当中断事件发生时，即数据帧在传输中失败，中断概率可以称为数据帧传输错误的概率．在第l次传输链路S-C，S-D和S-E的中断事件分别表示为Skout,l(k∈{C,D},1≤l≤L)和SEout,L，节点C，E和F向节点D的中断事件表示为gDout,l,i(g∈{C,E,F},1≤l+i≤L)．假设在任一数据帧的所有传输过程中，信道衰落系数是恒定的，因此对于具有增量冗余的ARQ协议，传输中断的概率可表示为：Pr(Skout,l)=Prllog1+PNhSk2r；Pr(gDout,l,i)=Prl+i+1log1+PNhgD2r；Pr(SEout,L)=Prlog1+PNhSE2r．发送端在第l(1≤l≤L)次传输数据到接收端发生中断的概率为Pr(Wl,out)=Pr(SDout,l)Pr(SCout,l)    (1≤l≤L-1);    Pr(SDout,l)Pr(SCout,l)∙Pr(SEout,l)Pr(SEout,l)    (l=L).接收端在第l+i(1≤l+i≤L)时隙进行的辅助传输发生中断的概率为Pr(Wl+i,out)=    Pr(SDout,l)(1-Pr(SCout,l))Pr(CDout,i)(S-D中断);    Pr(SCout,l)(1-Pr(SDout,l))Pr(DCout,i)(S-C中断).2.3　系统吞吐量分析根据系统中断概率推导出当L≥2时DTMC的一步状态转移概率为pVV=pXV=1-Pr(SCout,1)Pr(SDout,1)-Pr(SCout,1)(1-Pr(SDout,1))-Pr(SDout,1)(1-Pr(SCout,1));pVR1,D0=pXR1,D0=Pr(SCout,1)(1-Pr(SDout,1))；pVR1,C0=pXR1,C0=Pr(SDout,1)(1-Pr(SCout,1))；pVE1=pFE1=Pr(SCout,1)Pr(SDout,1)；pVRl,C0=pXRl,C0=pVRl,D0=pXRl,D0=0(l≥2)；pEiRl,C0=pEiRl,D0=0(l≠i+1;i,l∈N;1≤i,l≤L);pElV=1-Pr(SCout,l+1,SDout,l+1SCout,l,SDout,l)-(1-Pr(SCout,l+1SCout,l,SDout,l))∙Pr(SDout,l+1SCout,l,SDout,l)-(1-Pr(SDout,l+1SCout,l,SDout,l))∙Pr(SCout,l+1SCout,l,SDout,l)(1≤l≤L-2);pElV=1-Pr(SCout,l+1,SDout,l+1,SEout,l+1,SFout,l+1SCout,l,SDout,l)-(1-Pr(SCout,l+1SCout,l,SDout,l))∙Pr(SDout,l+1SCout,l,SDout,l)-(1-Pr(SDout,l+1SCout,l,SDout,l))∙Pr(SCout,l+1SCout,l,SDout,l)-(1-Pr(SEout,l+1,SFout,l+1SCout,l,SDout,l))∙Pr(SCout,l+1,SDout,l+1SCout,l,SDout,l)(l=L-1);pElEl+1=Pr(SCout,l+1,SDout,l+1SCout,l,SDout,l)(1≤l≤L-2);pEiEl=0(l≠i+1;i,l∈N;1≤i,l≤L);pRl,E/FS=1-Pr(ECout,L,EDout,L)；pRl,CiV=Pr(SDout,l)(1-Pr(SCout,l))(1-Pr(CDout,i+1CDout,i))(1≤l≤L,1≤i≤L-l);pRl,DiV=Pr(SCout,l)(1-Pr(SDout,l))(1-Pr(DCout,i+1DCout,i))(1≤l≤L,1≤i≤L-l);pRi,CRl,C=pRi,DRl,D=0(i,l∈N;1≤i,l≤L);pRi,CRl,D=pRi,DRl,C=0(i,l∈N;1≤i,l≤L);pRl,DiRl,Di+1=Pr(SCout,l)(1-Pr(SDout,l))∙Pr(DCout,i+1DCout,i)(1≤l≤L,1≤i≤L-l);pRl,