（信号与信息处理专业论文）无线网络中协作通信技术的研究.pdf

南京邮电大学博士研究生学位论文摘要 摘要 协作通信技术利用无线网络的广播特性，使得到达目标接收端的信号能被协作伙 伴“旁听”到，协作伙伴对这些旁听到的信息处理后并传送到目标接收端，目标接收 端合并处理来自这些移动终端的信息，从而可以降低无线链路的衰落和不稳定性带来 的影响，提高网络的可靠性和数据传输速率，扩展网络的覆盖范围。无线网络中协作 通信的研究是一个崭新的前沿课题，在无线a dh o e 网络、无线传感器网络、无线局域 网等新一代无线通信网络中都具有非常广阔的应用前景。本文正是以此为研究方向， 通过采用跨层设计方法、信号处理技术与网络技术，研究无线网络中协作通信机制， 协作方案设计及性能分析，从而进一步推动协作通信技术的演进与发展，这对于实现 新代无线宽带通信系统具有重要的意义。 本文首先研究了物理层的空时协作分集和差分空时协作分集方案，推导了该方案 误码率的表达式，为后文协作通信中的中继选择策略提供了理论依据。接下来研究了 在节点剩余能量、节点间跳数等不同量度下的协作路由算法、实现方案和性能。为了 进步地利用实时信道状态，继续研究了基于最佳信道选择的机会性中继选择策略和 相应的性能分析。最后，结合具体的无线a dh o c 网络，采用跨层设计的策略，研究了 协作通信的可行方案和协议。 第二章提出了一种适用于频率选择性信道的空时协作分集实现方案 d s t b c m c c d m a ，该方案将协作分集技术和分布式空时编码引入m c c d m a 系统， 在有效抵抗频率选择性衰落的同时具有很高的频谱效率，并利用单天线实现了虚拟多 天线空时发射分集。建立了基于统计平均的协作用户间信道的概率误码模型，基于此 推导了该方案在多种环境下的系统误码率的封闭表达式，结果表明，该方案相对于未 协作的m c c d m a ，获得了明显的性能增益，说明了协作分集的有效性。该章并给出 了系统平均b e r 性能与协作用户间平均解码差错概率之间关系的理论计算与仿真结果， 这为进一步探讨协作用户的选择策略提供了依据。此外，该章还提出了一种采用分布 式差分空时分组编码的协作分集方案，该方案无需知道发射用户和接收用户间的信道 状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 。在不考虑协作用户间误码的情况下，推导 了相关瑞利信道下该方案b e r 性能上限的解析表达式，并分析了协作用户间不同的 南京邮电大学博士研究生学位论文 摘要 c s i 和协作用户到接收用户间不同的c s i 情况下该发射方案的性能。仿真结果表明该 方案相对于未编码的d b p s k ( d i f f e r e n t i a lb i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 获得了明显的分集 增益，说明了该方案的有效性，且理论分析和仿真吻合较好。解析的差分协作分集的 误码性能的性能上限表达式为进一步讨论协作用户的选择策略提供了理论依据。 第三章在已有研究的基础上，建立了a dh o e 中基于d s d v 路由协议的简单单跳协 作路由模型，在n s 一2 网络仿真平台上给出了基于跳数、接收信噪比、剩余能量和混合 加权准则的协作路由算法的实现，并分析了网络数据包递交率、网络时延、网络寿命、 网络吞吐量等性能的改进。此外，研究了节点独立的a dh o c 网络中多径协作路由协议 的算法实现，混和路径选择准则下的多径路由算法以及a dh o c 网络中分段传输的多径 路由协议算法。仿真结果表明，协作路由算法相对于非协作的d s d v 路由协议有效地 改善了网络性能。 第四章考虑无线网络的链路的动态变化特性，为了充分利用无线链路的实时状 况，研究了无线网络中机会中继选择策略及其有效性，利用m a c 层控制包获取物理 层的实时信道信息，提出了一种分布式机会中继选择策略。基于此并结合跨层设计思 想，提出了a dh o e 网络中的一种机会路由算法，并在n s 2 仿真平台上给出了相关实现。 仿真结果表明，该机会路由算法相对于常规的d s d v 路由协议，以较小的归一化开销 为代价，有效地提高了网络的数据递交率，并降低了网络时延。 第五章结合具体的无线a dh o e 网络，采用跨层设计的策略，提出了机会性的根 据网络实时状况选择最佳中继的协作m a c 协议，并在n s 2 仿真平台上实现了协作 m a c 协议，较常规的8 0 2 1 1d c f 协议，协作m a c 方案有效地提高了网络的递交率。 此外对采用r c p c 编码协作的m a c 协议进行了数值仿真，分析了潜在中继节点个数 对性能的影响。这些协议和方案可以直接或修改后应用于现有的a dh o e 等无线网络， 在一定程度上可以实现跨层的机会协作通信，并获得有效的组网方案。 最后，本文在第六章总结全文，并指出了今后有待于进一步研究的方向。 关键词：协作通信；无线网络：跨层设计；协作分集；协作路由：机会中继 南京邮电大学博士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k se x p l o i t st h en a t u r a l b r o a d c a s t i n gc h a r a c t e r i s t i co fr a d i ot om a k et h es i g n a lt r a n s m i t t e dt ot a r g e tr e c e i v e ro v e r - h e a r db yt h ec o o p e r a t i v ep a r t n e r s a f t e rp r o c e s s i n gt h ei n f o r m a t i o n ，t h ec o o p e r a t i v ep a r t n e r w i l lt r a n s m i ti tt ot h et a r g e tt e r m i n a l a sar e s u l t ，t h et a r g e tt e r m i n a lc a l lg e tu s e f u li n f o r - m a t i o nf r o ma l lt h e s em o b i l et e r m i n a l s ，w h i c hc a nn o to n l yr e d u c et h ei m p a c to ft h ef a d i n g a n dv a r i e t yo ft h ew i r e l e s sl i n k s ，b u ta l s oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y , d a t