（电路与系统专业论文）一种新的wlan协作通信mac层协议.pdf

毽、 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：纽垒 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： ! 岔亚垒导师签 山东大学硕士学位论文 目录 摘要1 a b s t r a c t 3 符号说明一5 第一章绪论7 1 1 课题背景7 1 2 本文的主要工作及章节安排8 第二章无线网络协作通信概述9 2 1 协作中继技术简介9 2 1 1 放大转发协作方式l o 2 1 2 译码转发协作方式1 l 2 1 3 编码协作方式1 2 2 2 协作通信主要研究方向1 2 2 2 1 物理层技术12 2 2 2m a c 层技术l3 2 2 3 跨层技术1 4 2 3 本章小结15 第三章无线局域网m a c 层协作通信一l6 3 1 无线局域网简介1 6 3 1 18 0 2 1 1 系列协议1 6 3 1 28 0 2 1 lb 技术特点17 3 1 38 0 2 11 拓扑结构18 3 28 0 2 1 lm a c 层协议。1 9 3 2 1c s m a c a 2 0 3 2 2i u s c t s 2 1 3 2 3 协议参数一帧间隔2 3 3 3w l a n 协作通信m a c 层协议2 4 3 3 1 基于中继列表的m a c 层协议2 4 3 3 2 基于即时信道状态的m a c 层协议2 6 3 4 本章小结2 8 山东大学硕士学位论文 第四章一种新的w l a n 协作通信m a c 层协议2 9 4 1 问题的提出2 9 4 2h i m a c 中继选择策略一2 9 4 3 协作方式及帧结构一3 l 4 4 本章小结3 8 第五章协议仿真和性能分析3 9 5 1 仿真场景及参数设置3 9 5 2 协议性能分析4 0 5 3 性能评价指标4l 5 4 仿真结果分析4 l 5 5 本章小结4 7 第六章总结与展望4 8 6 1 论文总结4 8 6 2 下一步工作一4 8 参考文献一5 0 致谢5 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参与的工程项目5 6 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 e n g l i s h a b s t r a c t 3 s y m b o l s 5 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 7 1 1b a c k g r o u n d 7 1 2s t r u c t u r eo ft h i sp a p e r 8 c h a p t e r2i n t r o d u c t i o no fw i r e l e s sc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s 9 2 1c o o p e r a t i v er e l a yt e c h n i q u e 9 2 1 1a m p l i f y - a n d - f o r w a r d 10 2 1 2d e c o d e a n d f o r w a r d 1l 2 1 3c o d i n gc o o p e r a t i o n 1 2 2 2r e s e a r c ha r e a so fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n 12 2 2 1p h y 7 s i c a ll a y e r 1 2 2 2 2m a c l a y e r 13 2 2 3c r o s sl a y e r 1 4 2 3c h a p t e rs u m m a r i z a t i o n 1 5 c h a p t e r3w l a n 【a cc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n 1 6 3 1i n t r o d u c t i o no fw l a n 。l6 3 1 18 0 2 1lp r o t o c o ls t a c k 16 3 1 28 0 2 1lbc h a r a c t c r i s t i c 17 3 1 38 0 2 1lt o p o l o g y 18 3 28 0 2 1lm a cp r o t o c o l 19 3 2 1c s m a c a 。2 0 3 2 2i u s c t s 2 l 3 2 3p r o t o c o lp r a m e t e 卜f t a m ei n t e r v a l 。2 3 3 3w l a nc o o p e r a t i v em a cp r o t o c o l 2 4 3 3 1m a cp r o t o c o lb a s e do nr e l a yt a b l e 2 4 3 3 2m a cp r o t o c o lb a s e do ni n s t a n tc h a n n e ls t a t e 。