（通信与信息系统专业论文）ieee80211无线网络跨层协作方法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 m i m o 技术能获取很好的分集增益，提升系统性能，被认为是最有潜力的无 线网络发展方向之一。但是m i m o 技术要求多天线，这对于受体积、能量、成本 等多方面限制的移动终端而言并不现实，于是提出了一种分布式的m i m o 技术， 节点之间互相利用彼此的天线，在一定区域内形成一个虚拟的天线阵( v a a ) ，以 此获取m i m o 增益。协作通信技术，正是实现分布式m i m o 的关键技术。 本文首先对无线网络的概念、特点、关键技术及应用领域等做了简要介绍， 并对无线互联网中现有的协作方法研究成果进行了深入的分析与比较。然后，鉴 于现有的协作方法在选取协作中继，计算协作增益方面只考虑了物理层增益，而 忽略了上层开销，本文提出了一种将物理层增益与上层开销相结合的跨层联合协 作方法，设计了一种动态协作m a c 机制，d c m a c 。d c m a c 利用无线信道的广 播特性来获得信道信息，选择最合适的协作节点参与协作并高效预留信道，该方 法涉及到协作节点的判断，选择，信道资源的预留以及协作表的更新维护，并且 考虑了协议的兼容性，在i e e e s 0 2 1 1 的基础上对帧格式进行了重新定义和修改， 使其能很好的支持协作功能的同时，又能兼容现有协议。 利用m a t l a b 软件验证，对现有的一些非跨层协作方法，及其我们所提出的 跨层联合的协作方法，以及基于该方法所设计的d c m a c 机制，进行了仿真和性 能评估。仿真结果表明，我们所设计的考虑上层开销的跨层联合协作方法和 d c m a c ，比传统的仅仅考虑物理层增益的协作方法和相关的c o o p m a c 相比， 有更好的性能。 关键词：无线网络，i e e e8 0 2 1 1 ，m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，协作通信，中继 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t m i m ot e c h n o l o g yc a l lo b t a i nd i v e r s i t yg a i n ，i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e ，w h i c h i sc o n s i d e r e dt h em o s tp r o m i s i n gd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sn e t w o r k s h o w e v e r , t h i st e c h n o l o g yo fm i m or e q u i r e sf o rm u l t i - a n t e n n a , w h i c hr e s t r a i n tb y v o l u m e ，e n e r g y , c o s ta n do t h e ra s p e c t so fm o b i l et e r m i n a l si sn o tp r a c t i c a l ，t h e n ，t h e r e s e a r c h e r sp r o p o s ead i s t r i b u t e dm i m ot e c h n o l o g y , a m o n gn o d e su s i n ge a c ho t h e r s a n t e n n a , c r e a t i n gav i r t u a la n t e n n aa r r a y ) i na c e r t a i nr e g i o n ，w h i c hc o u l do b t a i n m i m og a i n i t sc a l l e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yt o a c h i e v ead i s t r i b u t e dm i m o i nt h i s p a p e r , f i r s t l y , t h ec o n c e p to fw i r e l e s sn e t w o r k s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，k e y t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o nf i e l d sa r ei n t r o d u c e db r i e f l y , a n dt h e nt h ee x i s t i n gm e t h o do f c o o p e r a t i o nr e s e a r c h e si nt h ew i r e l e s sn e t w o r k sa r ec o n d u c t e di n - d e p t ha n a