（计算机科学与技术专业论文）无线多跳网络协作路由研究.pdf

t h er e s e a r c ho fc 0 0 b e ( h e n a nu n i v e r s i t yo fe c o n o m i c sa n dl a w ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i so r a s s o c i a t ep r o f e s s o rx i ek u n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：球象香 日期：功怍 月；7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吼 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：j 4 , 家夸 日期： 导师签名：期： 训年步月罗7 日 动f 年手月罗7 1 3 硕l j 学位论义 摘要 随着信息技术的不断发展和迅速普及，人们对移动通信的需求与日俱增，无 线通信问题已经成为信息化深入发展的一个重要问题。无线网络由于采用无线传 输媒介作为信息传输的载体，减少了用户的连线需求，更加能够满足用户对于移 动通信的需求，在近年来得到了迅速的发展，目前已成为全球通信网络的重要组 成部分。而且随着无线终端的功能日益增强，人们对无线传输服务质量的要求也 不断提高，尤其是在高速通信中对于数据传输的可靠性提出了更高的要求。因此 如何提高现有网络资源的利用率和数据速率，降低网络的中断概率已成为当今无 线多跳网络通信研究中的重要课题之一。 协作通信技术是近几年发展起来的一种新技术，它利用信号的广播特性，将 协作的思想运用于无线通信中，利用节点间的协作传输提高网络的通信质量。它 不仅可以扩大无线网络的连通性，提高无线通信系统的容量，而且可以降低通信 的中断概率，节省数据传输的能量。本文在详细介绍了无线多跳网络和协作通信 技术的基本概念的基础上，阐述了协作路由技术的基本思想和概念并分别基于不 同准则对现有的协作路由算法进行了详细的介绍。 协作路由是将物理层的协作通信技术和网络层的路由选择技术相结合以提高 网络性能的一种跨层路由设计方案，但是现有的协作路由机制并没有充分利用网 络拓扑结构的特点，本文从基于无线多跳网络节点分布密度的角度考虑，提出了 一种基于分簇的协作路由算法，综合利用了分簇路由和协作路由各自不同的优势 和特点，充分考虑了节点拓扑结构对于协作通信的影响，在对节点进行分簇的基 础上再进行协作路径的选择，并且用数据试验的方法进行了性能仿真。仿真结果 表明，该算法能够显著改善路由的中断概率性能，提高网络的可靠性。 针对实际无线多跳网络中节点具有非合作的特性，本文结合当前的研究 状况，对建立有效的激励合作机制的问题进行了深入的探讨。通过引入博弈 论的思想，对基于博弈论的节点协作激励机制研究以及研究中所面临的挑战进行 了分析总结，并展望了未来可行的发展方向。 关键词：无线多跳网络；协作通信；协作路由：博弈论；协作激励机制 l l 光线彩曲! i - j 符 j 竹路巾础f 究 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta n dt h er a p i d s p r e a do ft h e i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，p e o p l e sd e m a n df o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ng r o w sd a yb yd a y ， w i r e l e s s c o m m t m i c a t i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u ef o rf u r t h e r d e v e l o p m e n t o ft h e i n f o r m a t i z a t i o n f o rt h eu s eo f w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm e d i u ma st h ec a r r i e ro f i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，t h er e d u c t i o no ft h en e e d so fc o n n e c t i o n ，w i r e l e s sn e t w o r k i si t l t o r ea b l et om e e tt h en e e d so fu s e r sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，o b t a i n e dar a p i d d e v e l o p m e n ti n r e c e n t y e a r sa n dh a sb e c o m e a ni m p o r t a n tp a r to ft h e g l o b a l c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kf o rt h ep r e s e n t a n dw i t ht h eg r o w i n gc a p a b i l i t i e so fw i r e l e s s t e r m i n a l s ，p e o p l e sr e q u i r e m e n t sf o rt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ns e r v i c eq u a l i t y i sa l s o e n h a n c eu n c e a s i n g l y ，e s p e c i a l l yf o rt h ed a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yi nt h eh i g h - s p e e d c o m m u n i c a t i o n s oh o wt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no ft h ee x i s t i n gn e t w o r kr e s o u r c e s a n dd a t ar a t e s ，r e d u c et h en e t w o r ko u t a g ep r o b a b i l i t yh a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n t t o p i c so ft h er e s e a r c ho ft h ew i r e l e s sm u l t i h o pn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya p p e a r s ，i tu s e st h eb r o a d c a s tf e a t u r e o ft h es i g n a l ，a p p l y i n gt h ei d e ao fc o l l a b o r a t i o ni n t ot h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， r e l y i n go nt h ec o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o nb e t w e e nn o d e st oi m p r o v et h eq u a l i t yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i tc a nn o t o n l ye x p a n d w i r e l e s sn e t w o r k c o n n e c t i v i t y ， e n h a n c et h ec a p a c i t yo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b u ta l s oc a nr e d u c e c o m m u n i c a t i o no u t a g ep r o b a b i l i t y ，s a v et h ee n e r g yo fd a t at r a n s m i s s i o n b a s e do nt h e d e t a i li n t r o d u c t i o n o fw i r e l e s s m u l t i h o pn e t w o r k a n dc 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 ，t h et h e s i si l l u s t r a t e st h ef u n d a m e n t a l sa n dc o n c e p t so fc o o p e r a t i v er o u t i n g a n dd e s c r i b e se x i s t i n gc o