2 6 3 5c h a p t e rs u m m a r i z a t i o n 2 8 山东大学硕士学位论文 c h a p t e r4an e ww l a nc o o p e r a t i v em a c p r o t o c o l 2 9 4 1b a c k g r o u n d ：2 9 4 2h i m a cr e l a ys e l e c t i o ns t r a t e g y 2 9 4 3c o o p e r a t i o nm e t h o da n df r a m es n 佻t i i i e 一31 4 4c h a p t e rs u m m a r i z a t i o n 3 8 c h a p t e r 5p r o t o c o ls i m u l a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s 3 9 5 1s i m u l a t i o ns c e n a r i oa n dp a r a m e t e rs e t t i n g s 3 9 5 2p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 4 0 5 3p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o np a r a m e t e r 4 1 5 4s i m u l a t i o nr e s u l t sa n a l y s i s 4 1 5 5c h a p t e rs u m m a r i z a t i o n 4 7 c h a p t e r 6c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 4 8 6 1p a p e rs u m m a r i z a t i o n 4 8 6 2f u t u r ew o r k 4 8 r e f e f e n c e 5 0 a c k n o w l e d g e m e n t 5 5 p a p e ra n dp r o j e c t 5 6 i v | 山东大学硕士学位论文 摘要 协作通信技术是指系统中每个移动终端都有一个或多个协作伙伴，利用无线网 络的广播特性，使得到达接收端的信号能够被协作伙伴“旁听”到，协作伙伴将 旁听到的信息经过处理后传送到接收端，接收端可以根据一定的准则合并从源节 点以及目的节点传来的信号，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 局域网等无线网络通信中都具有非常广阔的应用l j 景。 协作通信往往同时涉及物理层、m a c 层和网络层，传统的设计理念集中于物 理层和网络层，对于m a c 层的研究较少，而m a c 层负责无线信道的接入和分配 等重要工作，因此对其展开深入的研究很有必要。 无线局域网采用8 0 2 1 1 协议族，8 0 2 1 1 支持1 m 2 mb p s 的传输速率，而8 0 2 1 l b 将传输速率扩展到1 m 2 m 5 5 m 1 1 mb p s 四种传输速率，各种速率根据所处信道的 状态可以实现动态漂移，在一个低速设备的周围，很有可能存在一些信道状况较 好的高速设备，因此通过高速设备协助低速设备来进行信息的传输无疑会提高网 络的性能。 本文以8 0 2 1 i bm a c 层协议为研究目标，研究如何将协作通信的机制引入到 无线局域网当中，从而提高网络的性能。 首先，本文阐述了协作通信的概念及面临的问题，介绍了几种应用于无线局域 网的协作通信m a c 层协议。 其次，本文针对现有的m a c 层协议的不足，提出了一种新的w l a n 协作通 信m a c 层协议，该协议通过增加新的控制帧来协调源节点、目的节点以及中继节 点三者之自j 的关系，协议无需源节点维护中继节点列表，在源节点有数据发送请 求时根据即时信道状态来寻找最优中继；源节点根据目的节点的反馈信息来判断 是否采用中继，如果链路状态足够好那么直接采用传统的8 0 2 1 l b 协议，邻居节点 也不参与中继节点的竞争；协议引入了一个竞争时窗来选择中继节点，在没有合 适中继的情况下采用直传路径进行传输，避免了控制帧的持续碰撞。 山东大学硕士学位论文 本文对新的m a c 层协议进行了仿真，以吞吐量及平均服务延迟为性能评价指 标，与8 0 2 1l b 以及现有的协作通信m a c 层协议进行了对比，仿真结果表明本文 提出的协议确实能够带来网络性能的提升。 最后，对全文的工作进行了总结，指出了值得进一步探讨的相关问题和研究方 向。 关键词：无线局域网；协作通信；m a c 2 c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni sal 【i n do fs y s t e mw h e r ee a c hn o d eh a so n eo rm o r e c o o p e r a t i v ep a r t n e r s b e c a u s eo ft h ew i r e l e s sb r o a d c a s tc h a r a c t e r i s t i c ，n e i g h b o r sc a n o v e r h e a ri n f o r m a t i o nf r o mt r a n s m i t t e ra n dr e l a yi tt od e s t i n a t i o na f t e rp r o c e s s i n g i n o r d e rt or e s i s tm u l t i - p a t hf a d i n ga n di m p r o v et h et h r o u g h p u to ft h en e t w o r k , r e c e i v e r c a nc o m b i n et h et w oc o p i e so fi n f o r m a t i o nf r o ms o u r c 宅a n dr e l a yn o d ea c c o r d i n gt o s o m er u l