l y s i sa n d c o m p a r i s o n a f t e rt h a t ，i ts h o w st h a tt h ee x i s t i n gm e t h o do fc o o p e r a t i o ns e l e c t e c o o p e r a t i v er e l a yb a s e do np h yg a i no n l y , a l lo ft h e mn e g l e c tt h eo v e r h e a do fm a c l a y e ra n du p p e rl a y e r s ，w h i c ha r ei n f l u e n t i a l t h i sp a p e rp r e s e n t saw a yt oj o i n tt h ep h y g a i nw i t ho v e r d e a do fu p p e rl a y e r , c a l l e dc r o s s - l a y e r c o m b i n a t i v em e t h o do f c o o p e r a t i o n ，a n dd e s i g nad y n a r n i ec o o p e r a t i v em a cm e c h a n i s i m ( d c m a c ) t h e d c m a cm a k e sf u l lu s eo ft h eb r o a d c a s t i n ge h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e lt oo b t a i n c h a n n e li n f o r m a t i o n ，c h o o s e st h em o s ts u i t a b l ec o o p e r a t i v en o d e s ，a n dr e s e r v e sw i r e l e s s c h a n n e le f f i c i e n t l y , t h ef r a m ef o r m a t sa l er e d e f i n e da n dm o d i f i e ds ot h a tt l l c yc a n s u p p o r t e dc o o p e r a t i o n , a n dc o n s i d e r st h ec o m p a t i b i l i t yw i t hi e e e 8 0 2 1 1 w i t hm a t l a b ，w ec o m p a r ec r o s s - l a y e rc o m b i n a t i v em e t h o do fc o o p e r a t i o na n d d c m a cw i mn o n - c r o s s - l a y e rc o m b i n a t i v em e t h o do fc o o p e r a t i o n e v a l u a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tc r o s s - l a y e rc o m b i n a t i v em e t h o do fc o o p e r a t i o na n dd c m a cc a nc h o o s et h e m o s ts u i t a b l ec o o p e r a t i v en o d e st oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k s ，i e e e8 0 2 11 ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n ，r e l a y h 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题选择的背景 随着无线通信的不断发展和新无线频率资源的不断开发，以及互联网和移动互 联网技术的快速发展，未来移动互联网必将是多种接入标准并存的异构复杂网络， 网络中节点将越来越智能化、微小化，并拥有更多的无线接口，比如现有许多移动 办公设备已经开始集成w l a n ( i e e e 8 0 2 1 1 a b g ) 、蓝牙、红外、w i m a x 等接1 ：3 ， 甚至蜂窝接入模块( 如c d m a 模块) 。而现有技术条件下，网络中这些节点的接口资 源是独占的，使用效率极低。比如某个用户的移动终端拥有一个连接i n t e m e t 的接 口，但却很少使用，与此同时，另一个相邻的用户，急需接入i n t e m e t 却苦于没有 该接口，而实际上这两个终端可以通过其他接口互联，因此增加了使用成本。显然， 提供一种自动连接共享并充分利用多个终端的连接资源，可以在降低系统成本和用 户成本的同时提高系统容量和用户的满意度。 