（通信与信息系统专业论文）无线网线中继协作mac机制研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 协作通信作为一种虚拟m i m o 技术，各个节点利用其他节点来帮助自己传输信 息，可以提高系统容量，减少传输时间。由于协作通信导致通信模式的变化，所以 传统的无线网络m a c 机制很难保证较好的性能，于是针对协作通信网络中m a c 机制的研究成为当前的热点问题。 本文首先介绍了m i m o 技术、协作通信技术、无线网络m a c 机制和协作通信 中的热点问题；接着阐述了现有无线网络中继协作m a c 机制研究情况和面临的问 题；详细归纳总结了几类中继协作m a c 机制；并在d c m a c 分析的基础上，使用 n s 2 对d c m a c 机制的吞吐量性能进行了仿真，验证其性能和仿真平台的可行性。 其次，针对现有中继节点选取方法c o o p m a c 中以信道状态信息作为中继节点 的选取标准，忽略了节点业务的影响，本文给出一种基于空闲时间的认知流量中继 协作m a c ( i t t c m a c ) 机制。并通过m a t l a b 仿真工具对i t t c - m a c 与c o o p m a c 的吞吐量性能进行了比较。仿真结果表明，该机制能有效提高网络饱和吞吐量。 再次，针对c o o p m a c 存在的问题，给出一种基于缓存信息的认知流量中继协 作m a c ( b t c m a c ) 机制。b t c m a c 中，源节点利用已知邻居节点缓存信息提前 预测各邻居节点作为候选中继节点转发源节点数据需要的时间，并在此基础上选取 最优中继节点。 最后，本文给出了在n s 2 下中继协作模块的添加方法，并使用搭建的中继协作 平台对b t c m a c 、c o o p m a c 和i e e e 8 0 2 1 l m a c 吞吐量和平均时延进行了仿真。 仿真结果表明，b t c m a c 的吞吐量和平均时延比c o o p m a c 和i e e e s 0 2 。l l m a c 均 有所提高。 关键词：无线网络，协作通信，m a c ，中继选择，i e e e 8 0 2 1 1 重庆邮电大学硕士论文 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 sav i s u a lm i m ot e c h n o l o g y ，w h i c hn o d eu s eo t h e r n o d e st oh e l pt r a n s m i ti n f o r m a t i o n ，c a l li m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t y , a n dr e d u c et h e t r a n s m i s s i o nt i m e ，s i m u l t a n e o u s l y c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nc a s t l et h ec o m m u n i c a t i o n m o d ec h a n g e d s o ，t h et r a d i t i o n a lm a cm e c h a n i s mc a nn o tm a k eu s eo ft h eg o o d p e r f o r m a n c ei 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 e r e f o r e t h er e s e a r c ho fm a ci l l c 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 sb e c o m e sah o ti s s u ei nr e c e n t l y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em i m ot e c h n o l o g y , c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , w i r e l e s sn e t w o r k s 姒cm e c h a n i s m , a n dt h ei n t e r e s t e di s s u e so ft h e c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，r e s p e c t i v e l y t h e n , t h er e s e a r c hr e s u l t sa n dt h ep r o b l e mo f r e l a yc o o p e r a t i v em a ci sp r e s e n t e d s o m ek i n d so fr e l a yc o o p e r a t i o nm a ca r e s u m m a r i z