o p e r a t i v er o u t i n ga l g o r i t h mb a s e do nd i f f e r e n tc r i t e r i ai n d e t a i l c o o p e r a t i v er o u t i n gi sac r o s s l a y e rr o u t i n gd e s i g ns c h e m ew h i c hc o m b i n et h e 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 yw o r k e d i n p h y s i c a ll a y e ra n dt h e r o u t e s e l e c t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e di nn e t w o r kl a y e rt o i m p r o v en e t w o r kp e r f o r m a n c e h o w e v e r ，t h ee x i s t i n gc o o p e r a t i v er o u t i n gm e c h a n i s m sd o n tt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fn e t w o r k t o p o l o g y b a s e d o nt h ec o n s i d e r a t i o no ft h en o d e s d i s t r i b u t i o n d e n s i t y o ft h ew i r e l e s s m u l t i h o pn e t w o r k ，t h ep a p e rp r o p o s e s t h e c l u s t e r - b a s e dc o o p e r a t i v er o u t i n ga l g o r i t h mw h i c hc o m p r e h e n s i v eu t i l i z e sd i f f e r e n t a d v a n t a g e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec l u s t e r i n gr o u t i n ga n dc o o p e r a t i v er o u t i n g ，t a k e s l 硕i 学化论丈 f u l la c c o u n to f t h ei n f l u e n c e f a c t o r o fn o d e t o p o l o g y i n c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n ，s e l e c t st h ec o o p e r a t i v ep a t ho nt h eb a s i so ft h ec l a s s i f i c a t i o no ft h e n o d e sa n dt a k e sp e r f o r m a n c es i m u l a t i o nu s i n gd a t at e s tm e t h o d s s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h er o u t i n g o u t a g ep r o b a b i l i t y p e r f o r m a n c e ，i n c r e a s et h en e t w o r kr e l i a b i l i t y a i m i n ga tt h en o n c o o p e r a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en o d e si np r a c t i c a lw i r e l e s s m u l t i - h o pn e t w o r k ，t h i sp a p e r s t u d i e dt h ec u r r e n tr e s e a r c h s t a t u s ，d i s c u s s e d t h e p r o b l e mo fe s t a b l i s h i n ge f f e c t i v en o d ec o o r d i n a t i o ni n c e n t i v em e c h a n i s m i nd e p t