因此，基于无线资源匮乏、无线移动互联网的智能化、异构化等多种因素考虑， 研究异构条件下的自组织协作传输体系结构及相关技术规范和标准，对于推动高 速、自组织、低成本、泛在无线无缝覆盖具有重要的应用价值和市场前景，可以加 速特别是广大中小城市的无线信息产业链中新经济增长点的形成。 移动互联网正在成为电子信息产业新的经济增长点，但是需要突破无线带宽资 源的有限性，来满足互联网业务所需的高传输带宽需求。 多输入多输出( m i m o ) 技术可以极大地提高无线通信系统的容量。m i m o 技术 使用多跟发射天线和多跟接收天线进行无线传输的技术。其主要特性是把多径传播 环境转变为对用户有利的因素：利用m i m o 信道提供的空间复用增益来提高信道 的容量，同时又利用m i m o 信道提供的空间分集增益来有效消除无线信道多径、 时变衰落的影响，提高信号传输的可靠性，降低误码率。这种能极大提高无线通信 性能，又不需要以频谱为代价的技术已经成为现代通信中最重要的技术之一。 但由于移动终端收到体积、功率、实现等多方面因素的限制，主要用于基站侧， 不能用于日益小型化泛在化的移动终端。基于协同接力传输的分布式虚拟m i m o 技术有望降低m i m o 技术的实现复杂度和成本，可能成为泛在、低成本无线传输 的物理层核心技术。自组织( a dh o e ) 组网协议及技术则在m a c 及以上层次进行终 端间协同传输，是w l a n 及未来移动互联网的组网模式。因此，在移动互联网的 异构化、无中心化条件下，二者的充分结合是实现低成本、易部署、无缝覆盖“新 一代宽带无线移动通信网”( n g w m n ) 的理想方案之一。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 课题研究的意义 现今对虚拟m i m o 技术的研究还停留在理论方面，系统模型和关键机制有待 突破；关于自组织网络层间协作的研究大多是“自底向上”方式( m a c 层利用物理层 的状态信息进行资源优化等) ，“自顶向下”方式( m a c 层主动提供必要信息以便物理 层进行优化) 的m a c 网络层与物理层的层间优化研究很少；虚拟m i m o 技术与自 组织网络m a c 机制的联合优化还未见报道。因此，二者结合的体系结构与优化控 制技术等方面还有许多关键问题亟待解决，本课题皆在重点研究并解决这些关键问 题，为异构、低成本、泛在、无缝覆盖的移动通信提供理论及技术支撑。 第二代移动通信系统已度过了发展的巅峰期，而早在十几年前就开始进行预研 的第三代移动通信系统( 3 g ) 正在逐步走向商用化。无线通信技术的迅猛发展和互联 网在各个领域的深入渗透促进了移动互联网技术的快速发展。 移动互联网作为互联网与无线移动通信技术的结合，其实质是基于无线传输技 术的互联网，它可为人们提供无处不在的泛在接入，可以将人们从现有互联网的固 定接入点解脱出来，以其便利性、灵活性、移动性可以极大地提高生产率，因而正 在并必将成为信息产业经济的新增长点，且被看成一个国家科技发展水平的重要标 志之一。为此，国际国内均启动了b 3 g 4 g 计划，如玎u 的b e y o n d i m t - 2 0 0 0 计划、 第四代( 4 g ) 系统的标准化工作，以及我国的未来通用无线环境技术( f u t u r e ) 的国家 “8 6 3 ”研究计划( 2 0 0 2 年正式启动) 等【1 】1 2 1 。 除了解决高度动态的移动接入难题以外，最重要是要提供与有线固网相当的无 线传输带宽，才能给人们提供现有固定互联网上相同或类似、甚至未来带宽密集型 的互联网业务接入体验。但是，一方面已分配和可分配的无线频率资源远无法和固 定网络带宽资源比拟，另一方面，现有已分配无线资源由于分配相对固定，灵活性 差，造成资源浪费。在蜂窝通信系统中，可以通过降低蜂窝小区大小，如采用智能 天线技术和微蜂窝技术，在提高频率复用度的同时增加用户密度，解决容量问题， 但这些提高是很有限的。 目前除了启用免执照频段并采用全新的接入体制进行宽带传输技术( 如i e e e 系 列标准中的w l a n 技术和w m a n 技术等) 以外，提高无线传输带宽的途径包括： 采用多输入多输出0 沮m o ) 技术，及其衍生技术，如分布式多天线( d a s ) 、分 布式无线通信和虚拟m i m o 技术，充分利用空间分集提高系统容量。 采用分布式协同传输机制，在m a c 层及以上层引入终端间的协作、接力机 制，进行所谓合作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 用户分集( u s e rd i v e r s i t y ) 等。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 本文工作 本课题基于国家自然科学基金项目和华为合作项目的支持，首先对针对新一代 宽带无线接入网络的中继( 多跳) 特性进行了研究，详细了解了无线网络中继特性， 协作通信的定义、主要特点及其应用范围。然后系统介绍了基于协作通信的无线网 络以及相关协议，在此基础上，收集了大量资料，详尽综述了现有的多种具有代表 性的协作方法，对它们各自的协作方式及特点进行了深入的研究，并对它们各自的 优缺点进行了分析比较。 在对非跨层的协作方法进行了深入研究分析基础之上，针对非跨层协作方法没 有考虑上层开销这一不足，进行了改进和优化。