（通信与信息系统专业论文）无线自组织网络中协作跨层mac协议研究.pdf

l i j 东大学硕士学位论文 摘要 由于无线自组织网络的动态自组织和自配篱特性，以及网络的构建不需要任 何的基础设施，使得无线自组织网络特别适用于因经济条件或地理位置丽不适合 建立网络基础设施的地方。此外，未来的无线通信系统不仅需要提供良好的曛络 覆盖和可靠的数据传输，而且对传输速率以及能量效率也提出了更高的要求。 然而，恶劣的无线传输环境以及有限的频谱资源严重地制约了无线通信系统 的快速发展。由于无线自组织网络中的节点都共享无线信道，且网络中不存在任 何中心控制节点，所以各分布式节点都需要通过随机竞争来占用物理信道。当网 络孛的节点密度较大时，频繁的竞争冲突就会极大地降低无线自组织网络中的资 源剩耀率。因此，学者们提出了i e e e8 0 2 。1 1d c f 标准来协调无线自组织嬲络中 的各分布式节点有序地接入共享的物理信道，从而有效地减少竞争冲突。尽管实 现简单，但是i e e e8 0 2 1ld c f 标准中还是存在着空间重用率低和能量效率低等 闯题。 针对i e e e8 0 2 1 1d c f 标准中存在的这些问题，学者们又引入了多种物理层 技术来改善系统性能：利用发送功率控制机制来增强能量效率；利用干扰模型来 增麓空闯重用率；利用速率自适应机制来提高吞吐量。然而，当直接链路的信道 状态较差时，这些传统酶m a c 协议并不能够有效地改善系统性能。因此，学者 们近来又提出了协作m a c 协议，通过协调网络中的各分猫式节点形成虚拟天线 阵列来克服无线衰弱信道的不利影响，从而显著提高无线自组织网络中的数据传 输速率和能量效率。但是，现有的协作m a c 协议大多都只考虑了单跳性能，而 没有考虑到无线自组织网络中端到端的多跳性能。 逶过充分利用多跳网络中的无线广播特性和无线协作特性，本论文引入了新 的协作通信模型和跨层设计方法，从焉显著提嵩了无线自组织网络中的吞吐量和 能量效率性能，本论文同时还将协议设计的复杂度控制在了比较低的程度上。概 括的讲，本论文的主要研究内容为： 1 ) 在单个物理信道和单对发送接收天线的约束下，我们提出了一个联合调度 山东大学硕士学位论文 机制和发送功率控制机制的跨层m a c 协议。在该协议中，调度机制用于消除较 强的予扰源，箍发送功率控制机制则用于限期于扰的强度。在计算可调度集合时， 我们优先选择距离接收节点相对较远的邻居节点，并重新分配接收节点的最大可 容忍予扰功率，从面尽可能多地激活并发数据流。此强，我们还提盼取瀵了不必 要的数据包和确认报文的传输，从而进一步提高了网络的能量效率。 动遴过联合考虑物理层的分布式空时编码机制和毒适应调制机制以及数据 链路层的截短a r q 机制，我们提出并分析了一个适用于无线多跳网络的协作跨 层m a c 协议。遗过充分利用多跳网络中的无线广播特性和无线协作特性，该协 议构建了一个分布式两发两收的协作通信模型，并在单个时隙内实现了协作分集。 此外，本论文还给出了该协议在不同的系统模型中采焉不同的调制方式时，同时 还考虑是否采用截短a r q 机制时，在瑞利衰弱信道下的平均p e r 和s e r 性能分 析。 3 ) 我们提出了一个适用于无线多跳网络的基于链路效用的协作m a c 协议。 其中发送节点与协作发送节点通过共享天线焉形成虚拟天线阵列，同时利用多跳 网络的无线广播特性，该协议可以在单个时隙内完成协作数据传输。在该协议中， 各节点根据各自特定的发送方式以及瞬时信道状态来联合调整发送速率和发送功 率，以达到最大化各自链路效用的目的。此外，我们还提出了一个分布式的退避 机制来选择取得最大链路效用的最优合作节点，该退避机制不仅能高效地选出最 优合作节点，而且还能有效地避免控制帧的冲突。 综上所述，本论文针对现有m a c 协议中存在的问题，利用协作通信和跨层 设计的方法，来提高无线多跳自组织网络中的吞吐量和能量效率的性能，同时还 将协议设计的复杂度控制在比较低的程度上。论文最后总结了该领域尚待解决的 问题以及下一步的研究重点。 关键词：协作通信，跨层设计，链路效用，功率控制，速率自适应，截短a r q ， 媒体接入控制，空间重用，能量效率 2 山东大学硕士学位论文 i i i i l l i l l l l 一 a b s t r a c t w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k sa r ed y n a m i c a l l ys e l f - o r g a n i z e da n ds e l f - c o n f i g u r e d ，a n d d on o tn e e da n yi n f r a s t r u c t u r e , w h i c hr e n d e rw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k sq u i t es u i t a b l e f o rt h ep l a c e sc o n s t r a i n e db ye c o n o m i cc o n d i t i o na n dg e o g r a p h i cl o c a t i o n t h ef u t u r e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r er e q u i r e dt oo f f e rn o to n l yl a r g ec o v e r a g ea n dr e l i a b l e t r a n s m i s s i o nb u ta l s oh i g ht r a n s m i s s i o nr a t ea n de n e r g ye f f i c i e n c y h o w e v e r , t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si ss e r i o u s l y r e s t