e di nd e t a i l e s b a s e do i lt h ea n a l y s i so fd c m a c ，w es i m u l a t et h et h r o u g h p u to f d c m a ca n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i o np l a t f o r mi nn s 一2 s e c o n d l y , w ed e m o n s t r a t et h ec 0 0 1 ) m a c ，w h i c ht h e s o u r c es e l e c t st h e r e l a y a c c o r d i n gt ot h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n , d i s r e g a r dt h et r a f f i cc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s eab a s e do ni d l et i m ew i t ht r a f f i cc o g n i t i v er e l a yc o o p e r a t i v em a cc a l l e d 1 1 1 c ma ct om i t i g a t et h i sp r o b l e m w eu s em a t l a bt os i m u l a t et h et h r o u g h p u to f i t t c m a ca n dc o o p m a c t h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti t t c m a cc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h es a t u r a t i o nt h r o u g h p u tt h a nt h a to fc o o p m a c t h i r d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fc o o p m a c ，w ea l s op r o p o s eab a s e do nb u f f e rw i t h t 1 a 伍cc o g n i t i v er e l a yc o o p e r a t i v em a cc a l l e db t c - m a c b t c - m a cu t i l i z et h e b u f f e r e di n f o r m a t i o no f n e i g h b o r st op r e d i c tt h ea v e r a g et r a n s m i s s i o nt i m e ，w h i c he a c h c a n d i d a t er e l a yn o d et oh e l ps o u r c en o d ef o r w a r dd a t a , a n ds e l e c t st h eo p t i m a lr e l a yn o d e f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o nm o d e lo fr e l a yc o o p e r a t i v e m o d u l eb a s e do nn s 2 t h en u l n e r o u ss i m u l a t i o np e r f o r m a n c ea n a l y s e sa b o u tb t c 一心， c o o p m a c ，a n di e e e8 0 2 11m a c h a v eb e e nd e p i c t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t b t c m a cc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r kt h r o u g h p u ta n dn e t w o r ka v e r a g e d e l a yc o m p a r e dt oc o o p m 匕屺a n di e e e 8 0 2 1 1 m a c k e y w o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，m a c ，r e l a ys e l e c t ， e e 8 0 2 1 l 重庆邮电大学硕士论文 缩略词 a c k c c c t s r t s l r c t s 姒c d c f p c f n k v m i m o s i s o i 汀s r r t s s s d s s n r b s s c s i a n w s n s 俸删 皤 d f c