鉴于非跨层协作方法在选取协作中 继伙伴，分配网络资源，节点之间的通告以及性能优化等方面，仅仅考虑物理层产 生的协作增益，而没有考虑网络上层因为引入协作节点而带来的开销，本文提出了 一种跨层协作方法，既计算了采取协作所获得的物理层增益，又充分考虑了因为协 作中继参与通信而增加的协作开销，在此基础上，提出了动态协作m a c 机制 ( d c m a c ) ，充分利用无线信道广播特性获取信道信息，选择最优协作中继，高效 预留信道。与此同时，考虑了协议的兼容性，在i e e e 8 0 2 1 1 协议基础上，对相关 帧格式进行了修改扩充，使其符合协作特性的同时，又能兼容现有协议。 本课题利用m a t l a b 仿真工具对本课题提出的跨层联合协作方法，以及基于 该思想的d c m a c 进行了性能评估，分别在不同的场景中对d c m a c 中基于跨层 思想的协作方法，以及传统非跨层协作方法进行了详细对比分析，证明了d c m a c 的有效性。 1 4 章节安排 第一章，在回顾无线网络快速发展的基础上，分析了其中亟待解决的关键性问 题及其解决方案m 刀o ，与此同时介绍了本课题的研究背景以及研究计划。 第二章，介绍了m i m o 技术的基本概念、特点和挑战性问题，以及协作通信 的由来。并且对协作理论的发展，协作中继传输，用户协作，技术特征以及同构协 作和异构协作作了详细介绍。 第三章，收集了大量协作通信的研究成果，对其中具有代表性的研究进行了详 尽介绍，通过对这些路由协议特点的分析，比较了它们各自的优缺点。 第四章，作为本文的重点，通过对协作通信相关的协作方法深入分析，在现有 非跨层的协作方法基础上，详细介绍了本文提出的考虑上层开销的，基于跨层思想 的跨层协作方法，以及适应于协作通信的动态协作m a c 机制，d o 江a c ，并且进 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 行了大量的性能评估，验证该方法的有效性。 第五章，对本文所提出的跨层协作方法进行了性能评估与验证。 第六章，总结本文所做工作并提出下一步的工作方向，展望未来协作通信的发 展方向。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线网络中的协作通信 第二章无线网络中的协作通信 2 1m i m o 技术的发展 2 1 1 从m i m o 技术到虚拟m i m o 技术 多输入多输出( m i m o ) 技术可以提供比单输入单输t 丑( s i s o ) 系统高许多倍的传 输容量，因而受到广泛关注，并从常规m i m o 系统逐渐演变到分布式天线系统 ( d a s ，d i s t r i b u t e 加la n t e n n as y s t e r n ) 、分布式无线通信通信( d w c s ，d i s t r i b u t e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，最后发展到虚拟m i m o 技术，又称虚拟天线阵列 ( v n - t u a la n t e n n aa r r a y ) 技术。 根据 3 】给出的经典理论，一个( m ，阶m i m o 系统，即有m 副发送天线和n 副接收天线的m i m o 系统( 见图1 ) ，其系统容量将随阶数特别是n 的增加线性增长， 已有实验表明可以获得高达几十b i t h z s 的信道容量。但是，一方面，系统容量的 提高仅在m i m o 阶数( 收发天线数) 足够高时才比较明显：另一方面，图2 1 给出的 模型采用“天线集中、处理集中”的模式，在具体实施上还有许多限制，如要求天线 间距离至少x 4 以上，以使子信道间的相互独立( 不相关) 。 发送信号 处理 接收信号 处理 图2 1 一个m * n 的m i m o 系统示意 2 1 2各种m i m o 技术的比较 为了便于实施m i m o 技术，人们提出了两种新的m i m o 系统：分布式天线 系统( d a s ，d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ) t 4 ，5 ，6 ，7 j ；分布式无线通信系统w c s ， d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) i s 9 】。表2 1 给出了几种m i m o 系统的对 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线网络中的协作通信 比。 表2 i 各种m i m o 系统对照 基本原理特点典型代表 d a s 高速光纤网+ 分布式天 天线分布 总线式分布式天线( b d a s ) 系统【4 】 线。利用光纤汇聚或分发各 集中处理 星形分布式天线( s d a s ) 岱1 天线单元的信号，并在处理节通用分布式天线系统( g d a s ) 嘲 点处集中进行信号处理和分 层叠分布式天线系纠刀 发控制 d w s 引入了虚拟小区和虚拟天线分布 基站概念，移动终端 m 可以 处理分布 选择邻近的天线单元为其服 务，以适应其移动或周围传输 环境的变化 幽 基于自组织和多跳接力天线分布 通信，故又称协作通信( c c ) 系 处理分布 统，或者接力通信0 地) 系统等 协作接力 1 1 l 】 虽然相比传统m m o 系统，d a s 和d w c s 系统中天线可以布置灵活，其中 d w c s 具有更好的开放性、灵活性和扩展性，但天线单元与信号处理单元间需要较 高带宽资源( 如采用光副载波调制系统等) 用于信号传输，因而不适用于终端系统， 主要用于基站侧。 