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南京邮电大学 毕 业 设 计（论 文） 题目认知协作中继通信 MAC 设计 专业通信工程 学生姓名梁原 班级学号B080209 B08020930 指导教师田峰 指导单位通信工程系 日期：年月日至年月日 毕业设计（论文）原创性声明 本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文） ，是本人在导师指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名： 日期：年月日 摘要 无线 Mesh 协作中继网是一种基于无线 Mesh 网的网络结构，它通过引入协作 中继通信的概念来优化其结构、提升其性能。本文在该类网络中提出了一种新的 MAC 协议设计方案，该方案研究了 Mesh 协作中继通信中中继节点的选取问题。在 该 MAC 协议中，当目的节点接受数据出现差错时，它向各个中继节点广播发送重 传帧 （Retran） ， 中继节点根据相应算法设置计时器， 竞争产生最佳机会中继节点， 之后该最佳机会中继节点向目的节点重新传送数据信号。仿真表明，当网络中选 取合适的中继节点数时，该 MAC 协议可有效改善网络的误比特率和吞吐量，提高 通信质量。 关键词：无线 Mesh 网络；协作中继；MAC 协议 ABSTRACT Wireless Mesh cooperative relaying network is a network structure which bases on wireless Mesh network. It optimizes its structure and enhances its performance by using cooperative relaying. This paper proposes a novel cooperative MAC design which discusses the selection of relaying nodes in Wireless Mesh cooperative relaying network. In this new protocol, the destination node will broadcast Retran frames to relaying nodes when it cant receive data from the source node correctly. After that, those relaying nodes will set their timers according to the selection algorithm to compete for the best opportunistic relaying node which will send correct data to the destination node. Experimental results show that this new MAC protocol distinctly improves the performance of the network when the number of relaying nodes is proper. Key words: Wireless Mesh Network; Cooperative Relaying; MAC Protocol 目录 第一章绪论.1 1.1 无线 MESH网的发展背景和概况.1 1.2 协作中继通信的发展背景和概况.1 1.3 本文的结构与安排.2 第二章MESH 网络与协作中继通信.3 2.1 无线 MESH网络概述.3 2.1.1 无线 Mesh 网络的特点.3 2.1.2 无线 Mesh 网络的结构分类.4 2.1.3 无线 Mesh 网络的优势.4 2.1.4 无线 Mesh 网中存在的问题.5 2.1.5 无线 Mesh 网络的应用.6 2.2 协作中继通信概述.7 2.2.1 协作通信的理论原理.8 2.2.2 协作通信的特点.8 2.2.3 协作通信的分类.9 2.3 无线 MESH中继协作网概述.9 第三章MESH 网络中 MAC 协议的介绍分析. 