（信号与信息处理专业论文）基于协作分集无线网络的跨层设计研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：信号与信息处理 研究方向：无线通信与信号处理技术 作者：2 0 0 7 级研究生李桥福 指导教师：王保云教授 题目：基于协作分集无线网络的跨层设计研究 英文题目：r e s e a r c ho nc r o s s - l a y e rd e s i g nb a s e do nt h e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yw i r e l e s sn e t w o r k s 主题词：协作通信，机会中继，协作分集，l ac o s i i 操作系统， c 8 0 5 1 f 单片机，c c l1 0 0 k e y w 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 ，o p p o r t u n i t i cr e l a y i n g ，c o o p e r a t i v e d i v e r s i t y ，l ac o s i io p e r a t i n gs y s t e m ， c 8 0 51fm c u ， c c l l 0 0 南京邮电大学硕上研究生学位论文摘要 摘要 无线信道的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，而m i m o 技术是应对衰落的有效方法。但是m i m o 技术要求每个通信设备必须具备多根天线，通 常不易实现，协作通信正是在这种背景下应运而生的。协作通信把无线信道，无线网络， 物理层传输技术等综合在一起进行设计和优化，不仅能够提高无线通信系统的容量，减少 通信的中断概率，而且可以提高网络的可靠性和数据速率、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，在以多跳蜂窝网、多跳局域网、无线a dh o c 网络、无线传感器网络等为代表的新一代无线通信网络中，将具有巨大的应用价值。 本文以实现协作分集在无线温度传感器网络中的应用为目标，对协作分集方案及其中 的中继选择方案进行了研究与分析。在机会中继方案的基础上，本文提出了一种改进的协 作分集方案。在中继选择阶段，通过源节点对中继选择的确认，减小了中继选择的碰撞概 率；在数据传输阶段，目的节点增加反馈机制，以此决定最佳中继是否参与协作。基于上 述改进方案，本文采用低复杂度的无线收发机建立了一套实现协作分集的演示系统，并将 协作分集的思想应用于温度传感器网络。本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系 统的总体设计方案。包括硬件平台的介绍，系统组成，系统工作原理和通信接口的硬件电 路设计；二是根据系统各节点模块的功能以及嵌入式系统划分任务的h g o m m a 原则，分 别设计了各节点模块的软件系统结构图。三是基于嵌入式实时操作系统uc o s i i 软件平 台，分别对串口、温度传感器和c c l1 0 0 无线模块进行了驱动程序的开发。四是提出了协 作分集方案的框架模型，重点介绍了基于l a c o s i i 操作系统的协作分集协议的设计与实 现。最后的性能测试结果表明：本文提出的协作分集方案提高了无线温度传感器网络传输 数据的可靠性，扩展了网络的覆盖范围。 关键词：协作通信，机会中继，协作分集，uc o s i i 操作系统，c 8 0 5 1 f 单片机，c c l l 0 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t f a d i n gi st h ep r i m a r yf a c t o rw h i c he n c u m b e r st h ei n e r e a s i n go fw i r e l e s sc h a n n e lc a p a c i t y a n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fs e r v i e e m i m ot e c h n i q u ei st h em o s te f f e c t i v em e t h o dt or e s i s t f a d i n g h o w e v e r , i nm i m os y s t e m ，e a c hn o d em u s t b ee q u i p p e dw i t hm u l t i p l ea n t e n n a s ，w h i c h i su n e a s yt ob ea p p l i e di nr e a l i t y