e s 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 sn e t w o r ki sav e r yn e w s u b j e c tt o i n v e s t i g a t e ，w h i c hw i l lh a v e av a s t a p p l i c a t i o n i 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 s a n dw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s g e n e r a l l y , c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n v o l v e sp h y s i c a ll a y e r 、m a c layer a n dr o u t i n gl a y e r , t r a d i t i o n a lr e s e a r c hi sf o c u s e do nt h ep h y s i c a ll a y e ra n dr o u t i n g l a y e rw h i l et h ew o r ko nm a cl a y e ri sn o ts u f f i c i e n t , m a cl a y e ri sr e s p o n s i b l ef o r t h e i m p o r t a n tw o r ko fw i r e l e s sc h a n n e la c c e s sa n da s s i g n m e n t , w h i c hi sw o r t ht ob e i n v e s t i g a t e dd e e p l y 8 0 2 11p r o t o c o ls t a c ki sn o w w i d e l yu s e di nw l a n c o m p a r e d 、i mt h et w ob a s i c r a t eim 2 mb p so f8 0 2 11 ，8 0 2 1lbe x t e n d st h e t r a n s m i r i n gs p e e dt of o u rr a t e 1m 2 m 5 5 m 11m b p s ，d e v i c e sc a nd r i f tf r o mo n er a t et oa n o t h e ra c c o r d i n gt ot h e c h a n n e ls t a t e s oi tw i l lg r e a t l yi m p r o v et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r ki f h i g h e r - s p e e dd e v i c e sc a l la s s i s tt h el o w e ro n e sw h e nt r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o n b a s e do nt h e8 0 2 1lbm a cp r o t o c o l ，t h i sp a p e rw i l li n c o r p o r a t 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 mi n t ow l a n f i r s t , t h i sp a p e rg i v e sad e s c r i p t i o no fw h a tc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni sa n dw h a t c h a l l e n g ei tf a c e s ，t h e na ni n t r o d u c t i o ni sm a d ea b o u tt h ec u r r e n tc o o p e r a t i v em a c p r o t o c o l sd e s i g n e df o rw l a n t h e n ，an e ww l a nc o o p e r a t i v em a cl a y e rp r o t o c o li sd e v i s e dt oo v e r c o m et h e d e f i c i e n c yo fp r e v i o u sp r o t o c o l s i n s t e a do fk e e p i n gar e l a yt a b l e ，t r a n s m i t t e r sw i l lf i n d 3 山东大学硕士学位论文 t h e i rb e s tr e l a yn o d ew h e nh a v i n gd a t at os e n do u t t h es o u r c en o d ew i l ld e c i d ew h e t h e r t os t a r tt h er e l a yf i n d i n gp r o c e d u r ea c c o r d i n gt ot h ef e e d b a c kf r o md e s t i n a t i o n , t h a ti st o s a y , r e l a yw i l l n e v e rb eu s e dw h e nt h eq u a l i t yo fd i