ar a t e sa n dt h ec o v e r - a g eo fn e t w o r k 1 1 1 et e c h n i q u eo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k si sa n e ws u b j e c tt oi n v e s t i g a t e a n di th a sav a s ta p p l i c a t i o ni nt h en e wg e n e r a t i o nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ss u c ha sw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n d w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k sp a p e rf o c u s e so nt h i ss u b j e c t ，a n ds t u d i e st h ec o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，c o o p e r a t i v es c h e m ed e s i g na n di t sp e r f o r m a n c e t h u s ，i tw i l l p r o m o t et h ee v o l u t i o no ft h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o na n dh a v eag r e a ts i g n i f i c a n c et o t h ea c h i e v e m e n to ft h en e wg e n e r a t i o no fw i r e l e s sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s t h i sp a p e rf i r s t l ys t u d i e st h es c h e m e so fs p a c e - t i m ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n dd i f f e r - e n t i a ls p a c e - t i m ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi nt h ep h y s i e a ll a y e ra n dd e r i v e st h ee x p r e s s i o no f t h e i rb i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c e s ，p r o v i d i n gar u l ef o rr e l a ys e l e c t i o ni nc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n s t h e n ，c o o p e r a t i v er o u t i n ga l g o r i t h m s ，i m p l e m e n t a t i o ns c h e m e sa n dp e r - f o r m a n c ea r ei n v e s t i g a t e du n d e rd i f f e r e n tm e t r i c ss u c ha se n e r g ya n dh o p s f o rt h es a k eo f f u r t h e ru s i n gt h ei n s t a n t a n e o u ss t a t eo fn e t w o r k ，w ea n a l y z et h eo p p t u n i s t i cr e l a ys e l e c t i o n s t r a t e g ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c eb a s e do nt h eb e s tc h a n n e ls e l e c t i o n a tl a s t ， c o n s i d e r i n gt h ew i r e l e s sa dh o cn e t w o r k ，w es t u d i e dt h ef e a s i b l es c h e m e sa n dp r o t o c o l so f t h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h ec r o s s l a y e rd e s i g ns t r a t e g y i nc h a p t e r2 ，an o v e lc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m eb a s e do nd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m e b l o c kc o d i n ga n dm u l t i - c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( d s t b c m c - c d m a ) i s p r o p o s e dw h i c hw o r k sw e l li nf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l sw i mm u l t i p l es i n - g l e a n t e n n au s e r s a n da na n a l y t i c a le r r o rm o d e li se s t a b l i s h e dt od e s c r i b et h es y m b o ld e c o d i n ge r r o r sb e t w e e ni n t e r - u s e r s ，b a s e do nw h i c hac l o s ef o r me x p r e s s i o nf o rt h e o r e t i c a l b e rp e r f o r m a n c eo ft h es c h e m ei sd