为此，m i s c h ad o h l c r 等【m 】【l l 】提出了虚拟多天线阵歹, j ( v a a ，v l r t u a l a n t e n n a a r r a y ) 概念。如图2 4 所示，在蛆系统中，若干单天线终端可以进行协作组成v a a 小 区，于是基站与v a a 小区可以组成分布式虚拟多天线系统，即虚拟m i m o 系统， 这样一方面降低了对终端天线数量的要求，另一方面可以充分利用终端间信道的独 立性和分集效果以提高系统容量。 基于其终端间的相互协作和多跳接力思想，人们从不同的侧面进行研究，并在 许多文献中又称协作通信( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 系统【2 0 ，2 1 , 2 2 , 2 3 ，或者接力通信 ( r e l a yc o m m u n i c a t i o n ) 系统等【1 1 1 。图2 5 给出了一个v a a 系统的更一般模型，无基 站的执系统，其中若干个无线终端组成一个v a a 小区，小区内的终端通过信息 共享和信息接力把待发送的信息转发给下一小区( 可能是接力小区) 【1 0 ，1 1 j 。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线网络中的协作通信 c s p - c c n t r a ls i g n a l 信号传输 r a u r e m o t ca n t e m e tu n i t 图2 2 典型的分布式天线系统 分布式高层控制 ljlj r r1 分布式信号处理 上，、上，、上111111 11 i11111111 。、上，、上， 肜网抛 图2 3d w c s 系统的逻辑结构 7 刀硒 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线网络中的协作通信 图2 4 典型的虚拟多天线系统 终 由于v a a 技术能在提高系统容量的同时降低对终端天线数目的要求，具有更 高的灵活性，有望实现低成本的无缝无线覆盖，可能成为未来泛在、易扩展、分布 式移动通信组网及自适应信息传输的主流方式，因此具有一定应用前景。 如前所述，虚拟m i m o 技术实际上是一种基于合作接力的空间分集技术。由 于j 。l a l l e m a n 等 2 0 l 的工作，越来越多的文献采用合作分集( c d ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 【2 1 h 矧，或者用户分集( u d ，u s e rd i v e r s i t y ) z 6 , 2 7 雕j 概念。 事实上，基于多跳接力的协作传输思想早在自组织( a ah o e ) 霞j 络技术中采用， 并成为许多标准的核心协议和技术，如i e e e 8 0 2 1 6 系列w m a n 、无线m e s h 网络 以及传感器网络技术等。这类网络中，因应用环境的限制，无法或者不需要建立基 站，各节点以无中心的自组织( a dh o e ) 模式工作。当一个节点需要同一个其无线覆 盖范围之外的节点进行通信时，可以借助该节点对之间的一个或多个转发节点( 相 当于路由器) 进行接力传输，即进行多跳接力传输。由于多跳a dh o e 网络具有无中 心、成本低、易部署的特点，在许多商用和军事场合广泛采用。 2 1 3该研究方向的问题 综上所述，虚拟m i m o 技术以及合作分集技术在真正实用前还有许多关键技 术问题亟待解决。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线网络中的协作通信 源 源v 从小区 接力v 从小区 秀：一 m i 啪传输 信息共享 接力v 从小区 目的v 从小区 图2 5 分布式m i m o 的一般模型 的终端 首先，现有关于分布式多天线0 讧o ) 系统或k a 的研究大多做了较理想的假 定，直接沿用了常规m i m o 系统模型进行理论分析。而虚拟m i m o 技术中涉及到 多终端、多跳协作通信，已不再是单纯的物理层技术，还涉及到无线资源调度和 m a c 接入等过程。因此，现有m m o 模型过于简单，具有很大的局限性，仅适用 于“集中式处理”的m i m o 系统。 其次，v a a 小区内的终端需要额外的信道资源和高效可靠的协作机制，才能 完成有效的协作和接力【2 8 】；同时，v a a 小区中的终端集合是动态 的，因此终端如 何互相发现并进行聚簇是非常重要的环节，但目前相关文献均未对此进行深入讨 论。尽管有文献指出终端的聚簇( c l u s t e r i n g ) 1 2 8 ，即v 从小区划分，可以充分利用 上层协议的信息，如利用m a c 甚至网络层在拓扑构建和路由发现等过程中得到邻 居关系【l2 】巾习。但现有这些方法的目标是链路层拓扑发现和网络路由优化，主要是 基于分组广播机制，不能很好地反映物理层的信号状态和m a c 层的资源状态，同 时收敛速度不能满足分布式协同传输的时效要求。