c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni se x a c t l yu n d e rt h i sk i n do f b a c k g r o u n dt oe m e r g ew i t ht h et i d eo ft h et i m e s i nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，t h ew i r e l e s s 、 c h a n n e l ，w i r e l e s sn e t w o r k sa n dp h y s i c a ll a y e rt e c h n i q u e sa r ei n t e g a t e df o rd e s i g n i n ga n d o p t i m i z i n g ，w h i c hp r o v i d e sd r a m a t i cg a i n si ns l o wf a d i n gw i r e l e s se n v i r o n m e n t s s u c ha s i n c r e a s i n gw i r e l e s sc h a n n e lc a p a c i t y ，d e c r e a s i n gt h eo u t a g ep r o b a b i l i t y ，i m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t ya n dt r a n s m i s s i o nr a t ea n de v e ne x p a n d i n gt h ec o v e r a g eo fw i r e l e s sn e t w o r k s t oa p p l yt h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi n p r a c t i c a lw i r e l e s st e m p e r a t u r es e n s o rn e t w o r k ，a s t u d yo nc 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 sa n dr e l a ys e l e c t i o ns c h e m eu s e di nt h e s ep r o t o c o l si s m a d e b a s e do no p p o u r t n i s t i cr e l y a i n g ，a ni m p r o v e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ei sp r o p o s e d i nt h er e l a ys e l e c t i o np h a s e ，a c k n o w l e d g m e n tt ot h er e l a ys e l e c t i o no nt h es o u r c en o d ei s i n c r e a s e d ，w h i c hr e d u c e st h ec o l l i s i o np r o b a b i l i t yo fr e l a ys e l e c t i o n ；i nt h ec o o p e r a t i o np h a s e ，a f e e d b a c km e c h a n i s mf o rd e s t i n a t i o nn o d ei sp r o p o s e d ，w h i c hd e t e r m i n e sw h e t h e rt h eb e s tr e l a y n o d ei si n v o l v e di nc o o p e r a t i o n b a s e do nt h ea b o v et h e o r y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h eb a s i c b u i l d i n gb l o c k so fac o o p e r a t i v ed i v e r s i t yd e m o n s t r a t i o nr e a l i z e di nt h el a b ，u t i l i z i n gl o w c o m p l e x i t yr a d i oh a r d w a r e ，w h i c ha p p l i e st h ec o n c e p to fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt ot h ep r a c t i c a l t e m p e r a t u r es e n s o rn e t w o r k t h em a i nt a s k sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t ，o v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e m p r o g r a mi sd e t e r m i n e d s e c o n d ，t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed i a g r a mf o re a c hn o d ei sr e s p e c t i v e l y d e s i g n e d t h i r d ，t h ed r i v e r sf o rs e r i a lp o r t ，t e m p e r a t u r es e n s o r sa n dc c ll0 0r a d i om o d u l ea r e e x p l o i t e db a s e do nt h el a c o s i ie m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r m f i n a l l y , t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc 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 nd e t a i l p e r f o r m a n c et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea p p l i c a t i o no fc 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 st o t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si n c r e a s e st h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya n de x p a n d st h ec o v e r a g eo f w i r e l e s sn e t w o r k s k e y w 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 , o p p o r t u n i t i cr e l a y i n g ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , uc o s - i i o p e r a t i n gs y s t e m ，c 8 0 51fm c u ，c c 110 0 i l 南京邮电人学硕七研究生学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i jj 畏i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景l 1 2 研究现状3 1 3 课题研究的意义与主要创新点6 1 4 本论文的主要工作及组织结构7 第二章改进的协作分集协议9 2 1 机会继( o p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g ) 9 2 2 改进的中继选择方案1 2 2 2 1 改进的几个方面1 2 2 2 2 改进方案的工作原理1 4 2 2 3 改进方案的碰撞问隔分析l5 2 2 4 改进方案的碰撞概率分析1 7 2 2 5 源节点定时器设计1 8 2 3 协作通信系统实现的主要困难1 9 2 3 1 协作的实现1 9 2 3 2 时间同步的实现2 0 2 3 3 冲突发生的处理2 1 2 4 本章小结2 l 第三章系统总体规划与设计2 2 3 1 硬件平台介绍2 2 3 2 无线网络拓扑结构。2 3 3 3 无线通信模块的设计2 4 3 3 1c 8 0 51f 0 2 0 混合信号i s pf l a s h 微控制器2 4 3 3 2i s m 单片射频芯片c c l1 0 0 2 5 3 3 3m c u 与c c l1 0 0 的通信接口设计2 6 3 4 软件系统结构图。2 8 3 5 面临的主要技术问题。