e r i v e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h ei n t e r - u s e r sd e c o d i n ge r r o r so nt h eb e rp e r f o r m a n c eo ft h es c h e m e t h e nt h es i m u l a t i o ni sc o m p l i m e n t e dt ov e r i f yt h ea n a l y t i cr e s u l t ，w h i c ha l s os h o w st h a tt h eb e rp e r f o r m a n c eo f d s t b c m c - c d m ao u t g o e st l l a to fn o n - c o o p e r a t i v em c - c d m aw i t hc o n s i d e r a b l eg a i n s f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o n sc o i n c i d ew i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t sw e l l ，w h i c hp r o v i d e sa r u l ef o rt h ed i s c u s s i o no ft h es e l e c t i o ns t r a t e g yo ft h ec o o p e r a t i v eu s e r s b e s i d e s ，w ep r e - s e n tan o v e lc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yp r o t o c o l 、i t hd i s t r i b u t e dd i f f e r e n t i a ls p a c e t i m eb l o c k i i i 童室墅皇盔堂整主婴壅生兰垡望壅 垒璺至! 垦垒竺 c o d i n gw i t hn on e e do fc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) a c l o s ef o r me x p r e s s i o nf o rb e r o ft h ep r o p o s e ds c h e m ei sd e r i v e df o rt e m p o r a lc o r r e l a t e dr a y l e i g hc h a n n e l sw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ed e c o d i n ge r r o r s b e t w e e ni n t e r u s e r s t h ep r o p o s e dt r a n s m i s s i o ns c h e m ei s a n a l y z e df o rd i f f e r e n tc h a n n e l sb e t w e e n i n t e r u s e r sa n dc h a n n e l sf r o mi n t e m s e r st od e s t i n a - t i o n n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tp e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e ds c h e m eg e t sd i s t i n c td i v e r s i t yg a i na n dc o i n c i d e sw i t ht h ea n a l y t i c a lr e s u l t sw e l l t h i sc a l le x p l a i nt h ee f f i c i e n c yo f o u rp r o p o s e ds c h e m e ，a n dc a np r o v i d ee v i d e n c et of u r t h e rd i s c u s s i n go ft h es e l e c t i v es t r a t - e g y o fc o o p e r a t i v eu s e r s i nc h a p t e r3 ，o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gr e s e a r c h ，as i m p l ec o o p e r a t i v er o u t i n gm o d e l i se s t a b l i s h e db a s e do nd e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r ( d s d v ) i na dh o cn e t w o r k s t h ec o r r e s p o n d i n gc o o p e r a t i v er o u t i n ga l g o r i t h m sa r ep r o p o s e da n di m p l e m e n t e db a s e do n h o p s ，r e c e i v e ds n r ，r e m a i n i n ge n e r g ya n dm i x e dw e i g h t i n gm e t r i c so nt h ep l a t f o r mo f n e t w o r ks i m u l a t i o n2 ( m s 一2 ) t h e nw ea n a l y z ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t si nt h ea s p e c t s o fs u b m i t t i n gr a t eo fn e t w o r kd a t ap a c k e t s ，n e t w o r kl i f e t i m e ，n e t w o r kt h r o u g h p u ta n ds oo n f u r t h e rm o r e ，m u l t i p a t hr o u t i n ga l g o r i t h m su n d e