因此，虚拟m i m o 系统中的小 区划分和小区内终端协作机制和控制方法还有待进一步研究。 再次，现有关于虚拟m i m o 技术中的调制编码方式大多仅考虑c m d a 方式或 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线网络中的协作通信 空时编码( 如s t b c 、s t t c ) 等【1 0 ，1 1 , 1 8 , 1 9 1 ，而在这类方法及在m i m o 信道模型方法中 均要求m i m o 阶数已知，然而在现实情况下这个假设很难成立；同时，相关文献 在涉及s t b c s t t c 时仅给出2 x 2 的m i m o 模型，但一方面阶数较高时s t b c 的设 计和选择较难，另一方面这些模型要求系统严格同步、m i m o 阶数和信道参数( 至 少需要统计参数) 已知，因而很不现实。因此，非常有必要研究m i m o 阶数未知或 动态的高效分布式编解码方案，以适应实际需要。 最后，m a c 及以上层的协作分集研究中，虽有部分考虑了无线信道的广播特 性和空间分集并加以利用【2 5 1 ，但在和物理层合作分集的结合方面还不够，如s d 间 的“下游节点”选择问题等。因此，物理层和m a c 及以上各层的协作的跨层协作， 无论从体系结构还是模型方法方面都还有许多工作值得研究。 2 2 协作通信概述 在协作通信技术的帮助下，可以生成单一网络或单一技术所不具备的能力，通 过协作处理后的功能大于之前各个单个组成部分的功能之和，获得系统理论中的 “涌现”效应。无线网络的协作通信，主要研究内容为：通过网络内部不同终端和技 术的协作，以增强单一无线网络的“涌现”增益。需要注意的是，异构无线网络的协 作，并非多种无线网络或者无线通信技术的简单拼凑，它涉及到多种层面的协作， 例如频谱、设计、空中接口、业务、通信技术和网络安全等多方面的协作等。 协作通信基本思想可以追溯到c o v e r 和g a m a l 关于中继信道的信息论特性的研 究。他们分析了一个三节点网络( 源节点，目的节点和中继节点) 的容量，并假设 所有节点的工作频带相同，这样系统便可以分解为一个广播信道( 从源节点看) 和 一个多址信道( 从目的节点来看) 。他们的研究得出了几种特殊情况下的中继信道 容量和一般情况下的信道容量界，奠定了中继通信的基础理论，促进了协作通信的 发展。近年来，在l t e 系统中，多输入多输出( m m o ) 天线技术得到了进一步发 展。由于考虑了无线设备因受尺寸或者硬件复杂度的限制，一般为单根天线，因此， 专家提出了一种新的解决方法一虚拟m i m o 通信。另外，在无线传感器网络中， 为了节省能耗和提高传输速率，提出了多节点相互之间协作组成一个协作m i m o 的策略。l t e 系统的虚拟m i m o 技术和无线传感器网络协作m i m o 技术的提出， 促进了协作通信近年来的快速发展。 协作通信克服了传统m i m o 技术的限制，为m i m o 技术走向实用化提供了新 的思路。协作通信具有协作分集特点的主要原因是无线介质的广播特性。从原理上 讲，发送的信号可以被任何其他用户接收到，并进行信息处理。这样，除了将信号 独立传输到各自的目的节点，两个用户还可以互相监听各自的传输，从而联合传输 l o 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线网络中的协作通信 他们各自的信息，这样就可实现协作通信。 2 3 协作中继传输 协作中继传输有三个不同的方案，分别是编码协作1 2 9 1 ( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 、 放大转发3 0 1 ( a m p l i f ya n df o r w a r d , a f ) 和解码转发【3 l 】( d e c o d e d a n df o r w a r d , d f ) 。 c c 方案将协作信号与信道编码技术相结合，正确解码信息后，再重新编码并 发送出去，从而同时获得了分集和编码的增益。由于编码协作性能良好，不需要知 道用户之间的信道信息，还可以利用m i m o 另一个热点技术的研究成果空时 编码。所以，有关编码协作的研究较多，例如，文献【3 2 】研究了编码协作方案在慢衰 落环境中的性能，文献【3 3 】给出了编码协作在快速衰落环境中的性能，文献【蚓在编码 协作中引入了空时编码，形成空时编码协作。文献【3 5 】提出了一种给予分布上的t u r b o 码的译码前传的策略。 编码协作的工作原理为：如果每个用户需要发送k 个信息( k 为正整数，为了 接收端能够判断是否正确接收，通常还必须在发送的k 个信息后，附加循环冗余校 验码( c r c ) ) ，其编码速率为r ( 脉1 ) ，编码后的长度为n = k r 。此时，再将 编码后的数据n 分为两部分：一部分数据长度为n l - l 己l ( r r l x u u r f = ( p f c 加一，v f 式( 3 1 ) c i 表示中继数据所耗费的功率，p i 表示中继i 出售给源节点s 的每单位功率 价格，p r i 表示从中继公布的价格来看，源节点愿意从中继r 购买的功率量，r i 表示 第i 个中继。