11 3.1MESH网络 MAC 协议的概述.11 3.2MESH下的 MAC 调度机制.11 3.3MESH网络 MAC 协议技术标准.11 3.3.1IEEE 802.11MAC 协议.11 3.3.2IEEE 802.16MAC 协议.12 3.4MESH网络 MAC 协议存在的问题.12 3.4.1 隐藏节点和暴露节点问题.12 3.4.2 广播消息问题.13 3.4.3QoS 服务问题.14 3.5MESH网络 MAC 协议研究方向.14 第四章MESH 网络新的协作 MAC 设计.15 4.1 场景描述.15 4.2 模型的理论设计.15 4.2.1 机会中继.15 4.2.2 协作中继通信过程描述.16 4.2.3 中继节点的选择.18 4.2.4 系统性能仿真算法及流程图.19 4.3 仿真实验及结果分析.20 4.3.1 通信环境.20 4.3.2 仿真结果分析.21 4.4 模型的改进方案.25 4.4.1 改进中继节点选择标准.25 4.4.2 改变中继信道.25 4.4.3 改进编码方案.25 结束语. 27 致谢. 28 参考文献.29 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 1 第一章绪论 1.1 无线 Mesh 网的发展背景和概况 无线 Mesh 网络，英文全称 Wireless Mesh Network(WMN),又称无线网状网， 随着无线宽带接入 Internet 业务需求的迅速增长，凭借其易组网、高速率、成本 低、性能稳定等优点，已日益引起人们的注意。早在上个世纪 90 年代中期，人们 就已提出无线 Mesh 网络的概念，可以说，无线 Mesh 网络是在移动 Ad hoc 网络的 基础上产生发展的。移动 Ad hoc 网络是美国军方为了在战场上通信而研发的，近 年来随着一些保密技术相继被公开而转为民用，并逐渐成为移动通信领域的研究 热点。但是，移动 Ad hoc 网络的应用环境和技术成本等因素决定了它并不适合直 接应用于民用通信领域： 最大的民用通信业务应该是包括 VoIP 业务在内的因特网 业务，民用通信用户的移动性也远远低于军事通信用户。因此需要一种基于移动 Ad hoc 网络基础，并且是用于民用通信的无线多跳网络技术，于是，无线 Mesh 网络应运而生。 MeshNetworks 公司于 2000 年初购买了美国军方研发的战术移动通信系统的 部分专利技术，由此开发了一系列具有自主知识产权的 WMN 民用产品，在市场上 获得了极大的成功，2005 年摩托罗拉成功收购该公司。期间，诺基亚、北电网络、 Tropos、SkyPilot、Radiant Networks 和 Firetide 等多家公司纷纷开发 WMN 产 品并相继推入市场。无线 Mesh 网络进入了飞速发展期。 鉴于无线 Mesh 网络的迅速发展， 许多国际标准化组织也积极考虑在各种无线 网络标准中加入对 Mesh 组网方式的支持。IEEE 802.16 标准组在 2003 年 4 月颁 布的 IEEE 802.16a 宽带无线城域网标准中设计了对点到多点和 Mesh 两种拓扑结 构的支持。 IEEE 802.15无线个域网工作组在2003年11月成立了Mesh研究组TG5， 研究利用短距离、低成本设备通过 Mesh 方式来覆盖一个较大的环境，如客厅、校 园、医药等。IEEE 802.11 无线局域网工作组在 2004 年初也成立了 Mesh 研究组， 编号为 802.11s,主要研究支持无线分布系统的协议， 以便实现无线局域网的多个 AP 之间通过自动配置拓扑的方式组网。此外，国际电信联盟（ITU） 、3GPP 以及 IETF 等机构也将无线 Mesh 网络加入到工作计划中。 1.2 协作中继通信的发展背景和概况 随着 IT 技术的飞速发展，无线通信的到了广泛的应用，极大推动社会进步。 随着因特网的普及和移动通信的发展，用户对移动通信的要求已突破传统业务的 局限，扩展到更加广阔的高速数据业务领域。与此同时，各种新的物理层传输技 术层出不穷，极大提升了移动通信的数据速率。但是，系统构架上的一成不变使 得移动通信系统的发展出现了瓶颈。因此，人们需要对传统无线蜂窝覆盖在结构 上进行升级和补充。引入协作中继（Cooperative Relay）的网络结构可以较好地 解决该问题。 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 2 协作中继的概念最早应用于卫星和微波中继通信，其目的是为了提升信号的 传输能力。在网络没有固定接入点的条件下，中继可以为网络提供一种运行的手 段，最早应用在 Ad Hoc 网络中。在发射机和接收机间设立中继节点来辅助传输， 以降低传输损耗，提高小区容量和覆盖范围。 