rt h em e t r i co fm i x e dp a t hs e l e c t i o na n d s e g m e n tt r a n s m i s s i o na r es t u d i e di na d h o cn e t w o r k t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e d t h a t ，c o m p a r e dw i t hd s d vp r o t o c o l ，c o o p e r a t i v er o u t i n ga l g o r i t h mo b t a i n sn o t i c e a b l e p e r f o r m a n c eg a i n i nc h a p t e r4 t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sn e t w o r ki st a k e ni n t oa c c o u n t i n o r d e rt om a k ef u uu s eo ft h er e a l t i m ei n f o r m a t i o no ft h ew i r e l e s sl i n k ，w es t u d yt h e o p p t u n i s t i cr e l a ys e l e c t i o ns t r a t e g ya n di t se f f e c t i v e n e s s ad i s t r i b u t e do p p t u n i s t i cr e l a y s e 。 l e c t i o nt r a g e d yi sp r o p o s e d ，u t i l i z i n gt h ec o n t r o lp a c k e ti nm a cl a y e rt oe x t r a c tt h ec h a n 。 n e ls t a t ei n f o r m a t i o n w i t ht h eb e s tr e l a y , ac o o p e r a t i v er o u t i n gp r o t o c o li sp r e s e n t e df o r a dh o cn e t w o r k s t h es i m u l a t i v er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mo u t g o e s n o n c o o p e r a t i v ed s d vr o u t i n gp r o t o c o lw i t hh i g h e rd e l i v e r yr a t ea n d l o w e rl a t e n c ya tt h e p r i c eo fl i m i t e dn e t w o r kl o a d i nc h a p t e r5 ，c o n s i d e r i n gw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k ，s o m eo p p t u n i s t i cr e l a ys e l e c t i o n c o o p e r a t i v em a cp r o t o c o l sa r ep u tf o r w a r db a s e do nt h er e a l - t i m es t a t u so f t h en e t w o r ki n t h es t r a t e g yo fc r o s s l a y e rd e s i g n a n dac o d e dc o o p e r a t i v et r a n s m i t t i n gs c h e m eo nr e l a y s e l e c t i o na n dc o r e c e i v i n gs c h e m e so fr e c e i v e r sa r ec o n s i d e r e d t h e s ep r o t o c o l sa n d s c h e m e sc a nb ed i r e c t l yo rm o d i f i e dt oa p p l yt ot h ee x i s t i n gw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s f i n a l l y , w es u mu pt h ef u l lp a p e r i nc h a p t e r6 ，a n dp o i n to u tt h ed i r e c t i o ni nt h ef u t u r e t ob ef u r t h e rs t u d i e d k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ；w i r e l e s sn e t w o r k s ；c r o s s l a y e rd e s i g n ； c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；c o o p e r a t i v er o u t i n g ；o p p t u n i s t i cr e l a y i v 南京邮电大学博士研究生学位论文缩略语表 a c k a o d v a o m d v b e r c a n c d m a c l t c m a c i c m a c i i c r c c s e r c s m a c a c s i c t s d i f s d m a c d m p s r d s t b c d s d v d b p s k e x o r f e c g e r a f g p s h t s j s c c l l n 缩略语表 l i s to fa b b r e v i a t i o n s 确认应答 按需距离矢量路由 按需多径距离矢量路由 误比特率 沿能量最小非协作路径的 协作 码分多址 中心极限定理 第一类协作m a c 协议 第二类协作m a c 协议 循环冗余校验码 协作的安全增强路由 载波侦听多路接入冲突避 免 信道状态信息 清除发送 分布协调功能帧间间隔 分布式m a c 独立多径源路由 分布式空时分组码 目的序列距离矢量路由 二进制差分相移键控 极限机会路由 前向纠错 地理随机转发 全球定位系统 