r i c t e db yt h eh o s t i l et r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n ta n dl i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r o e s d u e t ot h es h a r i n gn a t u r eo fw i r e l e s sc h a n n e l sa n dt h e l a c ko fc e n t r a lc o n t r o l l e ri nt h e n e t w o r k s ，e a c hd i s t r i b u t e dn o d eh a st oc o n t e n dr a n d o m l yf o rt h ew i r e l e s sc h a n n e l w h e nt h en o d ed e n s i t yi sq u i t eh i g h , f r e q u e n tc o l l i s i o n sm a ys i g n i f i c a n t l yr e d u c et h e u t i l i z a t i o nr a t eo fw i r e l e s sl 翻嚣l 羚e s 。a c c o r d i n g l y , i e e e8 0 2 i1d c fw a sp r o p o s e dt o c o o r d i n a t et h ed i s t r i b u t e dn o d e so c c u p y i n gt h ew i r e l e s sc h a n n e l si na no r d e r l yf a s h i o n , w h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e d u c ec o l l i s i o n s a l t h o u g hs i m p l e ，i e e e8 0 2 。11d c fs t i l lh a s i t so w nd r a w b a c k s ，s u c ha sl o ws p a t i a lr e u s ea n dl o we n e r g ye f f i c i e n c y a i m i n ga ta d d r e s s i n gt h e s el i m i t a t i o n s ，s e v e r a lp h y s i c a ll a y e rt e c h n i q u e sw e r e i n t r o d u c e dt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e ：t r a n s m i s s i o np o w e rc o n t r o ls c h e m ew a s u s e dt oe n h a n c ee n e r g ye f f i c i e n c y ；i n t e r f e r e n c em o d e lw a se m p l o y e dt oi n c r e a s e s p a t i a lr e u s e ；r a t ea d a p t a t i o ns c h e m ew a si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h r o u g h p u t 。h o w e v e r , t h e s et r a d i t i o n a lm a c p r o t o c o l sc a n n o ti m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l y w h e nt h ed i r e c tl i n kq u a l i t yi sp o o r f o r t u n a t e l y , c o o p e r a t i v em a cp r o t o c o l sw e r e p r o p o s e dt oc o o r d i n a t et h ed i s t r i b u t e dn o d e st of o r mv i r t u a la n t e n n aa r r a y , w h i c hc a r l b eu s e dt om i t i g a t et h ed e t r i m e n t a le f f e c t so fw i r e l e s sc h a n n e l ；t h u s ，d a t ar a t ea n d e n e r g ye f f i c i e n c yc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d m o s to ft h ee x i s t i n gc o o p e r a t i v e m a c p r o t o c o l sc o n s i d e r e do n e - h o pp e r f o r m a n c eo n l y , h o w e v e r , e n d - t o 吨n dm u l t i - h o p p e r f o r m a n c ei nw i r e l e s sa dh o c n e t w o r k sw a sn o tt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n 。 