3 0 3 6 本章小结3 0 第四章协作通信系统的程序设计与实现3 1 4 1 肛c o s i i 在c 8 0 5 1 f 单片机上的移植3 l 4 1 1 “c o s i i 的工作原理3 l 4 1 2 开发工具和运行环境3 2 4 1 3 移植中所需修改的文件3 3 4 2 系统驱动程序开发3 7 4 2 1 高速串口驱动3 7 4 2 2 温度传感器的驱动程序4 1 4 2 3 无线收发模块c c i - 1 0 0 的驱动程序4 3 4 3 协作分集协议的设计4 8 i i i 童塞鲤垒盔兰塑婴壅生堂垡迨文旦茎 4 4 中继节点的程序设计与实现5 3 4 4 1 避免数据包传输冲突的设计5 3 4 4 2 中继节点低功耗设计5 4 4 4 3 程序流程图5 5 4 。5 本章小结5 6 第五章协作通信系统的调试与性能测试5 7 5 1 移植l ac o s i i 系统的测试5 7 5 1 串口的调试5 8 5 2 无线通信模块和m c u 之问通信的调试5 9 5 2 温度采集模块的调试6 0 5 3 无线通信模块发送和接收的调试6 l 5 4 实现协作分集协议的调试6 2 5 5 本章小结6 5 第六章总结与展望6 6 6 1 论文工作总结6 6 6 2 后续工作展望6 6 参考文献6 8 致谢7 l 作者攻读硕士学位期间发表的论文7 2 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着移动通信的发展，通信用户的数量和移动数据业务量的高速增长，除了要求为用 户提供高质量的话音服务外，还要求提供数量庞大的数据传输服务，例如无线互联网、多 媒体服务、文件传送和下载服务等等。这些导致了对未来无线小区网络的新的需求要 求更大的数据吞吐量和更高的数据速率范围，在有限的频谱资源中支持尽可能多的用户且 保证通信质量。传统的无线小区网络在成本受限的情况下，并不能提供足够高的信号干扰 噪声比( s i n r ) 以满足这些新的要求。近年来，将中继( r e l a y ) 技术和协作( c o o p e r a t i o n ) 技术引入传统蜂窝网络已经成为一个热点研究方向【 】。 在不牺牲频谱资源和能量资源的前提下，我们能否改进无线通信的服务质量( q o s ) ， 增大数据速率( 吞吐量) ，减小所需要的能量( 也就是增加电池的寿命) ? 能否减小每个 基站的发送功率，进而减少电磁辐射对人体的伤害? 能否设计一种适应用户数量渐增的网 络结构，使得通信性能随着系统中用户数量的增加而增强? 由于无线通信利用无线电波进行信息传输，无线电波会随着传播距离的增加而产生路 径损耗；同时受到地形、建筑物的遮蔽发生阴影效应；信号经过多点反射，会从多条路径 到达接收端，产生多径效应，这些效果统称为信道衰落。而无线信道的衰落特性是阻碍信 道容量增加和服务质量改善的主要原因之一【4 】。 抑制衰落的方法有很多，如采用有效的编码策略，提高发送的功率，采用空间分集技 术等。这些方法的核心思想都是试图缓解衰落带来的影响。其中，采用编码策略，如各种 纠错码和卷积码，可以在一定的程度上减少信道衰落对性能的影响。但是，纠错码带来了 有效数据率的损失，而卷积码则会带来额外的时间延迟。而且对于较为严重的衰落情况， 采用编码策略能够起到的作用有限。而提高发送功率可以在一定的程度上降低衰落带来的 影响，但同时也会d nj i i i 对无线网络中其它节点的干扰。相比之下，空间分集技术是抑制信 道衰落的一种较为简单有效的方法【5 】。空间分集就是指在相互独立的路径上发送相同的数 据，由于彼此独立的路径在同一时刻经历深度衰落的概率很小，所以在接收端经过信号合 并，信号的衰减程度就会被显著减小。 空间分集技术能大大提高传输的可靠性，但发送同一信号的多个副本也会降低通信的 有效性。在这样的背景下，多输入多输出( m i m o ：m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统诞生 i 南京邮电大学硕i ：研究生学位论文第一章绪论 了。m i m o 是指在每个通信节点上安装多根天线，如图1 1 所示，这样可以通过空间分 集来应对衰落问题【6 1 ，提高无线网络的容量【刀。同时，在无线信道散射条件较为严重的情 况下，无线信道能够被分解为多个独立的并行子信道，m i m o 技术可以通过每个子信道 独立的发送数据，可以大幅提升数据率【8 1 。所以，m i m o 技术是下一代无线通信系统采用 的必选技术之一【9 1 。 发送端 空时信 号处理 ： ，v 、，一 、，x ，+ ： 、v ： ，。7 、，y 、 ，、 ， 。 、，、可 、：，。 。t 、， ，一、 ， s 、 ，一7 塞。，- 孓发送端 空时信 号处理 x 图1 1m m o 的结构 关于多天线无线电收发机( 也就是m m o 系统) 的研究发展很快，在同等带宽和功 率资源条件下，m h v o 系统比传统单天线通信可以获得更大的数据吞吐量( 复用增益) ， 增加通信的可靠性( 分集增益) 。