上述博弈的目的是通过最优价格p i ，来最大化中继利润u r i 。 如果可以选择的中继数增加，中继之间的竞争也会更加激烈，中继的平均价格 也会下降。该方法在更少的开销和信道估计信息，以及最大化功率利用的同时，可 1 9 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线网络中的协作方法 以达到与集中式网络差不多的性能。中继节点在源和目的节点之间位置的不同，对 系统性能影响也不同，并且中继价格设置好坏也会影响系统性能。随着中继节点数 的增加，中继节点之间的竞争更激烈，也会增加源节点选取中继的难度。 虽然该方法比较新颖，但是为了获得最优而导致的来回议价过程在m a c 机制 中并不现实，开销和复杂度还需要进一步的分析。 3 2 3i t r s m h r s i t r s m h r s ：i n c r e m e n t a lt r a n s m i s s i o nw i t hr e l a ys e l e c t i o n m u l t i h o pw i t h r e l a ys e l e c t i o n 文献 4 5 中论述了在有限反馈条件下高效频谱利用的中继选择方法。我们对应 两种不同拓扑结构下提出i t r s ( i n e r e m e n t a lt r a n s m i s s i o nw i t hr e l a ys e l e c t i o n ) 和 m h r s o v i u l t i h o pw i t hr e l a ys e l e c t i o n ) 两种协议，并分析了他们的分集复用效果。 系统模型图3 3 由一个源节点，一个目的节点和m 个半双工中继节点构成。 s o b e s tr e l a y 、 图3 3 系统拓扑模型图 如果直传链路和中继链路都可达时采用i t r s 协议， 源节点发送数据包； 如果目的节点收到这个数据包后可以正确解码， 回到第一步，否则目的节点广播蛇k ； d 具体流程如下： 便广播一个a c k ，系统返 在收到n a c k 后，成功解码消息的中继节点将向目的节点发送r t s 来申报 自己状态； 目的节点根据收到的r t s 里携带的信息，在成功解码消息的中继和源节点 中选择最好的那个中继节点，广播最好中继的标号； 收到这个广播的中继节点，如果判断出是发给自己的，将会重传数据包， 目的节点将两次收到的数据包结合并解码。1 t r s 中没有考虑报头等开销。 当源节点到目的节点之间直传链路不可达时提出一种m h r s 协议图3 4 所示， 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线网络中的协作方法 具体流程如下： 在第一个时隙里面源节点发送第一个数据包； 在接下来的时隙，成功解码数据包的中继节点，向目的节点发送r t s 来通 告自己状态： 目的节点根据r t s 里携带的信息，选择性能最好的节点作为协作中继，并 广播其标号； 节点根据收到的广播信息判断自己是否被选为协作中继，如果不是，则保 持空闲，在下一个时隙接收从源节点广播的数据包，否则，将数据包转发给目的节 点，目的节点接收，与此同时，源节点开始传输新的数据包； 除开正在转发的协作中继外，其他空闲节点接收这一时隙源节点广播的数 据包，如果能够正确接收，则返回第二步继续。 123 4 5bb + 图3 4 m h r s 示意图 i t r s m h r s 着重讨论了中继选择方法和中断概率等问题以及怎样解决分集复 用权衡，对现有的半双工中继方法和机会中继进行改进。 3 2 4c o o p m a c c o o p m a c ：c o o p e r a t i v em a c 。 文献 4 6 】提出一种无线局域网的协作m a c 机制( c o o p m a c ) ，旨在提高网络 的吞吐量，降低传输时延，并与传统8 0 2 1 1 网络协议兼容。在c o o p m a c 中，当 源节点和目的节点之间的直传速率较低时，选取性能好的中间节点作为协作中继转 发数据，以提升性能。c o o p m a c 要求网络中的每个节点维护一张协作表，表里存 储着协作判断所需要的网络信息，并不断更新。协作判断依据是式3 2 1 + 土 上式( 3 2 ) 一+ 一 一 瓦【3 2 ) r 哦r i l dr i d 2 1 i。ii。lm 图 、 囵 圆 一 一一一囵：圈l 国国 ，一囫圈；一 圈圆 一 豳。j 一 暑 吼啦郴 璀 一 吨 以 札 缸 d 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线网络中的协作方法 其中r s d 为源节点到目的节点之间的直传速率，r s h 为源节点到中继节点之间 的直传速率，r h d 为中继节点到目的节点的直传速率。如果通过协作中继转发的时 延小于直传，则采取协作，否则采取直传。 “_ 缀翟鬈 o 醛l ss 一 i i f f s s r 柚d o s s b a c k o f f i i 蹦网 ：_ ! 一d i p s l il 一 跳幽叭照ii ；黼 f s s t , l ? 