c g s m w c d m a p e r q o s s e r 缩略词 a c k n o w l e d g m e n t ，确认 c o o p e r a t i v ec o r n m u n i c a t i o n ，协作通信 c l e a rt os e n d ，清除发送 r e l a yt os e n d l ，中继发送 r e l a yc l e a rt os e n d ，中继清除发送 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，介质访问控制 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 p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，点协调功能 n 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 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 s i n g l ei u p u ts i n g l eo u t p u t ，单输入单输出 r e q u e s tt os e n d ，请求发送 r e l a yr e q u e s tt os e n d ，中继请求发送 s h o r ti n t e rf r a m es p a c e ，短帧间间隔 d i s t r i b u t e di n t e rf r a m es p a c e ，分布式帧间间隔 s i g n a lt on o i s er a t i o ，信噪比 b a s i cs e r v i c es e t ，基本服务集 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 w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，无线局域网 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，无线传感器网络 w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ，无线城域网 a m p l i f ya n df o r w a r d ，放大前传 d e c o d e da n df o r w a r d ，译码前传 c o d e dc o o p e r a t i o n ，编码协作 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，蜂窝通信系统 w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，宽带码分多址 p a c k e te r r o rr a t e ，误包率 q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量 s y m b o le r r o rr a t e ，误符号率 v o 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 从莫尔斯发明电报到贝尔发明电话，通信技术给人们的生活带来着巨大的变化。 2 1 世纪是电信行业高速发展的时代，移动通信、互联网已经走进了千家万户。伴随 着第三代移动通信技术的发展，视频电话对于老百姓来说都已不再陌生。目前来看， 现有通信技术还是以有线通信为主，无线通信作为补充的形式，两者共同存在，但 是无线方式因组网方便、移动性好等优势，在很多领域得到了越来越多的应用。随 着人们对通信业务种类，带宽等的要求越来越高，无线通信在未来可以支持1 0 0 m b p s 乃至更高的速率。在移动通信方面我国呈现第二代的数字蜂窝通信系统g s m 【1 】和第 三代的移动通信系统包括w c d m a 2 1 、t d s c d m a t 3 】和c d m a 2 0 0 0 1 4 共同发展的局 面。同时第四代移动通信方面的研究也取得了重大的进展，我国提出的t d l t e 5 】 已明确被u 确立为4 g 国际候选标准之一。同时无线网络也在以迅猛的趋势向前 发展。现有的无线网络包含无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s w l a t , 0 t 6 1 、 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n s ) i7 1 、无线a dh o e 网络【8 】、无线城域 网( i e e e 8 0 2 1 6 ) 9 1 等。 近年来，有人提出物联网的概念，物联网认为所有物体都可以看成一个终端， 通过在其中植入r f i d 芯片，以无线组网的方式实现互联，可以预见未来无线网络 将会呈现出一种异构和泛在的趋势。并且随着h d t v 等一系列业务的展开，现有的 传输速率将无法满足未来通信的要求，加上无线信道的衰落、时变等特点也影响着 无线信道容量。