h b y i n t r o d u c i n gt h ei d e ao fg a m et h e o r y ，t h ep a p e ra n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h er e s e a r c h o fn o d ec o o r d i n a t i o ni n c e n t i v em e c h a n i s mb a s e do ng a m et h e o r ya n dt h ec h a l l e n g e s f a c e du n d e rr e s e a r c h ，a n dp r o s p e c t st h ef e a s i b l er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：w i r e l e s sm u l t i - h o pn e t w o r k s ；c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ；c o o p e r a t i v e r o u t i n g ；g a m et h e o r y ；c o o r d i n a t i o ni n c e n t i v em e c h a n i s m i v 3 1 1 单跳协作路由模型1 4 3 1 2 多径协作路由模型1 5 3 2 协作路由算法介绍15 3 2 1 基于安全的协作路由算法1 6 3 2 2 基于传统路由协议的协作路由算法1 6 3 2 3 基于能量有效的协作路由算法1 8 3 3 小结2 2 第4 章基于分簇的协作路由算法2 3 4 1 系统模型2 4 v 坝f | 、j ：f j 沦艾 4 2 算法介绍2 5 4 2 1 簇的形成2 5 4 2 2 簇问路由2 6 4 2 3 簇内路由2 7 4 3 仿真实验与结果分析2 8 4 4 小结3 0 第5 章基于博弈论的协作激励机制研究3 1 5 1 基于信任度的激励机制3 2 5 2 基于非合作博弈的激励机制3 2 5 2 1 无线多跳网络的博弈论模型3 3 5 2 2 基于非合作博弈的激励机制3 3 5 3 簇问路由的非合作博弈3 4 5 3 1 博弈模型的建立3 4 5 3 2 博弈求解3 6 5 4 小结3 7 结论。3 8 参考文献4 0 致j 射4 4 附录攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录4 5 v i 无线多跳m 络 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 插图 图4 1 图4 5 图4 6 图5 1 v i i 第1 章绪论 1 1 研究背景与课题意义 随着人类社会的发展与进步，人们追求更加灵活、便捷的通信方式，个人通 信追求在任何时间、任何地点与任何人进行各种业务( 语音、数据、视频等) 的通 信方式，对移动通信的需求与日俱增。 无线网络技术由于采用了无线传输媒介作为信息传输的载体，减少了用户的 连线需求，使人们摆脱了通信线路的束缚，更能满足用户对于移动通信的需求。 移动计算和无线通信的飞速发展也为无线网络的应用开辟了美好的前景，推动了 传统的计算机网络由有线向无线，由同定向移动，由单一的数据传输向多媒体业 务扩展，因此无线通信网络在近年来得到了迅速的发展。 无线通信网络目前已成为全球通信网络的重要组成部分，并且随着无线终端 的功能日益增强，应用日渐普及，人们对基于无线的高清视频点播、视频监控、 实时r g b 在线游戏、移动电视等无线业务的需求也越来越强烈，对无线传输的数 据率和服务质量的要求不断提高，这就必然要求无线网络能够支持更高分辨率的 图像、更清晰的视频源和更强的实时互动。原有的无线网络技术由于需要基础设 施的支持显然已经无法支撑这些应用，如何在有限的无线频带资源下，进一步提 升数据速率，并降低时延，满足各种业务的服务质量，改善网络覆盖和提高网络 的可靠性成为要解决的核心问题。 无线多跳网络是由一组带有无线收发装置的具有联网能力的移动节点组成的 一个多跳的自组织、自生成和自管理的自治系统，如无线a dh o e 网络【1 1 、无线传 感器网络 2 ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 以及无线m e s h 网络t 3 ( w i r e l e s sm e s h n e t w o r k s w m n ) 均属于无线多跳网络。无线多跳网与有线网和单跳无线网在结构 上的主要区别在于：它没有基站一类的固定通信设施，可以在不能利用或者不便 利用现有网络基础设施的情况下提供一种通信支撑的环境，从而拓宽了无线网络 的应用场合【4 】，所以，它又被称为自组织网络或无固定设施的网络。