CiRl,Ci+1=Pr(SDout,l)(1-Pr(SCout,l))∙Pr(CDout,i+1CDout,i)(1≤l≤L,1≤i≤L-l);pElRl+1,C0=Pr(SDout,l+1SCout,l,SDout,l)(1-Pr(SCout,l+1SCout,l,SDout,l))(1≤l≤L-1);pElRl+1,D0=Pr(SCout,l+1SCout,l,SDout,l)(1-Pr(SDout,l+1SCout,l,SDout,l))(1≤l≤L-1);pRl,CiX=Pr(SDout,l)(1-Pr(SCout,l))∙Pr(CDout,i+1CDout,i)(1≤l≤L,i+l=L);pRl,DiX=Pr(SCout,l)(1-Pr(SDout,l))∙Pr(DCout,i+1DCout,i)(1≤l≤L,i+l=L);pElRl+1,E/F=(1-Pr(SEout,l+1,SFout,l+1SCout,l,SDout,l))∙Pr(SCout,l+1,SDout,l+1SCout,l,SDout,l)(l=L-1);pEL-1X=Pr(SCout,L,SDout,L,SEout,L,SFout,LSCout,L-1,SDout,L-1);pElX=0(l≠L-1,l∈N,1≤l≤L)，式中pVX为状态V到X的一步转移概率，其他同理．将吞吐量定义为每个时隙成功传送的平均帧数．令系统DTMC模型的稳态分布为π=(π1,π2,⋯,πL2+2L+1,πL2+2L+2)，其中π1为稳态下所有状态到V的转移概率，是状态V的稳态概率，即系统的吞吐量，计算公式为：πH=π;∑i=1L2+2L+2πi=1. (1)当L=2时，将一步转移概率矩阵H代入式(1)中，得到当L=2时DTMC各状态的稳态概率．当接收端节点C和D均解码成功时数据接收成功，因此稳态情况下系统的吞吐量可以用π1表示．3 接收节点自适应CMIMO-SM-ARQ 协议系统能效分析传输一个数据帧的总能耗由功率放大器的能耗PPA和电路板的能耗PC这两个主要部分构成，其中PPA与输出能耗Po存在线性关系，即PPA=(1+α)Po，(2)式中α为与射频功率放大器、调制方案及星座图有关的参数．发送端和接收端单个传感器电路能耗分别为Pct=PDAC+Pmix+Pfilt+Psyn；Pcr=Psyn+PLNA+Pmix+PIFA+Pfilr+PADC，式中：PDAC，Pmix，Psyn，PLNA，PIFA和PADC分别为数模转换器、混频转换器、合成器、低噪声放大器、中频放大器和模数转换器的能耗；Pfilt和Pfilr分别为发射端和接收端有源滤波器的能耗．数据传输时电路能耗须要考虑四个阶段：S→C,D传输阶段电路能耗为Plsc=Pct+2Pcr；S→C,D,E,F传输阶段电路能耗为Pelsc=Pct+4Pcr；D→C/C→D传输阶段电路能耗为Pllsc=Pct+Pcr；E/F→C,D传输阶段电路能耗为Pellsc=Pct+2Pcr．图4描述了自适应CMIMO-SM-ARQ协议传输一帧数据可能走过的所有路径．从V/X状态开始最终指向V状态的路径为数据帧传输成功路径，最终指向X状态的路径为传输失败的路径，此时数据帧达到最大传输次数L，并且接收端节点均解码失败，发送端在下一时隙发送新的数据帧．10.13245/j.hust.230515.F004图4自适应CMIMO-SM-ARQ协议完成一帧数据传输可能走过的路径可以得到成功传输一个数据帧的平均能耗为Pavg=2∑i=0L-l∑l=1LPEl(i)Pl(i)+∑l=1LPElPl+PEPL，式中：PEl(i)为从发送端传输l次数据后，又经过接收端辅助传输i次最终传输成功的概率；PEl为从发送端传输l次数据后，接收端成功解码的概率；PE为从发送端传输L-1次均解码失败后，接收端节点激活后，发送端重传数据，接收端解码成功的概率；Pl(i)，Pl和PL为相应状态下传输成功的能耗．