因此，怎样提高无线信道的容量成为一个制约无线网络发展的瓶颈。 m i m o 技术因可以获得更好的系统容量已经明确确立为下一代网络物理层的关键技 术。于此同时，一种虚拟m i m o 协作通信技术，可以在不增加任何硬件设置情况下 获得更高的系统容量成为一个热门的研究领域。协作通信中很多问题都需要解决， 而目前比较热门的研究领域主要集中在物理层、m a c 和路由等。在无线网络中怎 样更好的采用协作通信是目前科研机构和高校研究的热点。本课题针对中继协作通 信中，中继节点选择的一些相关问题，联合考虑信道状态信息和业务占用情况，通 过合适的选择准则，有效解决了多数据流网络中的中继节点选择问题，并在此基础 上提出两种认知流量的中继协作m a c 机制来减少数据传输时延，提高网络吞吐量。 本文第一章将对m i m o 技术、协作通信技术、无线网络m a c 进行介绍，并分析了 协作通信技术的热点问题。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 协作通信技术 介绍协作通信技术之前，先对m i m o 技术进行一个介绍。在m i m o 技术研究的 相关领域，可以追溯至o j a e kw i n t e r s 和j a c ks a l z 在贝尔实验室发表的与波束成型相关 的论文【l o 】。9 0 年代，在无线通信领域方面，人们开始针对多天线系统进行研究，希 望制作出波束成形技术，即智慧型天线。上述技术的特点是存在模糊波束的相长干 涉，从而增加信号增益、减少干扰。但是，9 0 年代末，随着空域分集及空间多工技 术的发展，智慧型天线的缺点成为优势，利用多径现象可以起到增加吞吐量、减少 比特错误率等作用。m i m o t l l l ( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技术是指通 过在收发两端配置多个天线，形成多天线阵列，将多径传输转化为有利因素，产生 m i m o 分集增益来提高信道容量。由于使用多天线技术可以带来潜在增益，在现代 通信系统中，人们正在越来越多的采用m i m o 技术。并且m i m o 采用时域和频域相 结合的空域分集技术，不需要改变系统的带宽。 在m i m o 系统中，采用多天线技术，可以产生分集增益，抵抗信道衰落的作用。 在m i m o 系统中，同一信号由发送端经过不同的路径发送出去，信号到达接收端后， 形成多个独立衰落的副本，这将使得信号在接收端获得更高的接收可靠性。无线网 络的性能受信号干扰和信道衰落的影响，采用m i m o 通信的系统相对于s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l eo u t p u t ，s t s o ) 系统，可以达到更高的数据传输速率和更低的误包率 ( p a c k e te r r o rr a t e ，p e r ) 和误符号率( s y m b o le r r o rr a t e ，s e r ) 。m i m o 系统的一个 最大特点就是利用多条路径传输，将多径衰落变化为有利的因素，通过在信号收发 两端配置多根天线来对抗多径衰落。 m i m o 技术现已成为下一代移动通信的关键技术，其应用前景非常广泛。m i m o 技术可以应用于无线宽带移动通信，传统蜂窝移动通信系统和无线通信领域等。目 前i e e e 和3 g p p 等组织均已在自己的相关标准中使用了m i m o 技术。 m i m o 技术通过多输入多输出可以极大的改善系统性能，但其也有一定的局限 性。具体体现在：m i m o 技术除了对终端体积、功耗等的要求比较严格外，同时还 要求相邻天线之间的间距相对电磁波波长足够大，所以使得m i m o 技术在手机等小 型移动终端，比如移动台上的应用存在一定的困难，从而就很难得到更为广泛的应 用。基于此，s e n d o n a r i s 等人提出一种虚拟m i m o 技术一协作通信( c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n ，c c ) 1 2 - 1 3 】。网络中的终端通过使用其他空闲终端的天线，产生协作 分集增益，协作通信技术可以让单天线的终端享受到多天线带来的益处。协作通信 技术中，由于无线信道具有广播特性，在彼此通信范围内的节点都可以侦听到对方 分组的传输。节点可以将侦听到的分组帮忙转发至目的节点，目的节点通过对来自 不同节点发送的相同分组进行合并处理，产生分集增益，改善系统性能。协作通信 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 研究的前身可以追溯到c o v e r 等人在文献【1 4 】中讨论的在信息论中关于中继信道特性 的研究。s e n d o n a r i s 等人首次在文献【1 5 】中引入了协作分集的概念，源节点不仅利用 自己的天线同时也利用中继节点的天线帮助自己传输信息，获取分集增益，提高系 统容量。 图1 1 协作通信传输过程 举例说明如下：在i e e e 8 0 2 1 l b 网络中，节点的传输范围一般情况下最大为 2 5 0 m 。若在这个范围内存在其他障碍物，信道会有明显的衰落。