r e c tl i n ki sg o o de n o u g h a c o m p e t i t i o nw i n d o wi si n t r o d u c e dh e r et os e l e c tab e s tr e l a yn o d ea n dd i r e c t - l i n k t r a n s m i s s i o nw i l ls t a r ti ft h e r ei sn op r o p e rr e l a yn o d ew h e nm a tw i n d o wr u n so u t t h i r d ，t h i sp a p e rs i m u l a t e st h i sn e wm a cp r o t o c o li nm a t l a ba n dc o m p a r e si t 丽m t h ee x i s t i n gm a c p r o t o c o l s ，r e s u l t ss h o wt h a tt h i s p r o t o c o lc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h en e t w o r k 8p e r f o r m a n c ei nt h r o u g h p u ta n da v e r a g es e r v i c ed e l a y l a s t ，as u m m a r i z a t i o na b o u tt h e o v e r a l lw o r ki nt h i sp a p e ri sg i v e na n ds o m e s u g g e s t i o ni sm a d ef o rf u t u r ew o r k k e yw o r d s ：w l a n ；c o o p e r a t i v e ；m a c 4 山东大学硕士学位论文 陋 姆 b s s d f d c f i b s s m a c m i m o m s d u n a v o f d m p c f p l c p r l c r i u 订 s i n r w l a n 符号说明 放大转发( a m p l i f ya n df o r w a r d ) 接入点( a c c e s sp o i n t ) 基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ) 译码转发( d e c o d ea n df o r w a r d ) 分布式协调( 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 ) 独立基本服务集( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ) 介质访问控铝l j ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 多输入多输 b ( 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 ) m a c 服务数据单元( m a cs e r v i c ed a t au m o 网络分配矢量( n 咖o r ka l l o c a t i o nv e c t o o 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 点协调( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 物理层会聚协议( p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e ) 无线链路控$ 1 j ( r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 无线资源管理( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 信号与干扰加噪声比( s i g n a l t o i n t e r f e r e n c e - a n d - n o i s e - r a t i o ) 无线局域网( w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ) 5 山东大学硕士学位论文 6 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 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。而协作通信通过利用邻居节点的天线来协作源节点进行数据的传输，从而提 高系统吞吐量和降低端到端的延时。 术语“协作源自拉丁语“c o 和“o p e r a u ：( 进行工作) ，因此，它表示“共 同工作”的意思。协作通信是发展最快的研究领域之一，并且它很可能成为推动 未来有效利用频谱的关键技术。这一技术的核心思想是在一个网络的多个节点之 间进行资源共掣。 协作通信主要包括两种协作方式，即虚拟m i m o 和协作中继方式。前一种方式 是网络中的各节点组成一个虚拟的m i m o 阵列，通过空时编码来抵抗信道的多径衰 落，同时还可以引入分布式信源编码的概念来进行信源信息的压缩，因此这种方 式非常适合于无线传感器网络这种密集部署的网络结构。而协作中继技术则不需 要进行复杂的空时编码，信源节点在其周围寻找一个信道质量最好的邻居节点作 为中继，目的节点可以只接收中继链路传来的信号，也可以接收直达链路和中继 链路两条链路的信号，然后以一定的合并准则进行合并，协作中继技术非常适用 于a dh o c 和无线局域网这种拓扑结构容易发生变化的网络结构。 