协作准备发送 信源信道联合编码 大数定理 a c k n o w l e d g e m e n t o n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r o n d e m a n dm u l t i p a t hd i s t a n c ev e c t o r b i te r r o rr a t e c o o p e r a t i o na l o n gt h em i n i m u me n e r g y n o n - c o o p e r a t i v ep a t h c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c e n t r a ll i m i tt h e o r e m c o o p e r a t i v em a c i c o o p e r a t i v em a c i i c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c o o p e r a t i v es e c u r i t ye n f o r c e m e n tr o u t i n g c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n d e t e c t i o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c l e a rt os e n t d c fi n t e r f r a m es p a c e d i s t r i b u t e dm a c d i s j o i n tm u l t i - p a t hs o u r c er o u t i n g d i s t r i b u t e ds p a c e t i m eb l o c kc o d e d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r d i f f e r e n t i a lb i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g e x t r e m e l yo p p o r t u n i s t i cr o u t i n g f o r w a r de r r o rc o r r e l a t i o n g e o g r a p h i cr a n d o mf o r w a r d i n g g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m h e l p e rr e a d yt os e n d j o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n g l a wo fl a r g en u m b e r - v - 南京邮电大学博士研究生学位论文缩略语表 + l q s r链路质量源路由 m a c 媒体介入控制 。m c - c d m a 多载波码分多衄l m d s d 耐r m d s r m e c p m i m o m i s o m r c m s r n 斛 n d m o a r o f d m 0 s i q o s 。 r c p c r t p r t s s i f s s i n r s m r s n r t c p i p t d m a t o s u d p w l a n w m n w s n 目的序列距离矢量多径路 由 按需多径路由 最小能量协作路径 多输入所输出 多输入单输出 最大比合并 多径源路由 网络分配矢量 节点独立多径 机会自动重发 正交频分复用 开放系统互联参考模型 服务质量 速率兼容打孔卷积码 实时传输协议 请求发送 短帧间间隔 信号干扰噪声比 分段多径路由 信噪比 传输控制协议因特网协议 时分多址接入 服务类型 用户数据报协议 无线局域网 无线网状网 无线传感器网络 l i n kq u a l i t ys o u r c e 、r o u t i n g m u l t i m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s m u l t i - p a t hd e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c e v e c t o r o n - d e m a n dm u l t i - p a t hr o u t i n g m i n i m u me n e r g yc o o p e r a t i v ep a t h m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u l m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u 印u t m a x i m u mr a t i oc o m b i n a t i o n m u l t i p a t hs o u r c er o u t i n g n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r n o d ed i s j o i n tm u l t i - p a t h o p p o r t u n i s t i ca u t or a t e o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l q u a l i t yo fs e r v i c e r a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a l c o d e s r e a l - t i m et r a n s f o r n lp r o t o c o l r e q u e s tt os e n t s h o r ti n t e r f r a m es p a c e s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o s p l i tm u l t i p a t hr o u t i n g s i g n a l t on o i s er a t i o t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o - t o c o l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t y p eo fs e r v i c e u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k w i r e l e s sm e s hn e t w o r k w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k v i - 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签龟垄! 