如果在源节点和目 的节点之间通过其他能提供更好信道质量的中继节点来进行转发，将获得更好的通 信效果。 协作通信系统模型见图1 1 。具体传输过程如下：第一阶段，源节点广播发送自 己的信息，目的节点和源节点之间的中继节点和目的节点分别接收信息，且做相应 的处理。第二阶段，源节点不再发送信息，中继节点把经过自身处理后的信息向目 的节点进行转发，目的节点将接收到的来自两条不同路径的信息分别进行合并处理。 协作通信使用两跳好的中继信道结合直传信道，产生分集增益，来提高系统性能。 通常称帮助转发分组的节点为中继节点( 或协作节点偶尔也被称作帮助节点) 我 们可以从不同角度对协作通信进行分类： a 根据中继节点的数目，可以分为单中继协作和多中继协作： 单中继即仅有一个协作节点参与原始分组的协作传输，多中继协作即有多个协 作节点协作传输原始分组。当采用多中继时，往往需要在多个中继节点之间进行协 调传输，那么就需要额外的控制信息，目的节点将来自多个节点的信号进行合并之 后解码出原始信号。因此，相比于单中继而言，多中继一方面会增加系统开销，另 一方面也会带来系统性能的提升。但并不是中继节点数目越多越好，这与分组长度 等各种因素有关，如何在这些因素之间进行权衡是一个值得探讨的问题。 b 根据中继节点对原始分组的不同处理方式【1 6 】：可以分为放大前传( a m p l i f ya n d f o r w a r d ，a f ) 、译码前传( d e c o d e da n df o r w a r d ，d f ) 和编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ， c c ) 三种方式，下面将对这三种方式进行简单介绍： 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 u 图1 2a f 转发方式 1 ) 放大前传a f 作为协作通信中的一种中继处理方式，基本思想是中继节点在 收到源节点发送的信号后，对信号进行放大之后向目的节点进行转发。a f 虽然处 理方式简单，但是在有用信号被放大同时也将噪声进行了放大。虽然目的端接收到 的信号，含有放大了的有用信号和噪声信号，但是目的节点通过一定的方式可以提 取出有用信号。所以a f 方式还是能有效提高目的节点接收性能，a f 工作方式如图 1 2 所示。 解码出的b i t r r i 图1 3d f 转发方式 2 ) 译码前传d f 基本思想是，中继节点将第一阶段从源节点接收的信号先进行 解码处理，然后再重新编码，转发给目的节点。d f 方式存在一个问题，即是当源 节点与中继节点之间信道质量较差时，极有可能发生解码出错，不会获得分集增益。 整个处理过程如图1 3 所示。 挺前编码的p 位 r 厂 r r 图1 4 编码协作 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 3 ) 编码协作的基本思想是中继节点将接收到的源节点信息正确解码后，再重新 进行编码，得到与源节点信息有不同校验信息的编码信息，并向目的节点进行转发。 整个过程中，每个节点都试图为其他节点传输冗余信息，其过程如图1 4 所示。 1 3 无线网络m a c m a c 机制主要起着协调和分配节点对无线信道访问的作用。i e e e 8 0 2 1 1 m a c t l 7 】 采用c s m a c a ( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 方式共享无线 信道。i e e e 8 0 2 1 l m a c 提供两种媒体访问方式：分布式协调功能( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) 和点协调功能( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，p c f ) 。d c f 分布式方式通过c s m a c a 和二进制指数退避方法来实现信道访问。p c f 属于集中 式方式，通过轮询的方式提供无竞争服务。同时i e e e 8 0 2 1 1 d c f 机制还包括：基本 接入机制和r t s c t s 握手机制。 点协调功能函数p c f 采用轮询机制对网络中的各节点进行访问，从而避免了碰 撞的产生，接入点a p 集中控制整个基本集中的活动。因此，像移动a dh o e 网络这 种无中心结构就没有p c f 功能。 d c f 采用c s m a c a 机制，适用于分布式的网络结构。在d c f 工作方式之上 还有p c f ，它适用于具有中央控制功能的网络。在d c f 方案中有两种包传输方式， 两次握手即c s m c a 和四次握手即r t s c t s 方式。c s m a c i a 方式中每一个节点 发送数据包前需要对信道进行监听，当监听到信道空闲时间大于特定时间后才可以 发送数据包；否则进行退避。目的节点通过回送a c k 来表示数据包传送成功。 四次握手方法主要是使用虚拟载波监听和r t s c t s 机制，( r e q u e s tt os e n d ， r t s ) 和( c l e a rt os e n d ，c t s ) ，通过采取四次握手过程r t s c t s d a t a - a c k 进行分 组的传输。