嘲黝黝粥黼1 删嗍 m 1 幽涠眦曙 缀煮l 羔 醚黼黼汹滋羹霾鞲随 d 避矗荔豳 + 胃 r a n d o m 图3 5c o o p m a c 时隙图 当源节点有数据需要发送时，首先查找自己的协作表，看是否有合适的协作中 继节点，如果有则采用协作通信方式，否则按照传统8 0 2 1 1 模式直传。c o o p m a c 按照r t s h t s c t s 的模型进行三次握手，具体流程为： 源节点发送r t s ( r e q u e s t t os e n d ) 协作中继受到r t s 后回复h t s ( h e l p e rt os e n d ) 目的节点收到r t s h t s 后，回复c t s ( r e l a yc l e a r t os e n d ) 源节点收到c t s 后，开始发送数据给协作中继 协作中继将收到的数据转发给目的节点 目的节点收到协作中继转发的数据包后，回复a c k ( a c k n o w l e d g m e n t ) ， 通信完成。 该方法思路简单明了，实现复杂度低，与传统i e e e8 0 2 1 1 协议兼容，效果明 显。但是，该方法并没有考虑协作分集增益，仅仅以好的两跳传输代替差的一跳传 输，放弃了原有的直传信道，空间利用率低。 3 2 5o r s s o r s s ：o p t i m a lr ss e l e c t i o n 。 文献 4 7 】探讨了最优中继站选择问题，通过结合高速移动模式和埃尔采格地形 模型，r s 选择问题可以阐述为一个非线性优化问题，旨在寻求最优中继站实现最 大的端到端系统容量。 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线网络中的协作方法 b s b s ：b a s es t a t i o n 一rs：relay s t a t i 要； l ，ssh - xl+x2 一 y 图3 6 中继站最优选择 图3 6 描述了在高速移动环境中的最优中继选择问题，通过选择合适的中继节 点使s s ( s u b s c r i b e rs t a t i o n ) 和b s ( b a s es t a t i o n ) 之间的容量最大。图中h 代表高速 路上离b s 距离最近的点，r s ( r e l a ys t a t i o n ) 和h 之间的距离为x 1 ，r s 和s s 之间 距离为x 2 ，x a + 屯= 而，b s 和l 峪之间距离为d l ，最优的r s 选择问题描述为对于 一个给定的路径损失模型，s s 和h 之间的距离为x o ，在这个距离里找到一个最 优的i 峪来使b s 和s s 之间端到端的容量最大。在b s 和r s 之间容量为c 1 ，r s 和s s 之间容量为c 2 ，b s 和s s 之间两跳容量为c e 2 e ，最优r s 选择问题其实就是 选择r s 使算式3 3 中的值最大。 击+ 护= 器 ， 而+ 而= z o 为式3 3 的约束条件 a y e n d 图3 7 埃尔采格地形模型下最优中继选择 另外，作者还进一步考虑了在r s 移动的情况下，即埃尔采格地形模型下的最 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线网络中的协作方法 本文针对8 0 2 1 6 协议，是现在协作通信实际应用最多的网络之一。但是该方法 仅仅只考虑了信道容量的最大化，忽略了该网络环境下所产生的具体开销，另外， 多个r s 的协作以及b s 和s s 之间的信道利用，以获取更高的空间复用分集，还值 得进一步研究。 3 2 6r s h r p 文献 4 8 】在混合中继协议( h r p ) 基础上提出了一种改进的中继选择方法 ( r s t q r p ) 。这个方法中，所有候选的中继伙伴节点都分为两组，分别为放大转发 ( a f ) 中继和解码转发( d f ) 中继，如果可以正确的解码，那么就划入d f 组， 剩下的不能正确解码的都划入a f 组。首先，以目的端的f e r ( 帧错误率) 最小化 为目标，从a f 和d f 两组中各自选择一个协作效果最优的节点，再对这两个节点 进行对比，选取最优的一个作为协作中继，按照相应的方式进行协作。图3 8 为 r s h r p 原理图，具体流程为： 源节点广播数据包； 根据能否正确解码，将中继节点划分为a f 和d f 组； 在a f 和d f 组中分别选择最优的一个节点进行对比，其中性能最好的作为 协作中继； 协作中继转发数据包给目的节点。 图3 8r s - h r p 流程图 改进的中继选择方案相比a f 或者d f 协作更为灵活，在s n r 增加时可以非常 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线网络中的协作方法 接近理想的d f 选择方案。但是，文章并没有考虑如何获取所有节点的性能来进行 分组，以及如何更新，而这些信息的实时获取所带来的开销和复杂性，是对m a c 设计的一大挑战，如果采用历史信息，估计方法，准确性和更新也是问题所在。 3 2 7c 队c a r s c m a c - a r s c o o p e r a t i v em a c w i t ha u t o m a t i cr e l a ys e l e c t i o n 。 文献 8 7 】在分布式无线网络环境下，采用了被动选取模式，所有的空闲节点保 持监听