通过利用发射接收天线对之间的统计独立性，可以获得 额外的空间自由度。多天线无线信道的统计特性能够在相同的载波频率和相同的时隙下提 供独立的、空间并行的通信信道。也就是说，m i m o 系统充分利用了无线信道的空间和 统计特性，因而对于信道估计需要高效的信号处理计算能力和信息处理能力。除了需要满 足大量的计算要求，工程上和物理上本身的限制也使得移动终端设备无法使用多天线。 m i m o 技术要求同一设备上的多根天线间的距离最少为力2 ，五为传输信号的波长。以通 常采用的2 4 g h z 的频段为例，两根天线之间的距离至少为6 1 2 5 厘米，在很多情况下这 是不经济和不可行的，尤其是对于尺寸较小，功能单一的节点更是如此，如无线传感器网 络中的传感器节点。因此，多天线收发机通常只适合应用在基站侧。 另一种可行的方案称作协作通信。在协作通信中，只具有单根天线的节点与其它节点 共享彼此的天线，共同向目的节点发送数据。协作通信的工作过程一般包括两个主要的阶 段：广播阶段和协作阶段。在广播阶段，源节点将要发送的数据进行广播，周围的中继节 点可以收到源节点发送的数据；在协作阶段，中继节点可以协助源节点将数据转发给目的 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 节点。协作通信的一种典型应用称之为虚拟m i m o ：具备单根天线的节点通过与其它节 ： 。 点共享彼此的天线，组成虚拟天线阵列，并以虚拟天线阵列为单位共同进行数据的收发， 可以获取接近于m i m o 的性能增益，如图1 2 所示。 = ：_ _ ：| 二：= j 二三j ，- _ z 二圜 、 ，一，o 叫嚣l 、，i ，l ! 垦l 、? ：，一一 “、涵 一一一、：- ，一一7 j 叫：- 7 i 、，少、，多- l 堇刨 i ：，嘞 一一一一一_ yl 单天线l 图1 2 虚拟m i m o 的结构 无线通信中的用户协作提出了以下几个挑战：幻由于我们假定协作用户是可移动的， 具有固定的计算能力和有限的能量消耗，因此协作用户的计算处理能力是有限的；b ) 协 作意味着一个用户需要用自己的电池帮另外一个用户转发信息，然而接收者将会同时接收 直达和中继信息。因此，在任何一个协作方案中自身转发信息必须具备很强的动机；c ) 网络层次上的协作需要协作节点足够地便利，这使得必须修改现有的通信协议栈。这是由 于现有的网络都是针对点对点通信，没有协作通信。 我们有志于设计实际的方案来更好地阐述以上的问题，并且能够应用于现有的l 强硬 件体系结构。为了研究它的性能，我们做了理论的分析，并且利用低成本的嵌入式无线收 发机来实现上述提出的方案。协作通信能够有效减小总发射功率，或者在特定条件下增加 频谱利用率( 单位是b i t s s h z ) 。本论文的目标是提供一种分布式的自适应的协作方案并 能够用硬件实现。 协作通信是发展最快的研究领域之一，它从协作的角度把无线信道，无线网络，物理 层传输技术等综合在一起进行设计和优化，可以大幅度的提高无线频率的使用效率和系统 可实现性，也为m i m o 技术走向实用化提供了新的思路和解决办法，成为下一代无线通 信技术研究的重要研究领域。 1 2 研究现状 多天线通信系统通过在收发信机上架设多天线阵列，无需占用系统额外带宽的前提 3 皇 妻 曼 圈圈圈 南京邮电大学硕l 研究生学位论文第一章绪论 下，相比于单发单收链路能有效增加信息传输速率和提高系统可靠性。随着学者们的研究， 人们发现在某些场合m i m o 技术实用化受到一定的阻碍。首先，由于m i m o 系统性能的 提升是以增加发射机和接收机的射频链路来换取的。再者，由于许多无线终端设备受体积、 功耗或硬件复杂度等物理条件的约制，在便携式移动设备上安置多天线变得不切实际，限 制了空间分集技术的推广。 为了克服上述不利因素，协作通信( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 技术应运而生。协作 通信解决了普通单天线移动终端的空间分集问题，使单天线移动终端在多用户环境中可共 享其它终端的天线，从而得到多天线分集增益，改善移动通信系统的性能。它的基本思想 是通过节点间相互辅助来完成信息的传递，在源节点与目的节点间建立多条虚拟的衰落链 路。从信息论角度看，协作通信技术能够很好地把m i m o 技术应用到多天线受限的移动 终端上，并且达到空间分集效果，从而为小型移动设备的m i m o 实用化提供了一条崭新 的出路。近年来，关于协作通信技术在蜂窝网络、a d h o c 网络、传感器网络和无线局域 网等领域中的研究和应用已成为热点之一【1 m 16 1 ，备受学者们关注。 协作通信技术的关键点为网络中部分节点作为中继节点来有效地转发源节点信息。中 继通信的引入可以追述到上世纪的七十年代早则1 7 1 。c o v e r 和g a m a l 突破性地对中继信道 进行了信息理论的分析【1 8 】。