这个技术可以有效的解决隐终端等问题。通信双方在发送数据包前，通 过提前对通信信道的预留，来减少碰撞，提高网络效率。图1 5 给出了四次握手的 通信过程，假设网络中有a ，b 两个节点，a 为源节点，b 为目的节点。节点a 在 发送数据包前先发送r t s 帧，节点b 成功接收到r t s 帧后，回复c t s 帧进行确认。 节点a 和b 的所有邻居节点都能监听到r t s 或c t s 帧，并根据该帧中的信息进行 n a v 设置。节点a 成功接收到c t s 帧后，等待一个s i f s 时间后，将会进行数据包 的发送。节点b 成功接收到数据包后，等待s i f s 时间后发送a c k 进行回复，表示 此次通信完成。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 其 b n 菇苡 a 叫p 罕到 c t s a c k b n a v ( r t s )乙 他节点 n a v ( c t s ) 图1 5 四次握手过程 无线传感器网络，作为一种对节能要求比较高的网络，广泛用于军事、医疗等 用途。对于无线传感器网络的m a c 机制设计，不仅要考虑节点间公平性，同时需 要对时延，节点功耗等问题综合进行考虑，设计出合适的m a c 机制。无线城域网 i e e e 8 0 2 1 6 作为宽带最后一公里的最佳解决方案，其m a c 层具有面向连接的特点。 m a c 层完成对高层业务数据的分段，同时负责决定上下行的m a cp d u 发送功率 等功能。此外还有一些其他无线m a c 机制都因各自网络的不同，需要针对各自特 点进行设计，这里就不在累赘。 无线网络的研究主要集中在物理层、数据链路层和网络层。m a c 属于数据链 路层中的一个子层，无线网络的m a c 机制主要起到协调和管理用户对信道的访问 情况，尽最大努力把信道资源分配给各个节点。m a c 机制能否给节点高效分配信 道资源，直接决定了整个无线网络通信质量的好坏，因此，它的研究一直受到国内 外科研人员的关注。 1 4 协作通信热点问题 协作通信中也面临着信道分配、接入等和其他无线网络一样需要解决的问题， 因此对协作通信网络m a c 的研究是非常必要的。目前针对协作通信的研究主要集 中在物理层、m a c 和路由方面，并且协作通信方面还没有一个类似于o s i 七层模 型的统一模型，其研究都是处于初级阶段。 协作通信目前的研究主要集中在物理层即从信息论方面进行的研究，近年来越 来越多的人意识到在物理层基础上必须有相应的上层协议配合才能充分利用物理层 协作的增益，于是关于m a c 机制的研究越来越受到大家的关注。中继协作m a c 机制中一个核心的问题就是中继节点的选取问题，如何在多个中间节点中选取一个 最优的中继节点，充分利用协作产生的增益。同时在这基础上，设计一个合适的 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 m a c 机制来帮助节点预留、分配信道，完成整个协作传输，是一个非常有意义的 研究方向。p e i l i u 等人【1 8 。9 】在i c c 和j s a c 上发表了关于中继节点选取的经典文章 c o o p m a c ，此后在此基础上涌现了大量关于中继节点选取的研究成果。 下一代无线网络中，必须还要考虑节点支持各种不同类型业务的区分。于是中 继协作m a c 机制还需要进行q o s 保证，同时在m a c 层之上的网络层，应用层也 需要进行相应的设计来最大化支持中继协作通信。此外，还可结合网络的多跳、多 信道特性，来研究协作通信在这方面的应用。近年来关于这些方面的研究，在国内 外的学术界和工业界已取得了大量的研究成果。 1 5 本文工作和结构安排 本文首先介绍了m i m 0 和协作通信技术以及无线网络m a c ，并分析了协作通 信研究的问题。接着介绍目前无线网络中继协作m a c 机制研究情况，并阐述了几 种现有中继协作m a c 机制，对d c m a c 机制的吞吐量使用n s 2 进行了仿真验证。 其次分析了现有中继协作m a c 在中继节点选取阶段的问题，然后针对该问题提出 一种基于空闲时间的认知流量中继协作m a c ( i t t c - m a c ) ，通过m a t l a b 仿真验 证了吞吐量性能。随后在c o o p m a c 基础上，结合缓存信息提出一种基于缓存信息 的认知流量中继协作m a c ( b t c - m a c ) 。最后介绍了在n s 2 中添加中继协作m a c 模块的方法，并使用搭建的仿真平台对提出的b t c m a c 机制在吞吐量和时延方面 的性能使用n s 2 进行了仿真验证。 论文的具体结构安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了无线通信的发展情况，接着介绍m i m o 和协作通信 技术的相关内容，然后介绍了无线网络m a c 和协作通信中的一些热点问题，最后 是本文工作和结构安排。 第二章对现有无线网络中继协作m a c 机制研究情况进行了介绍，并分析了几 种中继协作m a c 机制，给出了各自的优缺点。