由于中继的众多优点，其概念已经被广泛引入到下一代移动通信系统中，如 欧盟早在 2004 年 1 月就启动了 WINNER(Wireless World Initialive New Radio) 项目，其中无线网络中的中继传输模式是该项目的研究重点之一，初步考虑了如 何有效利用中继传输来解决传统蜂窝网络中小区容量受限、高速传输时开销过大 的问题；WiMax 在 802.16j 草案中明确了中继的作用，以及相应的物理层与 MAC 层解决方案； 在 IMT-Advanced 系统标准征集过程中， 中继也成为大家关注的热点 之一。 1.3 本文的结构与安排 本文各章节内容安排如下： 第一章概述了无线 Mesh 网络以及协作中继通信的研究背景及发展现状。 第二章详细介绍了 Mesh 网络的结构、 分类、 特点和应用以及协作中继通信原 理、分类、特点和优缺点，并介绍了无线 Mesh 协作网。 第三章介绍了 Mesh 网络中 MAC 协议的种类和优缺点，以及其发展方向。 第四章设计了一种新的无线 Mesh 网络中协作中继的 MAC 协议， 包括了理论设 计以及结果分析，并提出改进方案。 结束语中对本文所进行的设计研究进行了总结。 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 3 第二章Mesh 网络与协作中继通信 2.1 无线 Mesh 网络概述 无线 Mesh 网络（无线网状网络）也称为“多跳（multi-hop） ”网络，它是一 种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。 在传统的无线局域网(WLAN)中， 每个客户端均通过一条与 AP 相连的无线链路 来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点 (AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线 Mesh 网络中，任何无线设备节点 都可以同时作为 AP 和路由器， 网络中的每个节点都可以发送和接收信号， 每个节 点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。 这种结构的最大好处在于： 如果最近的 AP 由于流量过大而导致拥塞的话， 那 么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推， 数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直 到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。 其实人们熟知的 Internet 就是一个 Mesh 网络的典型例子。例如，当我们发 送一份 E-mail 时， 电子邮件并不是直接到达收件人的信箱中， 而是通过路由器从 一个服务器转发到另外一个服务器，最后经过多次路由转发才到达用户的信箱。 在转发的过程中，路由器一般会选择效率最高的传输路径，以便使电子邮件能够 尽快到达用户的信箱。 与传统的交换式网络相比， 无线 Mesh 网络去掉了节点之间的布线需求， 但仍 具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。 在无线 Mesh 网络里， 如果要 添加新的设备，只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动进行自我配置，并 确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并 自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。 2.1.1 无线 Mesh 网络的特点 无线 Mesh 网络由包括一组呈网状分布的无线 AP 构成， AP 均采用点对点方式 通过无线中继链路互联， 将传统 WLAN 中的无线热点扩展为真正大面积覆盖的无 线热区，它具有以下特点： 高带宽： 将传统 WLAN 的热点覆盖扩展为更大范围的热区覆盖， 消除原有 的 WLAN 随距离增加导致的带宽下降。另外，采用 Mesh 结构的系统，信号能够避 开障碍物的干扰，使信号传送畅通无阻，消除盲区。 高利用率：高利用率是 Mesh 网络的另一个技术优势。在单跳网络中，一个固 定的 AP 被多个设备共享使用，随着网络设备的增多，AP 的通讯网络可用率会大 大下降。