这篇文章的主要工作分析了高斯信道下三节点网络的容量， 并且他们假定所有节点工作在相同的频段内。因此中继信道可以分为两类：从源节点看为 广播信道，从目的节点看为多址接入信道，如图1 3 所示。在后续的协作通信研究中， 许多思想也都是由此激发而来的。然而有别于传统的中继信道，协作分集思想是由衰落信 道下的分集概念而发展的。再者，在中继信道中，引入中继节点的目的只是简单地作为信 息转发，而在协作系统中，任何节点既可作为源节点又可作为其它节点的中继节点。 中继节点 图1 3 广播信道和多址信道 4 南京邮电大学硕l 研究生学位论文第一章绪论 在接下来十多年的时间罩，针对用户协作的突破性研究相对比较少。直到1 9 9 8 年， ： s e n d o n a r i s t l 9 1 等人发表了一篇里程碑论文。在他们的研究当中，首次引入了用户协作分集 概念。在他们的研究当中，首次引入了用户协作分集概念。其基本思想是系统中的每个移 动终端都有一个或多个合作伙伴( p a r t n e r ) ，合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时， 帮助其伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中，既利用了自己的又利用了其 合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。由于协作分集中的合作伙伴共享 彼此的天线，从而构成了虚拟的m m i o 多天线系统，从这个意义上讲，协作分集为m m i o 多天线技术提供了一条新的可选择的实现途径。这一概念应用到c d m a 蜂窝网络中，对 系统描述、具体实现和性能等问题进行了详细的讨论【2 0 ，2 。几乎与此同时，l a n c i i l “1 2 2 】 等人在i e e e 信息论汇刊上发表了两篇关于协作分集的论文，l a n e m a n 等深入研究了分集 的实现策略，提出了固定中继、选择中继和增量中继三种策略。固定中继协议是指由固定 的中继节点在固定的时间帮助源节点转发数据给目的节点：选择中继是指只有在必要的时 候才会由中继节点协助源节点转发数据；而增量中继可以看作是自动混合重传机制，只有 在源节点发送的数据不能够被目的节点正确接收的时候才会接受中继节点的协助。可以说 文献 1 】是协作通信研究的重要的里程碑，对以后的协作通信方面的研究起到了指导性作 用【2 3 ，2 4 1 ，由此开创了研究协作通信的热潮，大量的学术论文涌现出来。b a b 啪s s a 【2 5 1 和 a n g h e l t 2 6 】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。协作的思想在网络层和m a c 层也有着广泛地应用。k h a n d a n i 【2 7 】等人总结 了网络层的协作路由算法，并给出了一个加权的折衷方案。z o r z i 2 8 】等提出了地理路由的 概念。其基本思想是节点在发送数据包的时候将自身和目标的位置信息在网络中广播，其 他的节点收到该信息后通过衡量自己和目标的距离远近来决定是否为该节点转发数据包。 这就要求每个节点都必须知道自身及其目标的位置( 例如节点配置了g p s 接收机) 。 b i s w a s 2 9 】等在地理路由的基础上提出了机会路由的概念，其思想是源节点在发送数据包的 同时将一系列优先级不同的节点的名字包含在数据包内并向外广播，优先级最高的节点转 发该数据包，而其他优先级相对较低的节点则将该数据包丢弃。在这里，优先级的具体含 义是距离目的节点的位置最佳。b l e t s a s 3 0 3 1 等又将机会路由的思想引入到协作分集之中， 提出了一种基于网络路径选择的协作分集方案。在此方案中，中继利用m a c 层的 r t s c t s 获得源与中继以及中继与目的之间的信道信息，并根据不同准则( 最小值或调和 平均值) 获得了信道的综合量度。b l e t s a s 3 2 , 3 3 将中优先级的概念引伸为每个中继都具有的 一个定时器，该定时器与信道的综合量度成反比。每个中继在接收到数据包后计算各自的 定时器，定时器最先耗尽的中继即成为最佳中继向目的转发数据包，并通知其他中继丢弃 5 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 该数据包。这个算法的缺点在于其复杂度偏高。 1 3 课题研究的意义与主要创新点 目前，协作通信的理论研究已经全面展开。尽管近几年提出过很多有关在物理层实现 协作分集的理论，但是利用现有的无线发射模块来实现协作天线阵列却没有很多。在本论 文中，我们总结了在现实无线网络中实现协作分集天线阵列面临的主要问题。本文提出的 中继选择的协作路由算法利用网络的路由包获得信道的信息，通过分布式计算从候选中继 集合中选择出一个最佳中继转发数据。