最后建立在对d c m a c 分析基础上， 通过n s 2 对d c m a c 吞吐量性能进行仿真验证。 第三章分析了c o o p m a c 机制中继节点选取方式的不足，针对不足给出一种基 于空闲时间的认知流量中继协作m a c ，通过m a t l a b 仿真验证了其性能。 第四章在c o o p m a c 基础上结合节点缓存信息，提出一种基于缓存信息的认知 流量中继协作m a c ，并详细介绍了其实现过程。 第五章给出在n s 2 中添加中继协作通信模块的方法，并对b t c m a c 、 c o o p m a c 和传统i e e e 8 0 2 1 l m a c 使用搭建的平台进行仿真验证。 第六章对本文的工作进行了总结，并指出后续工作的研究方向。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络中继协作m a c 机制 第二章无线网络中继协作m a c 机制 无线信道的衰落和干扰影响着无线网络的性能，m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术通过在收发两端安装多天线来提高系统容量。协作通信技术作为一种虚 拟m i m 0 技术，因其在手机等小型终端实现相对容易，受到了大家的普遍关注。协 作通信中，中继节点选取的好坏影响着整个协作通信的性能，而中继节点的选取又 与m a c 机制紧密相关，因此对于中继协作m a c 机制的研究在学术界引起了广泛 的关注。 本章介绍了无线网络中继协作m a c 的研究现状和中继协作m a c 面临的问题， 接着重点分析了几种典型的中继协作m a c 机制。最后对d c m a c 机制吞吐量性能 进行了仿真，验证了其性能和搭建的仿真平台的可行性。 2 1 无线网络中继协作m a c 研究状况 目前国内外协作通信的研究主要集中在物理层、m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层 和网络层。i e e e 8 0 2 1 l b 根据自身物理层的调制方式分别可以支持1 m b p s 、2 m b p s 、 5 5 m b p s 和l l m b p s 的传输速率。和i e e e 8 0 2 1 1 网络一样，协作通信过程中同样需 要对信道资源进行分配和预留，为了充分利用物理层支持多速率的特性，合适的上 层协议是必不可少的。因此，针对中继协作m a c 机制的研究一直是国内外学术界 的热点课题。 现有关于中继协作m a c 的研究成果可以归纳为以下几类。按照中继节点选取 方法可分为中继节点自己决定【2 0 1 、源节点选取【1 9 】【2 2 1 和目的节点选取2 1 】、【2 3 训三大类。 还可以按照被选取的中继节点数量分为单中继协作【2 5 】和多中继协作 2 6 1 。其中单中继 协作是在多个候选中继当中选取一个最优的中继节点，而多中继协作也并不是中继 节点数目越多参与中继协作的效果越好，如何在中继节点数目和协作增益中进行一 个最优权衡是一个值得探讨的话题。还可以根据中继节点判断选取标准分为按照节 点间的信道状态信息【1 9 】和根据节点间的地理位置口7 】进行选取等等。同时协作方式也 不仅限于一跳传输，文献【2 8 】提出多跳传输的概念，在多跳网络中实现中继协作通信。 中继协作通信也不仅仅只针对某一特定的网络，文献【2 9 针对无线局域网提出了低复 杂度的协作分集协议。文献p o 】提出一种适用于无线传感器网络的协作m a c 协议。 现有研究【3 l 】针对车载网络、文献p 2 3 3 】分别针对蜂窝网络和认知网络进行了研究。其 他方面，文献瞰】中给出一种在i e e e 8 0 2 1l e 框架基础上，提高w l a n sq o s 性能的 m a c 机制。文献【3 5 】给出一种路由选择和m a c 机制相结合的中继协作m a c 。文献 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线网络中继协作m a c 机制 【3 6 1 针对物理层编码协作，分析了编码协作的中断概率问题。文献鲫在分析协作路由 算法基础上，提出了最小功耗协作路由算法0 v c g ) 。文献【3 8 】给出一种空时编码与 协作通信相结合的协作m a c 。 在网络中使用中继协作通信技术后，源节点可以通过和目的节点之间的中继节 点来进行数据传输。通过中继协作通信可以提高吞吐量、增加网络覆盖、减少传输 时间和误比特率、误符号率、中断概率等。 中继协作通信中，由于信道状态、业务状况和网络拓扑结构等的变化，所以目 前还没有一种通用的中继协作m a c 机制。中继协作m a c 机制的设计需要结合物 理层信息，比如物理层采用不同的调制技术将对应不同的数据传输速率，必须根据 实际的情况进行中继节点选择，同时还可以采用多层合作的跨层方法进行选择。中 继协作m a c 需要解决什么时候中继，什么时候不中继以及如何中继等一系列问题。 前面介绍的中继协作m a c 机制都是基于信道状态信息、节点间信噪比和节点之间 距离等信息进行中继节点选取的。很少有人讨论节点业务情况对中继节点的影响， 而在实际网络场景中，通常不止一条业务流在发送，多条业务流会互相存在干扰， 需要考虑节点业务情况来进行中继节点选取。