而在 Mesh 网络中，由于每个节点都是 AP，根本不会发生此类问题；一 旦某个 AP 可用率下降， 数据会自动重新选择一个 AP 进行传输。 自配置： 无线 Mesh 网中 AP 具备自动配置和集中管理能力，简化了网络的管理维护。 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 4 自愈合：无线 Mesh 网中 AP 具备白动发现和动态路由连接，消除单点故障对 业务的影响，提供冗余路径。 兼容性：Mesh 采用标准的 802.11b/g 制式，可广泛地兼容无线客户终端。 除此之外， 无线 Mesh 还提供更好的移动漫游能力， 以及端到端的安全连接等 等。 2.1.2 无线 Mesh 网络的结构分类 基于节点功能， 可以把无线 Mesh 网络体系结构分成三类。 第一类是基础设施 主干无线 Mesh 网络。 网状路由器之间形成自配置与自愈合链路网。 网状路由器 具备网关网桥功能，可连接现有无线网络，可接入 Internet。网状路由器构成 无线 Mesh 网络基础设施主干，供客户机连接。无线 Mesh 网络基础设施主干 可以采用多种不同类型无线电技术构建。典型情况下，网状路由器使用两种无线 电，一种用于主干通信，一种用于用户通信。典型应用在小区网络中。第二类是 客户机无线 Mesh 网络。客户机组成实际网络，支持客户机之间的 P2P 联网，执行 路由和配置功能，不需要网状路由器。它的特点是分组可能需要通过多个中间节 点转发才能到达目的节点。通常基于同一种无线电技术构成，同基础设施主干 无线 Mesh 网络相比，对客户机的要求提高。第三类是混合无线 Mesh 网络，它是 前两者的结合，网状客户机可以通过网状路由器访问网络，也可以直接与其他网 状客户机联网，尽管无线 Mesh 网络主干提供对其他网络的连通性，如 Internet、 Wi-fi、WiMAX、蜂窝和传感器网络等，但是客户机的路由能力可以改善无线 Mesh 网络内的连通性和覆盖能力，从这个角度来看，混合结构最有应用前景。 2.1.3 无线 Mesh 网络的优势 与传统的 WLAN 相比，无线 Mesh 网络具有几个无可比拟的优势： (1)快速部署和易于安装。 安装 Mesh 节点非常简单， 直接将设备接上电源运行就行了。 用户可以很方便 地增加新的节点来扩大无线网络的网络容量和覆盖范围。 Mesh 的设计目标就是将 有线设备和有线 AP 的数量降至最低， 因此大大降低了总拥有成本和安装时间， 仅 这一点所节省的成本就是非常可观的。 无线 Mesh 网络的配置和其他网管功能与传 统的 WLAN 相同，用户使用 WLAN 的经验可以很容易应用到 Mesh 网络上。 (2)非视距传输(NLOS)。 利用无线 Mesh 技术可以很容易实现 NLOS 配置，因此在室外和公共场所有着 广泛的应用前景。 与发射台有直接视距的用户先接收无线信号，然后再将接收到的信号转发给 非直接视距的用户。按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户 跳转到另一个用户，并最终到达无直接视距的目标用户。这样，具有直接视距的 用户实际上为没有直接视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能。 无线 Mesh 网络 能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 5 (3)健壮性。 实现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。如果某个路由器发 生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送。Mesh 网络比单跳网络更加健壮， 因为它不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网络中，如果某一个节点出现故 障，整个网络也就随之瘫痪。而在 Mesh 网络结构中，由于每个节点都有一条或几 条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由 到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。 (4)结构灵活。 在单跳网络中，设备必须共享 AP。如果几个设备要同时访问网络，就可能产 生通信拥塞并导致系统的运行速度降低。