b yf u l l yu t i l i z i n gt h ew i r e l e s sb r o a d c a s ta d v a n t a g ea n dw i r e l e s sc o o p e r a t i v e 3 山东大学硕士学位论文 a d v a n t a g e ，w ei n t r o d u c en o v e lc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nm o d e la n dc r o s s l a y e r d e s i g na p p r o a c h , w h i c hc a ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h es y s t e mt h r o u g h p u ta n de n e r g y e f f i c i e n c y , a sw e l la sk e e pt h ep r o t o c o lc o m p l e x i t yi nar e a s o n a b l yl o wl e v e l i n g e n e r a l ，t h em a i nr e s e a r c hd i s c u s s e d i nt h i st h e s i sc a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 ) u n d e rt h ec o n s t m i n to fs i n g l ec h a n n e la n ds i n g l et r a n s c e i v e r , an e wj o i n t s c h e d u l i n ga n dt r a n s m i s s i o np o w e rc o n t r o lm a cp r o t o c o l i sp r o p o s e d , i nw h i c h s c h e d u l i n gm e c h a n i s mi sa d o p t e dt oe l i m i n a t es t r o n gl e v e lo fi n t e r f e r e n c ew h i l e t r a n s m i s s i o np o w e rc o n t r o ls c h e m ei si m p l e m e n t e dt ol i m i tt h el e v e lo fi n t e r f e r e n c e 。 m o r e o v e r , i no r d e rt oa c t i v a t em o r ec o n c u r r e n td a t at r a n s m i s s i o n s , w h e nc a l c u l a t i n g t h es c h e d u l a b l es e t , w ea c t i v a t e t h ef a rn o d e sp r e f e r e n t i a l l ya n dr e d i s t r i b u t et h e m a x i m u mt o l e r a b l ei n t e r f e r e n c e b e s i d e s ，s e v e r a lu n n e c e s s a r yt r a n s m i s s i o n so fd a t a p a c k e t sa n da c k n o w l e d g e m e n tp a c k e t sa r cc a n c e l l e di na d v a n c e , w h i c hc a nf u r t h e r e n h a n c ee n e r g ye f f i c i e n c y 2 ) t h r o u g hc o m b i n i n gd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d i n g s c h e m ea n da d a p t i v e m o d u l a t i o ns c h e m ea tt h ep h y s i c a ll a y e ra n de m p l o y i n gt r u n c a t e da r qs c h e m ea tt h e d a t al i n kl a y e r , w ep r o p o s ea n de v a l u a t ean o v e lc o o p e r a t i v ec r o s s - l a y e rm a c p r o t o c o l f o rw i r e l e s sm u l t i - h o pn e t w o r k s b yf u l l yu t i l i z i n gt h ew i r e l e s sb r o a d c a s ta d v a n t a g e a n dw i r e l e s sc o o p e r a t i v ea d v a n t a g e ，ad i s t r i b u t e dt w o - t r a n s m i t t e rt w o - r e c e i v e rm o d e l f o rc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni sc o n s t r u c t e da n dc o o p e r a t i v e d i v e r s i t y c a i nb e a c h i e v e di no n l yo n ep h a s e u n d e rd i f f e r e n ts y s t e mm o d e l sw i 也o rw i t h o u tt h e t