作为一种没 有同定基础设施的网络，无线多跳网络在战场、紧急救援等场合已经显示出了其 得天独厚的优势，在协同工作，分布式信息或资源共享，大规模并行计算等方面 也得到了广泛的应用。 无线多跳网络结合了最新的计算机网络技术和移动通信技术，方面，用户 终端是可以移动的便携式终端；另一方面，网络的信息交换采用了计算机网络中 的分组交换机制。在无线多跳网络中，由于终端的无线传输范围有限，两个无法 无线多跳叫络协作路r h 研究 直接通信的终端节点往往要通过多个中间节点的转发来实现通信，节点问的路由 通常由多跳组成。当源节点与目的节点之间的距离很大时，多跳传输具有节省路 径损耗的优点，它可以带来多跳分集增益，扩大网络的覆盖范围。无线多跳网络 的这些优势引起了人们越来越多的关注。总之，无线多跳网络的出现，使网络具 备了很高的自适应性和智能性。由于网络具有自组织的能力，这样不但可以简化 对于网络的管理，提高网络的稳健性和灵活性；另一方面，也能够使资源在动态 的环境中得到有效的利用，用户不仅可以动态的组成区域性的网络，还可以使用 更小的功率完成多跳的传输过程。这些优势的结合使得这种新型无线移动通信系 统具有很大的发展潜力，也引起了人们越来越多的关注。 虽然无线多跳网络在移动通信的领域显示出了巨大的优越性和良好的应用前 景，但是其自身的一些特点也给这种网络的应用带来了许多问题【5 】。 无线多跳网络自组织、多跳的特点使得其路由技术更加复杂，已有的针对有 线网络设计的路由协议由于周期性的交换大量的路由信息会产生大量的开销，而 无线多跳网络的带宽资源相对于有线网络来说是非常有限的，所以不能将有线网 络的路由协议直接应用于无线多跳网络之中；另外，无线多跳网络的网络结构与 现有的无线局域网和蜂窝网络也有着显著的区别，无线局域网和蜂窝网等无线网 络在网络结构上都属于有中心的、单跳的无线网络，与无中心的无线多跳网络完 全不同。因此现有的其它无线网络的路由协议和策略也无法应用于无线多跳网络 之中，所以，要实现无线多跳网络独特的多跳路由必须有新的路由协议的支持【6 1 。 注意到无线多跳网络中的数据传输需要多跳并且需要在一定通信范围内的 节点协作转发才能完成。无线信道天然具有广播的特性，即使是方向性的传输也 是某种程度的广播，只是更少的接收者被限制在某一个区域内。这意味着许多节 点或者用户能够收听到一个源节点传输的信息，并且在需要的情况下能够帮助其 进行信息的中继传输。这种广播特性在很长一段时间内被视做是一种能量的浪 费，同时还会对其他用户造成干扰，而随着协作通信技术的出现，它成为一种协 助传输时潜在的资源。众所周知，无线信道是具有突发性的，当一个信道进入一 种严重的衰落状态时，这种衰落很可能会持续一段时间。因此，在深衰落的作用 下，当一个源节点无法建立起到目的节点的直接链路时，即使采用类似a r q 这样 的重传协议局面也可能不会有很大的改观。此时如果一个第三方节点正确接收到 这个源节点发来的信息，并能够通过一条独立于源节点到目的节点的链路进行辅 助传输时，信息能够成功传输的概率将会更大，整体的性能可以获得提升。 近年来，协作通信技术在物理层的优势已经被充分的探索和利用，但是，它 在高层设计中产生的影响还没有被很好的理解和运用。而协作路由就是将协作通 信的思想运用到网络层的路由设计中以提高网络性能的跨层路由设计方案，每个 节点既作为数据源又可作为协作节点协助其它节点转发数据包，采用了协作路由 2 硕i j 学似论文 的方式后，由于协作节点的存在，即使传输过程中造成了一些数据包的丢失，节 点仍然可以从协作节点处找回这些丢失的数据包，这样即使在信道条件比较恶劣 的情况下仍然可以保证网络中一定程度的数据的可靠传输，保持路由的可靠性和 良好的网络性能。所以，在无线多跳网络中进行关于协作路由的研究具有重要的 理论和现实意义。本文系统地研究了无线网络的可靠性协作问题，以有效提高无 线网络传输的服务质量。 1 2 本文的研究内容及主要工作 由于协作通信技术应用于路由层可以有效的提高网络的路由或接入性能，因 此，协作路由技术日益为计算机科学工作者及网络服务提供商所重视。本文从无 线多跳网络的节点分布密度考虑，综合协作通信技术和分簇路由技术对协作路由 算法进行了研究，对协作路由算法的可靠性性能指标进行了探讨。考虑到无线通 信信道的多径衰落、时变性等特性，随着网络规模的增大，如何降低路由寻找的 复杂性和提高网络信息传输的可靠性是最大的难题。因此本文对协作路由算法的 研究将围绕增加可靠性的方向展开。 本文主要在无线多跳网络通信环境下，融合协作通信技术和分簇路由技术， 对协作分集和协作路由的性能、实现方法和相关的算法和路由机制进行了研究。 主要研究内容如下： 1 ) 对众多经典协作路由算法进行了研究和分析。 研究了协作通信技术的基本原理，对协作通信协议及性能指标进行了分析， 对c a n ，c a s n c p ，m p c r 等多种经典协作路由算法的思想进行了研究，阐述了 各种经典算法的特性。 