而在多跳网络中，设备可以通过不同的 节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。Mesh 网络还提供了更大的 冗余机制和通信负载平衡功能。 (5)高带宽。 无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为 随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。因此 选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正是 Mesh 网络的优势所在。在 Mesh 网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能 充当路由器对其附近节点转发信息，随着更多节点的相互连接和可能的路径数量 的增加，总的带宽也大大增加。 此外，因为每一跳的传输距离短，传输数据所需要的功率也较小。既然多跳 网络通常使用较低功率将数据传输到邻近的节点，节点之间的无线信号干扰也较 小，网络的信道质量和信道利用效率大大提高，因而能够实现更高的网络容量。 比如在高密度的城市网络环境中， Mesh 网络能够减少使用无线网络的相邻用户的 相互干扰，大大提高信道的利用效率。 2.1.4 无线 Mesh 网中存在的问题 尽管无线 Mesh 联网技术有着广泛的应用前景， 但也存在一些影响它广泛部署 的问题。 (1)互操作性。 由于目前无线 Mesh 网络现在还没有一个统一的技术标准， 这极大影响了无线 Mesh 技术迅速普及。用户现在基本上只能选择同一个厂商的无线 Mesh 产品，否 则将要面临如何将各种不同类型的嵌入式无线设备互连的问题，这个问题是影响 无线 Mesh 技术推广最重要的因素。因此想要推广 Mesh 网络并彻底解决互操作性 问题，需要业界制定统一的无线 Mesh 技术标准。 (2)通信延迟。 既然在 Mesh 网络中数据通过中间节点进行多跳转发， 每一跳至少都会带来一 些延迟，随着无线 Mesh 网络规模的扩大，跳接越多，积累的总延迟就会越大。一 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 6 些对通信延迟要求高的应用，如话音或流媒体应用等，可能面临无法接受的延迟 过长的问题。目前解决这一问题主要是通过增加 Mesh 节点以及合适的网络协议。 (3)安全。 与 WLAN 的单跳机制相比，无线 Mesh 网络的多跳机制决定了用户通信要经过 更多的节点。 而数据通信经过的节点越多， 安全问题就越变得不容忽视。 Internet 本身即是使用 Mesh 方式进行通信的典型， 它的安全隐患是众所周知的。 尽管有线 网络中使用的各种端到端安全技术，如虚拟专用网（VPN）同样可以用来解决无线 Mesh 的安全问题。但正如 Internet 一样，无线 Mesh 网络的安全是一个不容忽视 的问题。 2.1.5 无线 Mesh 网络的应用 从本质上说，Mesh 网络是一种类似于点对点的无线网络架构，这种架构可以 大大减少网络的基础设施成本(例如 AP，无线路由器数量)，同时也可为无线网络 服务供应商(WISP)减少 70%75%的营运、安装成本。 基于 Mesh 网络的优势， 它还可以在不同异构的环境下提供多种服务； 当用户 在高速移动时，或者在较大范围的区域内可以通过 3G 或 2.5G 传输语音、数据； 在局部的范围内可通过 WLAN 提供宽带网络服务，例如视频点播等。随着 Mesh 网 络的进一步发展， 它最终可在企业的办公环境中将办公室电话或者手机进行整合。 Mesh 网络在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有广阔的应用前景。 1家庭 Mesh 技术的一个重要用处就是用于建立家庭无线网络。 家庭式无线 Mesh 联网可以 连接台式 PC 机、笔记本和手持计算机、HDTV、DVD 播放器、游戏控制台，以及其 他各种消费类电子设备，而不需要复杂的布线和安装过程。在家庭 Mesh 网络中， 各种家用电器既是网上的用户，也作为网络基础设施的组成部分为其他设备提供 接入服务。当家用电器增多时，这种组网方式可以提供更多的容量和更大的覆盖 范围。 Mesh 技术应用家庭环境中的另外一个关键好处是它能够支持带宽高度集中 的应用，如高清晰度视频等。 2企业 目前，企业的无线通信系统大都采用传统的蜂窝电话式无线链路，为用户提 供点到点和点到多点传输。