且有PEl(i)=    pVR1,U0pR1,U0R1,U1⋯pR1,Ui-1R1,UipR1,UiV(U={C,D},i≤L-1,l=1),    pVE1pE1E2⋯pEl-2El-1pEl-1Rl,UpRl,U⋯Rl,UipRl,UiV(U={C,D},0≤i≤L-l,1l≤L);PEl=pSS    (l=1),pSE1pE1E2⋯pEl-2El-1pEl-1S    (1l≤L);PE=pSE1pE1E2⋯pEl-2El-1pEL-1RL,E/F0pRL,E/F0V；Pl(i)=(l+i+1)(PPA+Pct)+(2l+i+1)Pcr    (1≤l≤L-1,0≤i≤L-l);Pl=l(PPA+Pct)+2lPcr    (1≤l≤L)；PL=(L+1)(PPA+Pct)+(2L+4)Pcr，则传输每一帧数据的能效为ηE=Pavg/(Pavg+QPl(i))，式中Q=pVR1,C0pR1,C0R1,C1⋯pR1,CL-2R1,CL-1pR1,CL-1F+pSR1,D0pR1,D0R1,D1⋯pR1,DL-2R1,DL-1pR1,DL-1X+pVE1pE1R2,D0⋯pR1,DL-3R1,DL-2pR2,DL-2X+⋯+pVE1pE1E2⋯pEl-1RL,D0pRL,D0X.4 数值模拟假设噪声为AWGN，其均值为零，方差为10-13.5W．在中断概率、吞吐量和能效的分析中，本研究考虑S和C，D，E，F之间的距离在0～140 m之间，C，D，E和F之间的相互距离为0～30 m之间．最后，α，Po，Pcr，Pct，r和n的值分别为α=0.3,Po=1 mW,Pcr=0.1 mW,Pct=0.01mW，r=4 bit/s，n=4[12]．图5描述了自适应CMIMO-SM-ARQ，SISO-ARQ和CMIMO-SM-ARQ协议的中断概率与发送端节点S和接收端节点C，D之间距离(θ)的关系．当最大传输次数相同时，在中断概率趋于平稳前所提协议的中断概率与SISO-ARQ协议相比有较大优势，在60～100 m之间的迅速上升阶段，该协议的中断概率在同等距离下略低于CMIMO-SM-ARQ协议．各协议的中断概率在40～100 m之间急剧增加的主要原因为：信道增益服从指数分布，随着距离的增加，dSj-4迅速减小，相应的信道增益迅速降低，信道的信噪比迅速降低．10.13245/j.hust.230515.F005图5三种协议最大传输次数不同时的中断概率对比图6表明：当通信距离超过80 m时，自适应CMIMO-SM-ARQ吞吐量略高于CMIMO-SM-ARQ；当通信距离超过67 m时，该协议吞吐量优于SISO-ARQ．这是因为在信道状态较为恶劣的情况下，所提协议的中断概率比CMIMO-SM-ARQ和SISO-ARQ更低，请求重传的次数会更少．随着距离不断增加，吞吐量不断降低，主要是由于随着距离的增大系统中断概率在不断增加，但是当L=3时的吞吐量与L=2时相比下滑趋势较为平缓，这说明适当增加最大传输次数可以提高系统吞吐量性能．10.13245/j.hust.230515.F006图6三种协议最大传输次数不同时的吞吐量对比如图7所示，当通信距离超过56 m时，接收节点自适应CMIMO-SM-ARQ在能效性能上优于CMIMO-SM-ARQ和SISO-ARQ．随着通信距离增加，中断概率迅速提高，相较于CMIMO-SM-ARQ和SISO-ARQ的能效曲线，本研究提出协议的能效曲线下降较为平缓，具有明显的优势，这是因为在信道质量较差的情况下该协议通过激活节点增加了接收端解码成功的概率．10.13245/j.hust.230515.F007图7三种协议最大传输次数不同时的能效对比5 结语本研究提出智能交通系统中接收节点自适应CMIMO-SM-ARQ协议．考虑由双发送节点和四接收节点(其中两节点为待激活节点)构成的WSNs．通过分析数据帧传输过程，结合簇内数据传输存在中断的情况，建立具有L2+2L+2状态的DTMC模型，并给出状态空间．根据系统中断概率和DTMC的一步转移概率求得其稳态分布，推导出该协议的吞吐量及能效的数学表达式．通过数值模拟，与CMIMO-SM-ARQ协议、SISO-ARQ协议相对比，结果表明：当进行中远距离通信时，接收节点自适应CMIMO-SM-ARQ协议性能优于SISO-ARQ协议；与CMIMO-SM-ARQ协议相比，该协议中断概率较低、能效略有提升，吞吐量基本持平．进一步的研究方向为采用全双工模式来提高数据帧的传输效率．