2 ) 研究了协作通信技术及中断概率性能指标，深入分析了协作通信协议的策 略。 阐述了协作通信技术的概念及其核心思想，论证了协作通信的优势。对其性 能指标进行了选择性的研究，并对协作通信协议的几种协作策略进行了深入的分 析。 协作通信从本质上来说可以被看做是种j “义上的m i m o 概念，它是利用无 线信道的广播特性而在节点问建立起一种相互辅助的新的架构，以一种分布式的 方式来进行通信处理，并能够获得在m i m o 系统中所得的相同的优势。这样的一 种新通信技术有提高通信容量、速率和中断概率等性能：降低电池损耗和延长网 络寿命；提高吞吐量和多接入方案的稳定域；扩展传输覆盖范围等诸多优势，本 文对协作通信协议的几种策略进行了研究并针对具体的应用环境选择了合适的协 作策略。 3 ) 对分布式协作路由算法进行了深入的分析，并利用其特点进行了关于提高 网络可靠性传输方面的探索和改进。 深入研究了m p c r ( m i n i m u mp o w e rc o o p e r a t i v er o u t i n g ，最小功率协作路由) 算法的核心思想，该算法的优势在于在建立最小功率路由的过程中充分利用了协 作通信的优势，它可以分布式地实施b e l l m a n f o r d 最短路径算法，采用直接传输 和协作传输相结合的方式选择最佳协作路由。 虽然该算法能够有效的节省功率消耗，但是如何有效利用协作传输提高网络 传输的可靠性并不是该算法关注的主要问题。本文在上述研究的基础上，以增加 网络的可靠性为目标，提出了一种基于分簇的协作路由算法，利用无线网络的广 播特性，节点和它周围能够正确接收到信息的邻居节点协作进行信息的传递，寻 找一条中断概率最小的协作路径。 4 ) 针对实际无线多跳网络中存在的自私节点的问题，结合当前的研究状况， 运用博弈论的思想，对建立有效的激励合作机制的问题进行了归纳与分析，对研 究所面临的挑战进行了总结，并展望了未来可行的发展方向。 1 3 本文结构 论文各章节安排如下： 第l 章给出了课题的研究背景和意义。对协作路由技术在提高网络服务性能 中的作用及重要性进行了阐述，对本文所研究的内容和主要工作进行了介绍。 第2 章介绍了协作通信技术的概念及其原理，论证了其在无线网络中的应用的 优势，阐述了协作通信协议的几种协作策略及其性能比较，最后分析了中断概率 性能指标。 第3 章介绍了协作路由的几种模型，研究了基于经典路由算法的协作路由算法 和分布式协作路由算法，深入分析了算法的特点，为进一步提出改进型的算法奠 定基础。 第4 章在深入分析前述研究的基础上，指出现有的协作路由机制并没有充分 利用网络拓扑结构特点的问题，从无线多跳网络的节点分布密度考虑，提出了一 种基于分簇的协作路由算法。并做了对比实验，给出了实验结果和数据分析。 第5 章讨论了含有自私节点的非合作无线多跳网络中各种基于博弈论的 路由机制，介绍了无线多跳网络中博弈模型创建的过程，对典型的基于非合 作博弈的激励机制进行了归纳并对当前非合作无线多跳网络中基于博弈论 的协作路由机制研究所面临的挑战进行了总结和展望。 最后，结论部分对本文的研究工作进行了总结，并对有待于进一步研究 的工作进行了分析。 4 硕i 学仃论艾 第2 章协作通信基础 无线通信是利用无线电波进行信息传输的，由于受到地形、建筑物的遮蔽， 无线电波会随着传播距离的增加而产生路径损耗，而且信号经过多点反射从多条 路径到达接收点也会使得传输的信号发生衰变，这些效果统称为信道衰落【7 】。随 着多媒体业务以及各种高速率数据业务的需求日益增长，无线通信信道的多径衰 落和多普勒频移等特性严重阻碍了网络服务质量的改善，因此如何有效地对抗衰 落以降低差错率，提高频谱利用率和无线网络的系统性能成为广大研究丁作者关 注的重要课题。 协作通信技术是近几年发展起来的一种能够有效对抗衰落，提高通信可靠性 的物理层的容量增强技术，作为一种新型的通信模式，它通过不同网络元素之间 的相互合作来达到网络资源的共享，进而可以提高网络传输的可靠性和系统吞吐 量，有效改善用户的服务质量。 2 1 协作通信技术 协作是指一组实体共同工作，以实现共同或单个目标的策略。协作的目标是 每个合作的实体通过一致的行动都可以获得一定的收益，协作可以看作是通过给 予、共享或允许做一些事情从而获得一些好处的行为。受自然界中和人类社会活 动中协作的行为模式的启发，研究人员希望在无线通信网络中探索和进一步利用 协作的概念【8 】。网络中在某一个时间段中部分有通信需求的终端可能由于受到自 身的资源条件等因素的限制，无法进行有效的通信；而另一方面还有一部分终端 没有发送信息的需求，网络中存在着大量的空闲资源，两者之间存在着矛盾。因 此，如何利用这些空余的资源来帮助有通信需求的终端用户进行可靠有效的通信 是一个值得进行深入研究的课题。 