在分层的无线网络中，中继选择的实现包括了时间 同步和跨层优化等。然后我们利用单片机和无线发射模块通过该中继选择方案实现了协作 分集，并在实验室中进行了演示。我们的工作主要是协作好物理层，链路层和网络层，这 样能够大大地简化整个网络操作，也能在协作分集天线阵列中减小发射机的复杂度，使得 我们利用现有的单片机和发射模块实现协作分集变得可行。这种技术的简单性，容易在现 有的无线发射硬件中实现。这能够在未来4 g 无线通信系统中提高适应性，可靠性和有效 性。我们的工作提供了实现虚拟天线阵列的具体例子，并注重协作分集方案中物理层，数 据链路层和网络层之间的跨层设计。希望我们的工作能够激起更多的学者设计建设性方案 的兴趣，在协作无线通信领域很好地将理论和实践相结合。 论文的主要创新点体现在对现有的协作分集方案进行改进，并通过无线发射模块实现 改进的协作分集协议。 协作分集方案改进方面包括： ( 1 ) 最佳中继选择由源节点进行确认，以便减小中继选择时的碰撞概率。 ( 2 ) 源节点不单独对中继节点的声明作出确认，而是在所要发送的数据帧中增加下一 跳的路由地址，以减小通信开销。 ( 3 ) 中继节点睡眠设置。候选中继节点接收到最佳中继发送的标志分组或者源节点的 确认信息后，即刻进入睡眠状态。 ( 4 ) 源节点增加定时器，以便在没有合适的中继节点或者碰撞导致错误发生时，源节 点不会一直等待，及时地进行正常的数据传输。 ( 5 ) 在中继节点选择过程中，除了有效的利用r t s 和c t s 消息外，还引入了新的h t s ( h e l p e r - r e a d yt os e n d ) 消息，以应对源节点和目的节点没有直达路径的情况。 ( 6 ) 目的节点增加a c k 反馈信号。当目的节点正确解码源节点传输的数据时，发送 a c k 反馈信号给最佳中继，最佳中继此时不参与协作；当目的节点无法正确解码源节点 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 传输的数据时，发送n a c k 反馈信号给最佳中继，最佳中继此时不参与协作。这种按需 要协作的方式充分地利用了信道的自由度，改善了系统的分集复用均衡( d m t ) 。 本文提出了一种改进的跨层设计方案，即具有源确认的按需协作方案。在m a c 层 ( 1 a y e r2 ) 引入智能的信道访问方案，通过控制共享信道的访问来确保信息可靠传输。这 里我们采用c s m a c a 协议。网络层( 1 a y e r3 ) 通过提供分布式的方法来获取c s i ，动态 地选择路由( 最佳中继) ，并且参与协作通信。l a y e r2 和l a y e r3 的设计简化了物理层( 1 a y e r l ) 的负担，这样利用低复杂度的无线模块实现协作通信就变的可行。它把物理层中的协作分 集技术和数据链路层中的自动请求重传( a r q ) 协议有效地结合起来。在中继选择过程中， 利用源节点对最佳中继节点的声明作出确认；在协作过程中，根据目的节点是否正确收到 源节点发送的数据信息来决定最佳中继是否参与协作。最后，针对上述改进的中继选择方 案，我们利用单片机和无线发射模块通过该中继选择方案实现了协作分集，并应用在温度 传感器网络中。我们的工作提供了实现虚拟天线阵列的具体例子，并注重协作分集方案中 物理层，数据链路层和网络层之间的跨层设计。希望我们的工作能够激起更多的学者设计 建设性方案的兴趣，在协作无线通信领域很好地将理论和实践相结合。 1 4 本论文的主要工作及组织结构 本课题的主要工作： 提出一种能够适应物理环境变化的中继选择算法：此算法应该满足a ) 能够适应 很多协作节点的规模，b ) 在信道变化之前选择出最佳中继。 提出一种未知网络拓扑结构下的分布式算法：不存在能够获知全局网络状态的中 心控制节点，关于网络的拓扑结构和相邻节点间的距离都是未知的。 硬件实现：我们设法提供一种信号处理的技术应用在现有的硬件中，包括调制， 传输和协作等技术，此外，我们不假定发射机限定通信半径，因为通信范围跟发 射功率和信道特性有关，我们无法确定。 本文各章的安排如下： 第一章主要介绍了协作通信的研究背景，研究目的和意义以及本文的主要工作。 第二章对本文设计的相关技术进行研究。研究了机会中继的基本原理，在此基础上， 提出了改进的基于源确认和按需协作的中继选择方案。通过对改进方案的性能分析，证实 了改进方案可以减小碰撞概率。最后介绍了把改进方案运用到协作通信平台上实现时面临 的主要困难和解决方法。 7 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 第三章介绍了协作通信平台的总体规划和设计。首先介绍硬件平台的搭建，介绍了本 系统采用的c s 0 5 1 f 型号单片机和c c l l 0 0 无线模块，解决了m c u 和c c l l 0 0 的接口设 计。最后给出了基于i jc o s i i 嵌入式操作系统的软件系统结构图。 