窒塾日期： 迎2 1 生： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签每，垄堕盏导师签名：日期：查盟：兰 南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 无线信道的多径衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一。 基于空间分集思想的多天线m i m o 技术在抗信道衰落方面具有明显的优势，并可以在 不增加功率和频谱的前提下大幅度提高信道容量，已逐渐被新一代无线通信的主流协 议所采纳【1 】。然而m i m o 技术仍然存在很多问题，尤其是小型无线移动终端较难安 置多天线的难题使理想的m i m o 技术在走向实用的过程中步履维艰f 3 卜1 4 。为此， s e n d o n a r i s 等【5 】【7 1 提出了一种新的空间分集技术一协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) ，其 基本思想是通过多用户之间共享天线和其他网络资源的形式构造“虚拟多天线阵列”， 并通过分布式处理产生协作来获得一定的空间分集增益。从这个意义上来讲，协作分 集为m i m o 多天线技术走向实用提供了一条新的途径。 协作分集的研究起初源于蜂窝网络，与蜂窝网络相比，协作技术更适用于a dh o e 无线网络和无线传感网络，因为在a dh o c 网络和无线传感器网络中，每个终端近围存 在丰富的邻居终端，这些邻居终端为协作分集技术的实现提供了天然的中继。 将协作的思想应用于网络层路由协议而提出的协作路由( c o o p e r a t i v er o u t i n g ) 技术【8 】- 【，充分利用无线传播的广播特性，以较小的代价有效地提高网络的数据递 交率，减小网络时延，降低网络能耗，延长网络寿命，这些优点对于有限能源供电的 a dh o c 网络尤其是传感器网络具有重要价值。 协作通信作为一种新兴的技术，许多相关问题有待于解决。如“谁和谁协作 ， 即协作中继的选择问题：“在什么情况下协作 ，即动态协作策略： “如何协作， 即协作方案；以及某种协作方案在某些具体条件下的性能分析、协作用户终端间的资 源分配等问题。只有解决了这些问题，才能使得这项技术逐渐走向实用。 无线网络中协作通信的研究是一个崭新的前沿课题，在无线a dh o e 网络、无线传 感器网络、无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ) 等新一代无线通信网络中都具 有非常广阔的应用前景。本课题正是以此为研究方向，通过采用跨层设计方法，信号 处理技术与网络技术，研究无线网络中协作通信机制，协作方案设计及性能分析，从 南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论 而进一步推动协作通信技术的演进与发展，这对于实现新一代无线宽带通信系统具有 重要的意义。 1 2 无线网络中协作通信的研究状况 协作分集是近年来国际上出现的一种新的空间分集技术，在基础理论和工程实现 两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。由于它在无线多跳通信网络中 具有巨大应用前景，已经引起了国内外学术界的极大关注。 s e n d o n a r i s 等早研究了协作分集与网络容量、中断概率等系统性能的关系，给出 了适合无线网络节点相互协作以获取分集增益的编码方案及其在c d m a 传输系统下 的实现方案，并研究了该系统可达到的传输速率范围和信道容量。 l a n e m a n 等【l l 】1 1 4 】深入研究了协作分集的实现策略，提出了固定中继( f i x e dr e 1 a y i n g ) 、选择中继( s e l e c t i o nr e l a y i n g ) 和增量中继( i n c r e m e n tr e l a y i n g ) - - 种协作策略， 其中固定中继包括放大重传( a m p l i f ya n df o r w a r d ) 和解码重传方法( d e c o d ea n df o r - w a r d ) ，选择中继和增量中继分别考虑利用了协作用户到发送用户以及接收用户到发 送用户的反馈，来动态地调节协作策略。 与l a n e m a n 等人的研究工作并行，h u n t e r 等【1 7 1 提出了采用信道编码的编码协 作( c o d e dc o o p e r a t i o n ) ，如r c p c ( r a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a lc o d e s ) 的编 码协作方案。b a b a r o s s a 1 8 】。【2 川和a n 曲e l 【2 l 】阱】主要继续研究了在高斯信道和平坦瑞利 衰落信道环境下，采用空时编码技术实现协作分集的问题。 以上研究工作为协作通信的研究奠定了理论基础。在此基础上，近年来协作通信 的研究又有了新的进展：l i l l 【2 3 】等基于节点间协作关系提出了一种高效解决无线网络 中冲突问题的m a c 协议；p e il i u 【2 4 1 等研究了8 0 2 1 1w l a n 环境下多速率m a c 协 作的问题。 协作路由将协作的思想运用到网络层，每个节点既作为数据源又为其它节点转发 数据包，即使在信道条件较恶劣的情况下仍然能够保持良好的网络性能。目前关于协 作路由的研究主要集中在解决a dh o c 网络中的安全性能或者是节能问题两个方面。 在安全协作路由方面，l ub 2 5 1 提出了一种称为c s e r ( c o o p e r a t i v es e c u r i t ye n f o r c e m e n tr o u t i n g ) 的协议，旨在有效地鉴别a dh o c 路由中的非法行为，降低检测时 延，有效地定位路由中的非法节点。b u c h e g g e r 等 2 6 1 提出在路由层次上，利用临近节 南京邮电大学博士研究生学位论文 第一章绪论 点