n m c a t e da r qs c h e m e ，p e r f o r m a n c e so ft h ea v e r a g ep e ra n ds e r 诵t l ld i f f e r e n t m o d u l a t i o nt y p e so v e rr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e la r ea n a l y z e d 3 ) w ep r o p o s ean o v e ll i n k - u t i l i t y - b a s e dc o o p e r a t i v em a cp r o t o c o lf o rw i r e l e s s m u l t i h o pn e t w o r k s t h r o u g hs h a r i n gd i s t r i b u t e da n t e n n a sa n df o r m i n gv i r t u a la n t e n n a a r m y , t r a n s m i t t e ra n di t sp a r t n e rc a l lf i n i s ht h ec o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ni no n l yo n e p h a s e b a s e d o nt l l e i rs p e c i f i ct r a n s m i s s i o nt y p ea n dt h ei n s t a n t a n e o u sc h a n n e l m e a s u r e m e n t s , e a c hn o d et r i e st om a x i m i z ei t so w nl i n k - u t i l i t yb yj o i n t l ya d j u s t i n g t r a n s m i s s i o nr a t ea n dp o w e r m o r e o v e r , i no r d e rt os e l e c tt h ec o o p e r a t i v en o d e , w ea l s o 山东大学硕士学位论文 p r o p o s ead i s t r i b u t e db a c k - o f rs c h e m e ，w h i c h c a nn o to n l ys e l e c tt h eb e s tn o d e e f f i c i e n t l y , b u ta l s oa v o i dt h ep a c k e tc o l l i s i o n se f f e c t i v e l y i ns u m , a i m i n ga ta d d r e s s i n gt h ep r o b l e m si nt h ee x i s t e dm a cp r o t o c o l s ， c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n sa n dc r o s s 一1 a y e rd e s i g nm e t h o d 羽p r o p o s e dt oi m p r o v e t h e t h r o u g h p u ta n de n e r g ye f f i c i e n c yp e r f o r m a n c e i nw i r e l e s sm u l t i - h o pa dh o c n e t w o r k s ，m e a n w h i l et h ep r o t o c o lc o m p l e x i t yi sa l s ok e p ti nar e a s o n a b l yl o wl e v e l f i n a l l y , p r o b l e m st ob es o l v e di nt h i sf i e l da n df u t u r er e s e a r c ht o p i c sa les u m m a r i z 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 s ， c r o s s , 一1 a y e rd e s i g n , l i n k u t i l i t y , p o w e r c o n t r o l ，r a t ea d a p t a t i o n , t r u n c a t e da r q ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，s p a t i a lr e u s e ，e n e r g y e f f i c i e n c y s 山东大学硕士学位论文 n m ,i i a c k 避 a r q 套礅 k n q 姨 b p s k c a j c b r c c i 舱c c r c c s i c s m 陵c a c t s c w d c f d 疆s g l l a c k l 二n a c l ( l c m a c 弘p s k m - q a m m a c m i m o 6 缩略语简表 p o s i t i v ea c k n o w l e d g e m e n t肯定确认 a u t or a t ef a l l b a c k自动速率调整 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t自动重传请求 a c c e s sw m d o w接入窗口 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e加性白高斯噪声 