协作通信作为一门新兴的技术，许多问题有待于解决。目前的研究热点主要集 中在物理层，但仅仅依靠物理层并不能带来网络整体性能的提升，因为物理层作 用的发挥离不开上层协议尤其是m a c 层技术的支持。传统的无线局域网m a c 层协 议采用8 0 2 1 l ，其主要的关注点是解决暴露终端和隐藏终端的问题，并没有考虑在 源和目的节点通信过程中邻居节点的参与活动。 无线网络中的协作通信技术尤其是m a c 层技术的研究是一个崭新的课题，在 无线局域网、无线a dh o c 网络、无线传感器网络等新一代网络通信中都具有非常广 泛的应用前景。本课题j 下是以此为研究方向，通过在传统的8 0 2 1 1 b 基础上修改其 m a c 层协议，使其能够支持协作通信，从而提高无线网络的整体性能，这对于新 7 山东大学硕士学位论文 一代无线通信系统具有重要的意义。 1 2 本文的主要工作及章节安排 本文主要对无线局域网的m a c 层协议进行了研究，针对经典的8 0 2 1 l b 协议存 在的问题和不足，提出了一种新的支持协作通信的m a c 层协议，简称为h i m a c 协议。通过仿真实验，分析了h i m a c 协议的性能，并与其它相关协议进行了比较。 论文的各章节内容安排如下： 第一章简要介绍课题的研究背景及论文的结构安排。 第二章为无线网络协作通信概述。介绍了协作通信的背景、概念和特点，探讨 了协作通信的主要研究方向、关键技术和面临挑战。 第三章介绍了无线局域网的m a c 层协议。首先介绍经典的8 0 2 1 1 的m a c 层协 议，然后详细介绍了典型的协作通信m a c 层协议及其优缺点。 第四章详细阐述了本文提出的应用于无线局域网的协作通信m a c 层协议 h i m a c 协议。介绍了其问题提出的背景，采用的无线模型和网络模型，详细阐述 了中继节点的选择策略、协作方式以及相应控制帧的数据结构。 第五章是协议仿真和性能分析。使用m a t l a b 仿真软件从网络的吞吐量、延时 等方面对h i m a c 协议的性能进行理论分析与仿真实验，通过对相关协议进行比 较，验证协议性能，并对仿真结果进行深入分析。 第六章对课题的研究工作进行了总结，并对未来的研究方向做出了展望。 8 一 山东大学硕士学位论文 第二章无线网络协作通信概述 2 1 协作中继技术简介 t m c o v e r 和a a e g a m a l 2 l 对包含源、中继和目的的三节点网络的信道容量进 行了分析。现在研究的协作通信的基本思想都是源自他们对中继信道的信息理论 的开拓性工作。 现在所研究的协作通信一般都是假定在衰落信道环境下的。移动信道具有的 多径衰落和多普勒频移等特性严重阻碍了信道容量的增加和服务质量的改善，因 此如何有效的对抗移动信道中的多径衰落一直是广大研究工作者关注的热点问 题。 近年来提出的多输入多输f l ( m i m o ) 天线技术，通过在接收端和发射端同时安 置多根天线来充分利用空间资源，提高信道容量。m i m o 技术虽然具有明显的优 势，但在实际运用中仍然存在问题，因为现有的多天线一半都设置在基站端，而 移动终端很难安置多天线。这主要有两方面的原因：一方面，移动终端对体积、 功耗等方面的要求比基站要苛刻的多；另一方面，理想的m i m o 多天线系统要求 相邻天线之间的距离远大于载波波长，用以保证收发天线之间的无线传输信道相 互独立。协作分集可以使网络中的各用户共享彼此天线，形成虚拟的m i m o 阵列， 从而有效的抵抗多径衰落以提高无线网络性能。 相比较m i m o 技术的复杂性，协作中继技术的实现方式就较为简单，只要网 络中的终端个数多于三个，协作就有可能发生。因此，一个三终端的通信系统通 常被作为一个基本的研究单元，在这种基本单元中，信源节点通过中继节点的协 作来与目的节点进行通信。在协作通信的研究领域晕，多数文献一直在讨论这种 三终端的特殊信道，也称为中继信道。如图2 1 所示。 9 山东大学硕士学位论文 s 直达链路 r 图2 - 1 三终端中继信道 d s ：信源 d ：信宿 r ：中继 协作通信技术可分为固定中继和用户终端间的协作两大类。固定中继协作方 式在源节点和目的节点之间预先放置一个位置固定的中继节点。中继节点与源、 目的之间均采用无线连接，但它自己并无信息发送，而只对接收到的信息进行转 发。与固定中继方式不同，用户终端问的协作方式要灵活一些，源节点同时也可 作为中继节点，它们不仅可转发协作伙伴的信息，同时也可发送自己的信息。根 据中继节点对源节点信息处理方式的不同，这种中继方式又可分为放大转发( a f ) 、 解码转发( d f ) 、编码协作( c c ) 、空时编码协作( s t c c ) 和网络编码协作( n c c ) 等多种方式【3 j 。 2 1 1 放大转发协作方式 放大转发( a f ) 协作方式最早由l a n e m a n l 4 j 等提出，整个数据传输过程可以分 为3 个阶段。首先，源节点向外发送信息，目的节点和中继节点可以同时进行接 收：其次，中继节点将接收到的信息进行功率放大后转发给目的节点；最后，目 - 的节点根据一定的准则将两次获得的信息进行合并。因此，a f 协作方式可以看作 一种时间分集接收策略。接收端的合并方式可以有“选择式合并 、“最大比值合 并、“等增益合并 等几种方式【5 】。 文献【6 】提出了一个基于马尔可夫链的系统模型，在物理层采用放大转发，链 路层采用a r q ，应用层采用突发事件建模，并推导出了包交付概率以及延迟分布 函数；文献【7 】针对多中继放大转发协作通信网络提出了一种中继节点选择策略， 可以根据信道平均状态信息对所有潜在的中继节点进行动态选择；文献【8 】提出了 一种用于a f 协作方式的功率分配策略，通过综合考虑信道状态信息c s i 、节点剩 余能量以及q o s 来延长网络生存时间。 