所以本课题联合信道状态信息和节点 业务情况进行中继节点选取，后续章节将给出两种基于认知流量的中继协作m a c 机制。本章2 2 节，将对现有的一些典型中继协作m a c 机制进行介绍，并对d c m a c 机制通过仿真进行验证。 2 2 中继协作m a c 分析 现有的针对中继协作m a c 机制的研究情况在上一节已经进行了一个简要的介 绍和分析，本节对几种中继协作m a c 机制进行阐述。 2 2 i c o o p m a c ( c o o p c r a t i v cm a c ) 文献【1 9 】中，r l i u 等人提出适用于无线局域网的中继协作m a c 机制c o o p m a c ， 其传输示意图如图2 1 所示。c o o p m a c 基本思想是当源节点和目的节点之间信道状 况较差时，如果在他们之间有信道质量更好的中继节点存在，就选择通过中继节点 进行数据包的转发来提高吞吐量，减少传输时间。该机制中每个节点维护着一张协 作表，中继节点选取需要的一些信息都存放在里面。源节点有数据需要发送时，查 找协作表，看是否有合适的候选中继节点存在。如果有，就根据中继节点选取算法 选取一个最优的中继节点来参与传输。如果没有，就采用i e e e 8 0 2 1 1 方式进行传输， 协作表中候选中继节点的判断根据式( 2 1 ) 。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络中继协作m a c 机制 l1l 瓦+ 瓦 r 。式( 2 5 ) k s 。h + k h 。d r d c f 机制可以减少包传输时问，提高系统吞吐量，在公平性方面也有一定的 保证。中继节点选取根据节点对之间的信道状态信息进行，但是没有考虑分集增益， 严格意义上来说只是一个中继通信网络。 2 2 4 c o m a c ( c o o p e r a t i v em a c ) 文献【捌中给出一种在无线传感器网络中的协作m a c 机制c o m a c 。整个通信 过程由两个阶段构成：第一阶段，源节点s 向邻居节点r 发送数据，第二阶段，s 和尺同时向目的节点协作传输数据。目的节点对接收到的信号判断其强度是否大于 接收阈值，对于大于的部分信号采用最大比合并( m a x i m a lr a t i oc o m b i n e r ，m r c ) 的 方法将接收到的来自发送方和中继节点的副本进行合并，产生分集，其系统模型如 图2 4 所示。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线网络中继协作m a c 机制 图2 4 系统模型 c o m a c 的整个传输过程如下： 1 ) 源节点s 如果不采用协作，将采用和i e e e 8 0 2 1 1 一样的方法进行数据传输。 若源节点决定协作传输，将向目的节点d 发送c - r t s 帧。 2 ) 源节点如果收到从目的节点回复的c c t s 帧，将会进入等待候选中继节点发 送a c o ( a v a i l a b l e - t o c o o p e r a t i v e ) 过程。如果没有收到c c t s ，源节点重新设置竞争 窗口，并返回第一步。 3 ) 若源节点收到a c 0 ，开始进行协作传输。第一阶段源节点向中继节点发送数 据包，第二阶段中继节点将经过处理后的数据包向目的节点进行转发，此时源节点 同时也有数据包在发送。如果源节点在等待相应时间后没有收到a c 0 ，将会切换到 非协作模式进行通信。 4 ) 目的节点根据收到数据的转发方式分别回复c a c k 或a c k 。 5 ) 源节点若收到c a c k ，就表示协作通信顺利完成；如果收到a c k ，表示数 据通过直传方式成功发送。若源节点既没有收到a c k ，又没有收到c a c k ，则源 节点将进行重传并更新竞争窗口的值。 该方法思路简单，开销相对较小，对无线传感器网络的关键问题能耗有一定改 善，同时对点到点和多点对点的吞吐量也有提升。 2 2 5 c c - m a c ( c o o p e r a t i v ec r o s s - l a y e rm a c ) 文献【2 3 1 提出一种多跳无线网络中结合空时编码的跨层协作m a c 机制。接收方 基于测量到的瞬时信道状态信息，通过自适应的调制方式来提高吞吐量。该方案每 个节点配置有两个收发信机，系统模型如图2 5 所示，网络由多个节点构成。 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络中继协作m a c 机制 图2 5 系统模型图 首先源节点s 向接收集尼弘臼，和 发送数据包，其中和为节点4 的协作伙伴。 在第二阶段接收集兄，成为发送集t a = 似，a p ) 将通过分布式空时编码方式向新的接 收集g a = b , s p 协作传输数据包。接收集成功接收数据包之后，接收集r a 将会重 复分布式空时编码和协作传输过程直到数据包成功到达目的节点d 。s 和d 之间的 协作传输过程为孓“，a p 一p ，s p ) - 一似m p - d 。c c - m a c 机制数据包传输如 图2 6 所示，具体流程如下： 。回回 d i 陌 s i f s 如回回 s i f s s i f ss