b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g二进制相移键控 c o l l i s i o na v o i d a n c ei n f o r m a t i o n冲突避免信息 c o n s t a n tb i tr a t e常数比特速率 c o o p e r a t i v ec r o s s - l a y e rm a c 协作跨层媒体接入控制 c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e循环冗余码校验 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n信道状态信息 c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s载波侦听多点接入 弼t hc o l l i s i o na v o i d a n c e舯突避免 c l e a rt os e n d清除发送 c o n t e n t i o nw m d o w 竞争窗口 d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n分布式协调功能 d c fi n t e r v a lf r a m es p a c ed c f 帧间隙 g r o u pi n d i c a t i o n 组指示 l o c a lp o s i t i v ea c k n o w l e d g e局部肯定确认 l o c a ln e g a t i v ea c k n o w l e d g e局部否定确认 l i n k - u t i l i t y - b a s e dc o o p e r a t i v em a c基于链路效用的协作m a c m u l t i p l ep h a s es h i f tk e y i n g多进制相移键控 m u l t i p l eq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 多进制正交幅度调钊 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 m e m b e ri n d i c a t i o n成员指示 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 山东大学硕士学位论文 m i s o m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t多输入单输出 m r cm a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g最大比合并 n a c k n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n t 否定确认 n a vn e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r网络分配矢量 p c fp o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n分奄式协调功能 p c m ap o w e rc o n t r o lm u l t i p l ea c c e s s功率控制多址接入 p d f p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n概率密度函数 p e rp a c k e te r r o rr a t e报文错误概率 q p s kq u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g正交相移键控 r b a rr e e e i v e r - b a s e da u t or a t e基予接收节点的自动速率 跹cr e c r u i t征募 r t h r e a d y t oh e l p准备好帮助 r t r r e a d yt or e c e i v e准备好接收 r t s r e q u e s tt os e n d 请求发送 r 1 厂r r e a d yt ot r a n s m i t 准备好发送 s e r s y m b o le r r o rr a t e符号错误概率 s l f ss h o r ti n t e r - f r a m es p a c e短帧闽闯隙 s i s o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t单输入单输出 s n r s i g n a l - t o - n o i s er a t i o信噪比 t d m a f t m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s时分复用 t p ct r a n s m i s s i o np o w e rc o n t r o l发送功率控制 v m i m ov i r t u a lm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t虚拟多输入多输出 w b aw i r e l e s sb r o a d c a s ta d v a n t a g e无线广播特性 w c aw t r e l e s sc o o p er a t i v ea d v a n t a g e无线协作特性 w l a nw i r e l e s s 抽c 鑫la r e a n e t w o r k s无线局域网 7 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 各种便携式设备，如笔记本电脑，手机和个人数字助理等，在人们的专业工 作和r 常生活审扮演着越来越重要的捧用，并且这些被广泛使焉的通信设备正在 逐渐改变着人们通信交流和信息共享的方式。