无线 Mesh 网络则不同，它允许网络用户共享带宽，消 除了目前单跳网络的瓶颈， 并且能够实现网络负载的动态平衡。 在无线 Mesh 网络 中增加或调整 AP 也比有线 AP 更容易、配置更灵活、安装和使用成本更低。尤其 是对于那些需要经常移动接入点的企业， 无线 Mesh 技术的多跳结构和配置灵活将 非常有利于网络拓扑结构的调整和升级。 3学校校园无线网络 与大型企业非常类似，但也有自己的不同特点。一是校园 WLAN 的规模巨大， 不仅地域范围大，用户多，而且通信量也大，因为与一般企业用户相比学生会更 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 7 多地使用多媒体；二是网络覆盖的要求高，网络必须能够实现室内、室外、礼堂、 宿舍、图书馆、公共场所等之间的无缝漫游；三是负载平衡非常重要，由于学生 经常要集中活动，当学生同时在某个位置使用网络时就可能发生通信拥塞现象。 解决这些问题的传统作法是在室内高密度地安装 AP，而在室外安装的 AP 数 量则很少。 但由于校园网的用户需求变化较大， 有可能经常需要增加新的 AP 或调 整 AP 的部署位置，这会带来很大的成本增加。而使用 Mesh 方式组网，不仅易于 实现网络的结构升级和调整，而且能够实现室外和室内之间的无缝漫游。 4医院 Mesh 还为像医院这样的公共场所提供了一种理想的联网方案。 由于医院建筑 物的构造密集而又复杂，一些区域还要防止电磁辐射，因此是安装无线网络难度 最大的领域之一。医院的网络有两个主要的特点。一是布线比较困难：在传统的 组网方式中，需要在建筑物上穿墙凿洞才能布线，这显然不利于网络拓扑结构的 变化。二是对网络的健壮性要求很高： 如果医院里有重要的活动（如手术） ，网 络任何可能的故障都将会带来灾难性的后果。 采用无线 Mesh 组网则是解决这些问题的理想方案。 如果要对医院无线网络拓 扑进行调整， 只需要移动现有的 Mesh 节点的位置或安装新的 Mesh 节点就可以了， 过程非常简单，安装新的 Mesh 节点也非常方便。而无线 Mesh 的健壮性和高带宽 也使它更适合于在医院中部署。 5旅游休闲场所 Mesh 非常适合于在那些地理位置偏远布线困难或经济上不合算，而又需要为用户 提供宽带无线 Internet 访问的地方，如旅游场所、度假村、汽车旅馆等。Mesh 能够以最低的成本为这些场所提供宽带服务。 6快速部署和临时安装 对于那些需要快速部署或临时安装的地方，如展览会、交易会、灾难救援等， Mesh 网络无疑是最经济有效的组网方法。比如，如果需要临时在某个地方开几天 会议或办几天展览，使用 Mesh 技术来组网可以将成本降到最低。 2.2 协作中继通信概述 中继传输的研究最早起源于人们对中继信道的研究。在 20 世纪 70 年代，一 些学者对中继信道的容量进行了研究，但在此之后，人们并没有对中继的研究有 进一步的认识，其发展缓慢。近年来，随着 Ad Hoc 网络的发展，人们逐渐开始关 注无线中继信道的研究。Sendonaris 等学者最早提出了协作中继的概念。他们对 两用户的协作分集模型进行了研究，发现协作能减小信道变化对系统的影响，并 能提高系统的吞吐量以及小区的覆盖范围。与此同时，Laneman 等学者通过研究 提出了三种不同的协作分集协议：固定中继（fixed relaying）,选择中继 （selection relaying）以及增量中继（incremental relaying） 。并且还提出了 两种不同的中继转发方式：放大转发（AF）和译码转发(DF)。 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 8 在协作中继网络中，通过在基站与移动台之间引入中继，使其传输信道既有 直传链路又包含通过多个中继的中继转发链路，因而能够实现更高分集增益的协 作通信，提高小区边缘信号质量，扩大小区覆盖面积。更重要的是，中继节点可 以为基站提供到核心网的无线自回传，从而解决了传统蜂窝网络中的有线连接成 本高、维护频繁、部署不便等问题，大大降低了网络布设成本。另外协作蜂窝网 络中的基站可以共用目前运营商的站址，中继可以灵活架设，从而降低工程建设 投入。 中继信道的优势在于通过中继来提升源节点和目的节点间通信的可靠性。根 据中继节点的移动特性可将其分为移动中继节点和固定中继节点。移动中继节点 便是指网络中的那些无线终端，而固定节点是指位置固定的中继节点。通过合理 的网络布设可以保证它们和基站之间的链路质量，以保证整个网络的性能。 