第四章介绍了协作通信系统的程序设计与实现。首先介绍了l lc o s i i 嵌入式操作系 统的工作原理，并实现了l lc o s i i 系统在c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机上的移植。在系统移植成功 的条件下，分别对串口、温度传感器和c c l l 0 0 无线通信模块进行了驱动程序的设计。接 着详细介绍了机会中继选择协议的设计，阐述了避免数据包传输冲突的设计和节点低功耗 的设计，最后给出了中继节点的程序流程图。 第五章对协作通信系统进行了调试。给出了一系列程序运行跟踪图和显示结果，测试 机会中继选择协议栈实现的功能。 第六章对全文进行了总结，指出了不足和今后的研究方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章论文涉及的相关技术 第二章改进的协作分集协议 2 1 机会中继( o p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g ) 协作通信使得用户可以利用协作伙伴的天线，产生空域分集效果，来对抗无线信道的 衰落。然而，现有大多数研究工作都在假定协作伙伴已经选定，在此基础上研究具体的协 作方案如何实现空域分集，提高系统性能。研究重点放在以中断概率和误帧率( f e r ) 等 性能参数的分析和系统性能方面。事实上，协作关系的形成也是个很重要的问题。 图2 1 表示了具有多个中继节点的协作分集原理。源节点、中继节点和目的节点构 成了一个简单的协作分集系统。其具体工作过程可分为两步：第一步，源节点以广播形式 向所有中继点和目的节点发送信息，那些收到的信息的中继节点称为候选中继节点，并且 对收到的信息进行信号处理；第二步，候选中继节点向目的节点发送信息，目的节点通过 某种合并方式合并两步接收到的信号，这一步中源节点到目的节点的虚线表示源节点不一 定参与发送。 目的：1 了点目的节点 第一步 其它节点 源节点 第二步 o 候选中继节点 图2 1 协作分集原理框图 图2 1 表示有多个中继节点参与协作分集。很多研究文献就是在该图的基础上假设 利用分布式空时编码来分析相应的性能【3 4 】。但是此类分布式空时编码的设计是相当困难 的，虽然用在m i m o 中的空时编码确实存在【3 5 ( m i m o 中多个天线共存于一个终端) ，但 这里的多中继节点中，多个天线属于分布的多个终端上，每个中继节点需要通过有噪声的 中继链路知道其他节点的信息。更重要的是天线的数目依赖于有多少中继节点参与协作， 又有多少能成功转发信息。所以在这种情况中使用分布式空时编码还需要很多的工作。简 9 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第二章论文涉及的相关技术 而言之，用在协作中继信道中的分布式空时编码和用在传统m i m o 链路信道中的空时编 ： 码根本不同，仍然是一个开放的富有挑战性的研究领域。 将“利用机会 的思想应用于无线通信的相关研究工作始于文献 3 6 】。该文献提出了 多用户分集的思想：在采用c d m a 技术的蜂窝网络中，移动终端的信道信息通过上行链 路被反馈给基站，如果基站能够选择在该时刻信道条件最好的移动终端进行数据传输的 话，整个系统的吞吐量可以达到最大化。由于多用户分集充分利用了“机会 的思想，所 以多用户分集也被称为机会通信。 在文献 3 0 d p ，作者提出了采用机会中继协议替代分布式空时编码协议可以获取接近 于分布式空时编码的可靠性和频率利用率，并且实现的复杂度可以大大的降低。在机会中 继中，并不是所有的中继节点都会参与协作，而是只有瞬时信道条件最好的中继节点协助 源节点发送数据。而当被选中的中继节点向目的节点发送数据的时候，源节点并不发送数 据。所以，同一时刻只有一个节点占用无线信道，并不需要采用较为复杂的分布式空时编 码，而接收节点也不需要复杂的解码操作。而且，机会中继协议无需知道节点的位置信息 和网络的拓扑信息，只根据信道的瞬时状态作为选取中继节点的依据，可以很方便的在实 际中得到应用。而且由于其采用的是完全分布式的方法，带来的总开销很小。正是由于机 会中继的这些优点，吸引了很多研究者的关注【3 7 , 3 8 。 机会中继的思想就是：在m 个侯选中继节点中，选取单个在源节点和目的节点之间， 具有最好端到端路径的节点作为中继( 如图2 2 所示) 。源节点和中继节点i 之间的信道 状况口订以及中继节点i 和目的节点之间的信道状况口甜影响着最佳中继的选择。这些参数 模拟任何通信终端之间的传播环境，它们是随时间变化的，变化速率在宏观上可以模拟为 多普勒频移，与信道相干时间成反比。最佳中继的选择就是在空间分布式的中继节点中快 速地找出最合适的中继，必须在信道条件改变之前完成。 源 图2 2 机会中继原理框图 l o 径 南京邮电大学硕1 ：研究生学位论文 第二章论文涉及的相关技术 在该中继选择