如今，人们又开始要求能够在任何 时闻、任何地点都能够接入霹络来了解任何需要的信息。正是这种无所不在的应 用需求促使无线自组织网络成为了人们关注的焦点。 无线自组织网络茂翟通常是出许多移动节点构成的完全分布式的阕络，并且弱 络的构建不需要任何的基础设施，可以由移动节点以较小的成本代价，在较短的 时间内自发地组织运行。无线自组织网络中的每个节点在功能上通常都是等价的， 且各节点都可以根据实际应用需求来充当源节点，目的节点或转发节点。另外， 无线囟组织网络还可以利用多跳转发来扩大网络的覆盖范围，当网络中任意两个 节点之间都可以直接通信时，无线自组织网络也可以被看做是一个单跳的数据传 输网络。正是出于以上特性，使得无线自组织网络特别适用于因经济条件或地理 位置而不适合建立网络基础设施的地方，如军事应用，紧急救援和抢险救灾等领 域。此外，无线自组织网络还可以应用于组建临时会议网络和家庭网络等l 弼。 由于无线自组织网络中的各分布式节点都共享无线信道，且网络中不存在任 何中心控制节点，所以每个节点都需要通过随机竞争来占用物理信道。然而，当 无线自组织网络中的节点密度较大时，频繁的竞争冲突就会极大地降低网络中的 资源利用率。而媒体接入控制 队c ) 协议则可以用于协调网络中的各分布式节点 有序地接入共享的物理信道，进而有效地减少竞争冲突1 4 l 。目前，在无线局域网 ( w l a n ) 中普遍采用的m a c 协议标准是i e e e8 0 2 i id c f 和i e e e8 0 2 1 lp c f 嘲。 出于无线信道的时变衰弱和邻居节点的信号干扰是影响无线节点发挥最大潜力转 发数据报文的重要障碍，而多输入多输出( 1 订江o ) 系统1 6 呗0 恰好可以通过实现空间 分集来有效地对抗无线信道的不利影响，从而显著提高无线通信系统的传输性能。 然而，由于物理尺寸和成本开销的限制，在一个无线移动节点上安装多根天线通 3 山东大学硕士学位论文 常是不切实际的。所以，学者们又引入了协作通信技术，使得在地理位簧上较为 接近的多个分布式节点可以协同工作并形成虚拟m i m 0 ( v m i m 0 ) 系统。如果将 虚拟m i m o 系统与分布式空时码结合使用，虚拟m i m o 系统则能够像m i m o 系 统一样极大地提高系统性能。因此，协作m a c 协议l 霹在无线自组织网络中的应 用使得到了广泛的关注。 1 2 无线自组织网络面临的主要问题 有线和无线透信网络的快速扩张已经导致了巨大的能量消耗并产生7 许多的 环境问题。近来有报道显示，移动服务供应商每年的运营成本中有将近一半的费 用都用于支付能量的开销隅l 。如果网络设备的能量消耗与网络流量保持相等的增 速，就会给我们的社会带来不可估量的经济压力以及环境问题。因此，有效地降 低网络中的能量消耗是目前非常重要的一个课题，它不仅有利于缓解经济压力和 环境阀题，弱时也能够使网络设备保持更长时闯的连续运营。 在实际应用中，秃线自组织网络通常都是动态叁组织和自配置的，所有的分 布式麓点都需要自动与邻居节点建立网络连接，且剩用多跳转发来有效地扩大无 线网络的覆盖范围并简化网络连接的维护。然而，无线多跳网络中的固有特性则 显著加大了m a c 协议设计的复杂度，例如无线信道的动态变化问题、隐终端和 暴露终端问题翻、以及数据流内和数据流白j 的竞争问题1 0 l 等等。 由于无线多跳网络中的固有问题，传统的分层方法已经不能够适用于如此动 态变化的网络场景。荠显在传统戆分层方法中，协议栈中一个协议层的设计会影 响到其它协议层的性能。例如，通过调整物理层的发送速率和发送功率会影嚷 m a c 层的竞争程度；网络层的路由选择也会影响到m a c 层的竞争程度；m a c 层频繁的传输失败也会导致路由的重建与更新。因此，如何设计灵活且实用的跨 层协议l l l ，1 2 】来有效地协调各协议层并显著提高系统性能，是无线自组织网络中面 临的一个重要问题。 9 山东大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 传统m a c 协议 i e e e8 0 2 “d c f ! 司是针对无线局域网而提出的基于载波侦听多点接入胂突 避免( c s m a c a ) 的通信标准。根据i e e e8 0 2 1 ld c f 标准，网络中的每个竞争节 点在发送数据包之前都需要先侦听物理信道。当侦听到物理信道空闲时间超过 d c f 帧闻隙( d i f s ) 周期后，节点就需要启动自己的定时器，然后一直等到定时器 递减到零时再开始发送。该定时器的退避时间实际上就是备节点根据自己的竞争 窗口( c w ) 而随机选定的。若节点在定时器终止前就侦听到物理信道变忙，该节点 就需要暂停当前定时器，并等到下一次侦听到信道空闲时间超过d i f s 周期后再 重新启动定时器。d c f 协议还采用了请求发送( r t s ) 帧和清除发送( c t s ) 帧的交互 来减少数据包的冲突概率，并利用确认( a c k ) 帧来确认数据包的正确接收。若发 送节点在发送完数据包震的一段时间内没有能够收到a c k 帧，发送节点就会认 为该数据包发送失败并进行该数据包的重传。根据d c f 协议，各节点的竞争窗口 起初都被设置为c 酝，随后每经历一次竞争失败，节点使将自己的竞争窗嗣加 倍，直到达到最大竞争窗口c 为止。在每次数据发送成功后，节点又会将自己 的竞争窗口重新设定为c 。 尽管实现较为篱单，但是d c f 协议中还是存在着一些阕题。首先是能量效率 比较低，即使发送节点和接收节点之间的距离很近，网络中每个发送节点还都是 采用相同的发送功率来发送数据包；其次是网络的空问重用率比较低，当有一今 节点在发送数据时，所有在该节点载波侦听范围内的节点都需要保持沉默，即便 邻屠节点的数据传输不会打断当前的数据传输。 利用发送功率控制f r p c ) 机制1 1 3 l 可以有效地规避i e e e8 0 2 1 1d c f 协议中能量 效率低的问题。