2.2.1 协作通信的理论原理 在网络通信系统中，当信道条件不理想，不能满足网络性能需求时，传统的 方式往往是加大节点发射功率以满足质量要求。但发射功率的增加必将引人链路 间干扰增加、节点能量消耗过快等问题。当节点 A 与 B 之间的直达链路无法保证 通信质量时，此时如果正好节点 C 空闲或有能力帮助 A 转发数据，则 C 可以作为 A 与 B 之间的中继节点;另外，如果 AB 和 ACB 两条链路可以同时通信，节点 B 将 从节点 A 和 C 分集接收并加以处理，以提高接收数据的正确率。可见，节点 A 没 有加大发射功率但仍能与 B 进行通信， 这就是协作通信的思想， 协作通信如图 2-1 所示。 图 2-1协作通信原理 2.2.2 协作通信的特点 协作中继具有以下特点： 1.有效提高网络容量 通过规划网络结构，可以在多个中继之间合理分配资源，通过合适的协同空 时码，可以最大程度上实现资源复用，为更多用户提供服务，增加网络容量。 2.提升小区边缘性能，扩展小区覆盖面积 处于蜂窝网络边缘用户的发射信号通过与其相邻的中继节点实现两跳或多跳 接入基站。随着用户发射功率降低，大大降低相邻小区间同信道干扰。另外，传 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 9 统蜂窝网络中可能存在的“阴影区域”或者“覆盖空洞”也可以通过中继节点的 中转作用来消除。 3.节约移动终端能量，降低移动终端成本 终端能耗问题是 4G 的一个瓶颈。而协作中继技术由于能够有效的提高性能， 从而减小单个节点的能耗。通过合理的资源共享，可以延长各个终端节点的使用 寿命，这无疑也延长了整个网络寿命。通过合理选择中继节点的个数与分布，构 成虚拟天线阵列，将大大减轻对移动终端成本与尺寸的限制。 4.提高频谱效率 使用协作中继传输系统之后，通过采用发送分集增益，阵列增益，空间复用增益， 同信道干扰抑制等技术，能够有效的提升频谱效率，改善传输性能。 2.2.3 协作通信的分类 根据中继的不同转发方式， 协作机制可以分为两类:AF(amplify and forward) 和 DF(decode and forward)机制。AF 机制，顾名思义，就是中继收到源节点发送 的信号后直接放大，然后转发给目的节点。这种机制简单，但当源节点与中继节 点间信道条件不佳，即噪声干扰严重时，中继同样把噪声也放大了，于是通信质 量非但没能改善反而受到影响，因此，AF 机制一般用于信道环境较好的情况。DF 机制的思想是中继将收到的信号解调后再编码发送给目的节点，通过 CRC 校验等 机制保证通信的可靠性，DF 可以达到较高的增益。 根据中继的资源使用方式，又可把中继分成带内中继（In-band relay）和带 外中继（Out-band relay） 。带内中继是指基站到中继链路和中继链路到移动用户 链路根据一定的复用方式使用同样的资源；而带外中继则是指中继链路和接入链 路分别使用不同的资源。 根据目的节点是否能够接收到来自源节点的信号，又可分为无分集的中继和 有分集的中继两种情况。前一种情况指目的节点处在源节点覆盖范围之外，无法 接收源节点发出的信号，只能通过中继的接力通信来获得信息。在这种情况下， 中继的作用主要是通过提高覆盖范围来保证通信。当目的节点在源节点的覆盖范 围以内能够收到源节点发来的信号时，就可以将分别从中继和源节点接收到的信 号合并，从而得到分集增益。 2.3 无线 Mesh 中继协作网概述 无线 Mesh 协作网基于无线 Mesh 网的网络结构，并通过协作通信进一步优化 其结构、提升其性能。该架构能充分发挥 Mesh 技术高频谱效率、动态自组织的优 点和协作通信高分集增益、高能量效率的优点，可为无线网络融合提供一种有效 的解决方案。 在无线 Mesh 协作网中， 首先是由 Mesh 路由器组成无线 Mesh 骨干网， 然后用 户之间组成无线 Mesh 用户网。 用户要得到服务， 先接入无线 Mesh 骨干网。 离 Mesh 路由器较近的用户可以直接接入无线 Mesh 骨干网，而离 Mesh 路由器较远的用户 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 10 可以通过多跳接入无线 Mesh 骨干网。此外，由于协作通信的引入，用户之间还可 以互相协作，以获得更好的性能。 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 11 第三章Mesh 网络中 MAC 协议的介绍分析 3.1Mesh 网络 MAC 协议的概述 MAC 协议时无线 Mesh 网络协议的重要组成部分， 是分组在无线信道上发送和 接受的直接控制者， 网络的性能如吞吐量、 延时及功耗等性能依赖于所采用的 MAC 协议。