协作通信技术正是在这一研究课题的背景下提出来的一种新兴的无线通信技 术，无线通信中最早的关于协作的例子是只有三个节点的基本的中继协作。协作 通信的概念也是受到多输入多输出( m i m o ) 技术的启发，在中继信道模型的基础上 提出来的。而不论是中继信道模型，还是m i m o 系统模型，都是基于分集技术而 设计的，所以本节将依次介绍分集技术、单点中继协作模型、m i m o 技术和协作 通信技术。 2 1 1 分集技术 无线信道容易受到噪声和信道中其它干扰因素的影响，而且由于用户移动和 无线多跳网络协作路由研究 信道动态变化的原因，这些因素也会随时问发生相应的变化。分集技术是一种利 用无线传播环境中独立的( 或至少是高度不相关的) 多径信号来实现的无线通信技 术，它通过利用比较少的投资就可以大幅改进无线链路的性能【9 】。 分集技术的基本原理是：为了保障传输质量，发送端采取某种方法通过相互 独立的衰落信道( 时间、频率或空间) 传输同一个信号的多个副本( 也称为分集分 支，分集分支的个数称为分集级数或分集阶数) ，而接收端会根据信号的不同特性 对其进行区分。由于各个信号同时处于深度衰落的概率非常小，所以一般来说， 在任一时刻至少有一个强度足够大的信号的副本可以使用。如果不使用分集技术， 发送端在信道条件较差的情况下必须提高发射功率才能保证链路正常连接，但是 同时也会加重对于其它用户的干扰；而采用分集技术不仅可以降低信号的发射功 率，而且可以减小载波干扰比的可变性，进而可以提高系统容量和信号传输的可 靠性【l o ，l l 】。 根据信号传输方式的不同，分集技术一般可以分为两类：一类是显分集技术， 可以利用多个信号副本；另一类则是隐分集技术，信号只发送一次，但是通过其 它途径可以获得信号的多个副本。 在无线通信系统中，一般采用的是显分集技术。在传输过程中各种物体产生 的直射波、反射波和散射波之间的相互影响，即多径衰落，以及多普勒频移产生 的损耗，都可以利用显分集技术来进行改善。根据获得独立路径信号的方法的不 同，显分集技术又可以分为：时间分集、频率分集、空间分集等。在信号传输的 过程中，发送端利用不同的显分集技术来传输同一个信号的多个副本，然后再把 这些信号副本在接收端进行合并，从而可以提高接收信号的信噪比，降低信号的 中断概率。 就时间分集、频率分集和空间分集三者而言，在慢衰落的信道环境中，由于 时域重叠会导致信号出现较大的时延，所以时间分集不适合用于对于时延比较敏 感的业务；当信道的相干带宽大于传输信号的带宽时，频率分集也起不到相应的 作用；而空间分集技术由于充分利用了系统的空间域，可以在不占用额外时间和 频率资源的情况下成倍的提高通信系统的容量和频谱利用率，并且通过分集与复 用将多径衰落转换为有利因素加以利用，是一种减小多径衰落的简单有效的途径 【1 2 】。此外空间分集技术还能与其他技术( 如o f d m ) 相结合，具有很好的发展应用 前景，是未来移动通信领域的关键技术之一。 空间分集技术利用两个或者更多相互独立的路径来传送同一个数据信息，并 且在接收端把这些从不同路径接收到的信息以适当的方式合并起来加以利用，这 样更有利于恢复原始的数据信息。在接收端通过对信号进行合并，信号的衰减造 成的影响就会被显著的减小，这样就可以获得一定的空间分集增益。空间分集增 益显示了信号发生错误的概率随着信噪比( s n r ) 的增加而减少的速度，随着信噪 6 硕，l j 学他论文 比的增加，空问分集增益越大，发生错误的概率也会显著的减小，所以可以用分 集增益的大小来反映系统的可靠性能。在空间分集的信息传输过程中，发送信号 是以空间域冗余的形式到达接收端的，所以不会带来带宽效率和频谱资源的损失。 空间分集可以分别在发送端和接收端实现，所以又可以分为接收分集和发送分集 两种方式。 2 1 2 单点中继协作模型 从信息论的观点来看，只有在网络中节点的数目超过两个的情况下，协 作才有可能发生，一个包含三个节点的网络模型可以看作是协作的一个基本 单元。本文中我们将只考虑在网络中只能有一个中继节点帮助用户即信源节 点转发信息的单点中继的情形，如图2 1 是一个典型的单点中继协作模型， 此模型中信息的传输分为两个独立的阶段：在第一个阶段中，源节点将信息 发送到目标节点，由于无线信道的广播特性，与此同时信息也会被中继节点 接收到。在第二个阶段中中继节点可以帮助信源节点转发或者重传信息到目 标节点。 r e l a y l 图2 1 单点中继协作模型 信息到达目标节点后，目标节点将不同时隙接收到的信号进行合并，以 获得空间分集增益，中继信道可以看作是从源节点到目标节点之间直接传输 信道的一个辅助信道。由于目标节点利用了多条路径的信号信息，因此可以 获得空间分集增益，进而使得中继链路的数据速率和可靠性得到保证。 2 1 3m i m o 技术 所谓m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ) ，即多输入多输出天线技术，就是 指在发送端和接收端均采用多天线( 或者阵列天线) ，使得无线信号通过多信 道进行同步收发从而提高传输效率。