发送节点可以根据自己与接收节点之闻的距离以及瞬时信道状态 信息( c s l ) 来动态地调整自己的发送功率，这样既能确保数据包的正确传输，又可 以不对其它数据流产生过多鲶干扰。文献l h l 给出了无线自组织网络中发送功率控 制机制的三个重要设计目标：保证网络连接、提高网络生存周期、以及设计能最 1 0 山东大学硕士学位论文 小化能量消耗的路由算法。文献i l5 j 则提出了一个功率控制多址接入( p c m a ) 0 勺协 议，其中每个接收节点都需要利用独立的物理信道发送忙音脉冲来广播自己所能 承受的最大干扰功率，该脉冲信号实际上就是用于限制干扰节点的发送功率的。 然而p c m a 协议规定，得不到回复的节点需要重复多次地发送r t s 帧，这就导 致了节点能量和信道带宽的浪费。文献 6 1 提出的p c d c 协议则着重考虑了协议栈 中m a c 层和网络层之间的相互作用，即通过在m a c 层上调整发送功率来闽接 影响网络层上的路由选择。p c d c 协议利用了两个在频域上相互独立的物理信道 和两对发送接收天线来提高无线自组织网络的吞吐量，显然这是以额外的硬件开 销并增加实现复杂度为代价来获得性能增益的。文献( 1 7 】贝0 提出即使在r t s 帧和 c t s 帧的最大发送范围外的节点同样也可能对接收节点产生干扰，并导致发送功 率较低的数据传输被干扰节点所打断。注意到这一点，文献p 刁就周期性地使糟最 大发送功率：并剥用物理载波侦听来通知干扰节点保持沉默，但是这也导致了该协 议的空间重用率的降低。 此外，针对无线自组织网络中空间重用率比较低的问题，人们又提出利用冲 突避免信息( c a d 来激活并发数据传输，从而提高无线t l 组织网络的空间重用率。 文献5 l 提出了一个利用单个物理信道和单对发送接收天线的媒体接入控制 ( p o w m a c ) 协议来提高网络吞吐量。在传输并发数据之前，p o w m a c 协议需要 在接入富强( 趟的内完成多对r t s 帧和c t s 帧的交互，然褥这些冗余的控制开销 却浪费了许多稀缺的无线嬲络资源。在p o w m a c 协议的基础上，文献1 1 9 1 又提出 了一个增强的c t m a c 协议来解决p o w m a c 协议中的传输时延长和控制开销多 等问题。但是，在c t m a c 协议中，对并发数据流的传输仍然需要对r t s 帧和c t s 帧的交互，即系统性能仍然有迸一步提升的空间。此外，文献1 2 0 】则提出 了一个发送功率自适应的m a c ( a t p m a c ) 协议，该协议也仅需要单个物理信道和 单对发送接收天线。与p o w m a c 协议相比，a t p m a c 协议通过削减控制开销来 实现吞吐量的提升，即对并发数据流的传输仅需l 对r t s 帧和c t s 帧的交互。 但是在a t p m a c 协议中仅采用了较为简单的方式- 来限制邻居节点的发送功率， 特别是在节点密度较高的网络环境中并不能够最大化并发数据流的个数。此外， a t p m a c 协议也没有能够考虑到取消不必要的数据包和控制报文的传输，从而导 山东大学硕士学位论文 致了能量效率的降低。 针对无线信道的时变衰弱特性，人们还提出了利焉直接速率自适应机制来提 高无线自组织网络中的吞吐量性能。有效的速率臼适应机制不仅需要能够准确地 估计瞬时信道状态信息，焉且还需要能够快速地对时交的无线衰弱信道做出反应。 直接速率自适应机制一般可以分为两类，即基于发送节点的速率自适应机制和基 于接收节点酶速率自适应机制。自动速率调整协议是无线爨组织网络中 提出的第一个基于发送节点的速率自适应机制。a r f 协议将帧错误率作为信道状 态的指示，并根据翦几次数据传输的结采来调整巍蒋的数据传输速率。此外，在 基于接收节点的自动速率( r b a r ) 协议【2 2 】中，接收节点则通过检测控制报文r t s 帧的强度来佶计瞬时的信道状态信息，从焉逐个缀文地调整发送速率。然霜，当 直接链路的信道状态较差时，这些非协作的直接速率自适应机制并不能够有效地 改善系统性能。 1 3 。2 协作m a c 协议 有限的频谱资源以及时变的衰弱信道是无线通信系统所面临的两个重要问 题。尽管m i m o 系统能够通过实现复用增益和分集增益来提高无线通信系统的系 统容量和传输可靠性，但由于物理尺寸和成本开销的限制，在一个移动终端上安 装多个天线通常都是不切实际的。幸运的是，协作通信方法 2 3 , 2 4 1 能够通过协调无 线自组织网络中的分布式节点来实现虚拟m i m o 系统，即在地理位置上较为接近 的多个节点可以共享天线并形成虚拟天线阵列，如此便可以在不增加各节点天线 的同时获得分集增益。协作通信的优势可以简要概括为：在时变的衰弱信道上增 强数据传输的可靠性：提高数据传输速率并降低通信时延；降低发送功率并提高 网络空闻重用；扩展单跳传输范围并扩大鼹络覆盖范围。 目前大多数协作通信方面的研究还都处在物理层i 答硐，都是利用信息论的方 法来分析并且验证协作通信的优势。然而，如何把这些物理层的协作方法应用到 实际的网络协议中还面临着许多问题1 2 7 1 。例如，物理层的理论研究通常都不考虑 用于维持网络连接的控制开销，但是这些控制开销在实际应用中对系统性能的影 响却是不可忽略的，特别是当数据包的长度比较短的时候。因此，在物理层协作 1 2 山东大学硕士学位论文 技术的基础上，设计有效的高层协议来进一步增强无线自组织网络的吞吐量以及 传输可靠性是非常有必要的。 文献搿3 i 和文献【2 羽分别提出了基于重传与基于空时码的协作数据传输。受到这 两个协作算法的启发，学者们又提出了许多协作m a c 协议来协调分布式节点， 从悉实现协作分集并提高系统性能。 文献【2 9 l 和文献f 3 0 l 提出了鼹个类似的协作m a c 协议( r d c f 和c o o p m a c ) ，它 们都是用来解决由低速率传输节点所引起的吞吐量瓶颈问题。r d c f 协议和 c o o p m a c 协议都是通过选择快速的两跳数据传输来替代低速的直接数据传输， 从而在直接链路质量较差的情