它的主要目标是在解决多个节点公平接入共享信道的基础上尽量提高信道 的利用率，而由于无线 Mesh 网络无线信道的特点以及网络拓扑结构的动态变化， 使得这一目标变得很难实现， 由于无线 Mesh 网络的特殊组织形式， 固定网络的协 议和传统蜂窝网络的很多协议无法直接被其采用。 在 MAC 协议上， 无线 Mesh 网络 承袭了 IEEE 802.11 标准中的很多技术，特别是 802.11s 标准更是专门针对传统 的 802.11MAC 协议扩展成为支持网状结构的新的协议，另外 802.16MAC 协议也已 支持网状结构。专门针对无线 Mesh 设计的 MAC 协议，包括速率自适应多跳网 MAC 协议、多信道无线 Mesh 网络 MAC 协议等。 3.2Mesh 下的 MAC 调度机制 由于无线 Mesh 网络中无线信道的共享性质以及需要为不同业务提供不同级 别的 QoS，无线 Mesh 网的 MAC 层协议需要使用调度功能来解决竞争问题。调度是 指协调用户共享无线信道资源（比如要求用户在什么时候以何种方式发送数据） ， 为了实现调度，MAC 层协议标准定义了调度业务，来处理连接上的数据传输。MAC 层的调度机制可分为两种类型，一种是集中调度，一种是分布式调度。 在集中式调度机制中，使用基站来协调用户的接入，用户想要发送数据必须 获得基站的许可。在分布式调度机制中，用户无需基站许可便可直接通信。 与集中式调度机制相比，分布式调度机制有以下几点优势：1.在集中式机制 中，若用户不能与基站通信，则它不能传输任何数据，而在分布式机制中，用户 任可发给其他节点；2.在集中式机制中，需要基站的额外开销来维护状态表，而 分布式所有节点共同维护一张状态表；3.在集中式机制中，基站必须有持续的续 航能力，而在分布式中则不需要。 基于以上几点原因，Mesh 网络中的 MAC 调度机制多选用分布式调度。 3.3Mesh 网络 MAC 协议技术标准 3.3.1IEEE 802.11MAC 协议 IEEE802.11 是无线局域网的协议标准， IEEE 802.11B 标准的 MAC 层的协议与 其他 IEEE802 标准的 MAC 层一样，与 LLC 层一起构成了数据链路层。它详细规定 了节点访问传输媒质而不导致发生碰撞的基础协议。与有线网络不同，无线网络 中的站点在发送信号时，能量会泄露到接收通道形成自干扰，无法再发送的同时 完成接收侦听，因此 IEEE802.11MAC 协议采用了载波侦听多址接入/冲突避免 （CSMA/CA）技术，每个站点在发送数据前需要退避一个随机时间值。为了进一步 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 12 降低数据发送冲突的概率， 每个站点维护一个网络分配矢量 （Network Allocation Vector，NAV） ，用来指示网络的空闲状态。只有当物理载波检测显示网络空闲， 且本地 NAV 值为 0 时，站点才可以发送数据。站点通过接受其他站点发送的数据 帧中的 NAV 值来更新本地 NAV 值，例如当接收 NAV 值大于本地 NAV 值时，更新本 地 NAV 值为接收 NAV 值。 3.3.2IEEE 802.16MAC 协议 IEEE802.16 是无线城域网的协议标准， IEEE802.16 标准的 MAC 协议主要是为 点对多点（PMP）的宽带无线接入应用而设计的，包括 MAC PDU 的结构和传输、ARQ 机制、调度服务、带宽分配与请求机制、网络接入与初始化、测距、QoS 等方面。 但为了适应 211GHZ 频段的物理环境和不同的业务需求， 802.16a 增强了 MAC 层 的功能，提出了可选的网状（Mesh）体系结构作为对 PMP 的补充。与 PMP 模式不 同，在 Mesh 模式下，用户站（subscriber station，SS）之间可构成小规模的 1 2 跳的多点到多点的无线连接，没有明确的独立上下行链路子帧，每个站能够 与网络中的其它站建立直接的通信链路。 3.4Mesh 网络 MAC 协议存在的问题 3.4.1 隐藏节点和暴露节点问题 1隐藏节点问题 所谓隐藏节点是指那些处于接收节点通信范围之内，而在发送节点通信范围 之外的节点。隐藏节点在向接收节点发送报文时因检测不到发送节点向同一接收 节点发送报文，造成报文在接收节点处发生冲突。冲突发生后发送节点重传冲突 的报文，从而降低信道的利用率。如图 3