1 0 山东大学硕士学位论文 2 1 2 译码转发协作方式 类似于a f 方式，译码转发( d f ) 协作方式的数据传输过程也分为3 个阶段。 与a f 方式不同的地方在于第二个阶段，放大转发采用的策略是将接收到的信号直 接进行功率放大而没有其他的信号处理过程，而译码转发则是对接收到的源节点 信号进行译码估值，这样可以避免a f 放大过程中将信道噪声同时放大的问题，但 同时对中继节点的解调解码性能提出了更高的要求。 文献【9 】提出了一种基于负载均衡的d f 中继选择方案，同时利用极值理论分析 了系统的平均传输速率和中继选择增益性能；文献【l o 】提出了一种在多个中继节 点、单个源节点和目的节点的场景下通过部分信道状态信息c s i ，基于信道容量增 益判决的多中继选择方法；文献 1 l 】研究了基于译码转发的多中继合作分集系统的 功率分配问题，给出了如何选择中继以及怎样在所选中继节点之间进行功率分配 的算法；文献 1 2 1 3 对放大转发和译码转发两种协作方式进行了性能对比。 常将上述讨论的a f 与d f 方式称为固定协作方式：无论信道传输特性如何， 中继节点总是参与协同通信过程。但在实际应用中，采用中继节点进行协作未必 会提高网络的性能，比如当源节点与目的节点之间的信道状况足够好时就没有必 要采用中继转发。基于此，结合a f 和d f 两种方式，人们提出了选择模式与增强 模式，如表2 1 所示。 表2 1 三种不同的协作通信模式 转发方式协作模式 固定模式选择模式增强模式 放大转发固定放大转发选择放大转发增强放大转发 译码转发固定译码转发选择译码转发增强译码转发 选择模式将源中继节点间的信道传输特性与某- i - j 限值比较，只有大于该门 限值时才选用协作通信方式，否则源节点采用直传方式发送数据。可见，选择模 式主要考虑的是源节点与中继节点之间的链路状况。增强模式是利用目的节点的 反馈信息来判断直传是否成功，如果成功那么源节点继续采用直传链路发送新的 信息，否则采用中继节点进行协作通信过程，可见，增强模式重点考虑的是源节 山东大学硕士学位论文 点与目的节点之间的信道状况。 2 1 3 编码协作方式 与l a n e m a n 等工作几乎同时进行的是h u n t e r 和n o s m t i i l i a l 悼1 5 】提出的编码协作 方式。该方式是信道编码与协作的综合，通过两条不同的衰落路径发送每个用户 码字的不同部分。其基本思想是每个用户都将增加的冗余信息发送给其伙伴，并 且当信道质量恶劣时，该机制还可以自动转换到非协作方式。这种机制的突出特 点是协作的过程是通过信道编码来实现，不需要节点之间的信息反馈【1 6 1 。 除以上协作方式以外，还存在空时编码和网络编码【i7 j 等协作方式。 2 2 协作通信主要研究方向 2 2 1 物理层技术 协作通信以往的关注点主要集中在物理层 i g - 2 0 】，多个节点通过共享彼此的天 线构成虚拟的m i m o 阵列2 ，如图2 2 所示。节点之问通过空时编码来抵抗多径 衰落，在虚拟m i m o 协作传输的过程中，每个节点既利用自己的信道同时又利用 虚拟天线阵中 1 2 图2 - 2 虚拟m i m 0 阵列 增益。 虚拟m i m 0 技术还可以和信道编码如t u r b o 码，l d p c 码等结合起来实现分布 山东大学硕士学位论文 式信源编码【2 2 1 ，这样可以实现m i m o 阵列中的部分节点仅需要传送校验子即可， 从而实现信息的压缩，这种协作方式很适合无线传感器网络这种网络结构。还有 一些研究工作2 3 副1 将m i m o 技术和o f d m 技术结合起来用于协作通信，例如 8 0 2 1l n 采用m i m o o f d m 技术，将w l a n 的传输速率从8 0 2 1l a 和8 0 2 1l g 的 5 4 m b p s 提高到了1 0 8 m b p s 以上。 2 2 2 卧c 层技术 网络性能的提升不仅需要物理层的支持，还需要高层技术尤其是m a c 层技术 的配合。文献 2 5 对当阿m a c 层的研究工作进行了总结，并提出了一种支持协作 通信的通用m a c 层协议；文献 2 6 提出了一种适用于无线局域网的协作通信m a c 层协议即c o o p m a c 协议，信源节点在有数据发送请求的时候从其中继列表中查 找合适的中继进行协作通信；文献 2 7 不需要维护中继列表，节点在需要发送数 据时根据信道状况即时选择中继节点；文献 2 8 在c o o p m a c 协议的基础上提出 了一种增强型的协作m a c 协议，目的节点将从直达链路以及中继链路收到的两个 信息备份联合处理从而获得增益；文献 2 9 在节点配备有方向性天线的情况下， 提出了一种d c o o p m a c 协议，中继节点控制帧以及后续数据帧的发送都采用方 向性传输，这样可以增加网络空间的复用度。 协作通信中的m a c 层协议主要关注以下两个方面的工作： ( 1 ) 是否协作 从信息论的角度出发，协作能够带来系统增益，如分集增益等。然而在实际 系统中，为了实现节点问的协作，m a c 层协议需要引入额外的控制开销，如各节 点想要成为中继则需要发送一些控制信息，因此额外开销和性能提升之间就存在 一个矛盾，在一些情况下，开销所导致的性能下降甚至完全抵消协作带来的增益， 从而会对系统带来负面影响。因此在m a c 层的设计中应该综合考虑各种情况如链 路质量、数据帧长、节点个数等因素来考虑是否引入协作【3 0 1 。 ( 2 ) 怎样选择协作节点 根据具体的应用场景和性能的关注点，协作节点的选择主要考虑以下因素： a ) 吞吐量：即考虑协作节点的参与能否提高从源节点到日的节点的端到端吞 吐晟。 1 3 山东大学硕士学位论文 b ) 延迟：由于协作节点的加入，从而会对网络中的其他节点带来干扰，这样 会增大数据碰撞的概率，因此有可能会带来延迟的增加