接收端接收到来自不同路径有不同传输 时延的无线信号后，对它们进行重新计算和组合，从而还原出原来的信号； 7 ：线彩跳列络协作路由研究 m i m o 技术可以在不增力l i 带宽和天线发送功率的情况下，成倍地提高无线信 道容量和频谱利用率，利用m i m o 信道提供的空问分集增益还可以提高信道 的可靠性，降低误码率，所以m i m o 技术可以用于提高信号传输的速度和通 信的可靠性 1 3 1 。 m i m o 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，但是其在实 现方式上还存在一些问题。理想的m i m o 系统要求相邻天线之间的距离要远 大于电磁波波长，以保证天线的传输信道是独立的，或至少是不相关的。所 以，在基站端采用多天线收发信号可以比较容易的实现，但是移动终端由于 其自身体积和功率等的限制则很难安置多天线。为了解决这个问题，人们提 出了一种新的空问分集模式一一协作分集技术，使单天线的移动终端也可以 获得空间分集增益。 2 1 4 协作通信技术 协作分集技术，也称为协作通信技术，是一种利用信号的广播特性，通过 使网络中只配备了单天线的用户在多用户的环境中共享它们的物理资源进行协作 通信，形成虚拟的多天线阵列来实现发射或接收分集，即参与协作通信的设备之 间可以相互转发信息，使得同一信息能够通过不同的独立的路径到达接收端，从 而获得一定的空问分集增益的新型无线通信技术【1 4 l5 1 。 一个无线网络系统通常可以被看做是一些有相互通信需求的节点的集合，由 于无线信道中广播特性的存在，我们可以将这些节点视为无线网络系统中一些分 布式天线的集合，节点之问可以通过相互协作进行数据传输和信息处理以提高系 统的性能，而协作通信技术正是充分利用了这一特性。众所周知，无线信道的广 播特性会使邻近的用户之间产生相互的信号干扰，如果把用户问的干扰视为噪声， 接收端的信噪比将会恶化，协作通信技术正是巧妙的利用了无线信道的广播特性， 让受“干扰 的用户将“干扰”信号收集起来，并以适当的方式配合接收端用户， 反而实现了一种更可靠的通信方式；总而言之，发展协作通信技术的目标就是为 了充分利用网络中的资源帮助有通信需求的节点进行高速、可靠的信息传输。 协作通信的思想最早来源于中继通信，但是却不同于传统的中继通信。首先， 在中继通信中，中继节点的作用是形成主信道，本身并没有信息要传送，是单纯 作为中继而存在的；而协作通信的通信机制则较为复杂，每个用户既可以作为信 源发送自己的信息，又可协助其合作伙伴转发信息。本质上的区别在于传统的中 继通信没有分集的功能，而通过协作通信可以使单天线用户也获得分集增益，这 是因为由于网络中各个用户位置不同，他们之间形成的通信信道相互独立，发射 端发射的多个信号副本通过相互独立的信道到达接收端，于是便可产生分集增益。 文献【16 的研究结果表明，协作通信技术可以提供全部的空间分集增益的效果， 埘! i j j f ? i 沦支 即n 个参与协作通信的节点所提供的空问分集增益相当于信源节点具有n 个独立的 发射天线所提供的空问分集增益的效果。 协作通信技术是近几年来发展较快的研究领域之一，并且它很有可能成为未 来推动无线通信发展的关键技术。作为一种物理层的技术，协作通信技术通过共 享网络中其他用户的天线，形成虚拟的多天线阵列来实现发射或接收分集，可以 有效地抵抗多径衰落，获得明显的性能增益：综合来讲，协作通信的实质就是利 用信号的广播特性，通过中继转发信号并在接收端联合处理源信号和协作中继信 号使得接收端获得空间分集增益的一种无线通信技术【1 7 】。换句话说，它是中继( 即 多跳) 通信与直接通信并行融合的一种方案。它具有高分集增益和高能量效率的优 点，不但能够提高网络的吞吐量和可靠性，而且可以扩大网络的覆盖范围，被认 为是增强无线通信系统性能的一项重要技术。 2 2 协作通信协议 协作通信的目的就是为了充分利用网络中的节点资源帮助有通信需求 的节点进行高速、可靠、有效的通信，保证网络性能的稳定性和可靠性。其 中个关键的部分就是中继节点对于从源节点接收到的信号如何进行处理。 不同的处理方案会产生不同的协作通信协议，协作通信协议一般可以分为同 定协作模式和自适应协作模式两种。 2 2 1 固定协作策略 在同定协作策略中，信道资源以一种确定性的方式在源节点和中继节点之间 进行分配。中继节点对于从源节点接收到的信息所采取的处理方式也根据所使用 协议的不同而有相应的区别。 固定协作模式【1 6 】一般可以分为放大转发协作模式( a m p l i f y a n d f o r w a r d ) 、解 码转发协作模式( d e c o d e a n d f o r w a r d ) 和编码协作模式( c o d e dc o o p e r a t i o