無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作MAC協(xié)議和路由算法研究.pdf

1、無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種不依賴于任何固定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的自組織對等式多跳無線通信網(wǎng)絡(luò)，在軍事、傳感器網(wǎng)絡(luò)、個(gè)人通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化、帶寬受限、容量可變、節(jié)點(diǎn)能量受限、多跳通信及安全性差等特點(diǎn)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)帶來了困難和挑戰(zhàn)。其中，如何提高能量的有效性就成為了無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的核心問題之一。
　　 從網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)上看，節(jié)省能量可以在不同層次上通過各種技術(shù)得以實(shí)施

2、，比如：物理層上調(diào)制編碼、功率控制及協(xié)作分集，數(shù)據(jù)鏈路層上的差錯(cuò)控制和多路訪問控制、網(wǎng)絡(luò)層上節(jié)能路由算法以及應(yīng)用層上的自適應(yīng)技術(shù)等。物理層上，受節(jié)點(diǎn)尺寸及代價(jià)的限制，在微小的無線節(jié)點(diǎn)上安裝多根天線并不切合實(shí)際。在這種情況下，協(xié)作分集技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，它可以通過節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作實(shí)現(xiàn)分集效果，并為與高層聯(lián)合優(yōu)化的實(shí)施提供有效的技術(shù)支持。利用無線信道的廣播特性，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號能夠同時(shí)被中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)接收，中繼節(jié)點(diǎn)可以幫助源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號

3、以實(shí)現(xiàn)虛擬天線陣列的效果，大幅地提高了系統(tǒng)的魯棒性，同時(shí)也減少了節(jié)點(diǎn)所消耗的發(fā)射和接收能量。數(shù)據(jù)鏈路層上，自動(dòng)請求重傳技術(shù)可以用于差錯(cuò)控制，提高鏈路的可靠性，而多路訪問協(xié)議則可以協(xié)調(diào)信道競爭和接入，有效避免沖突。網(wǎng)絡(luò)層上，路由選擇技術(shù)可以在全網(wǎng)中建立一條滿足用戶要求的最佳路由。
　　 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，許多獨(dú)立層次上的關(guān)鍵技術(shù)通常會受到其他層的影響，比如多路訪問和路由技術(shù)通常依賴于節(jié)點(diǎn)之間的連接性和干擾以及物理信道的特性，無線

4、信道的狀態(tài)及調(diào)制方法直接影響了端到端信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?，甚至影響到最終的用戶服務(wù)質(zhì)量。鑒于層與層之間的互相制約和密切聯(lián)系，非相鄰層之間以及多層之間的聯(lián)合優(yōu)化能夠在打破傳統(tǒng)分層規(guī)則的同時(shí)進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，這種方法即為跨層設(shè)計(jì)。跨層設(shè)計(jì)對層間的依賴關(guān)系進(jìn)行分析和利用，進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，并獲得增益。實(shí)際上，能量約束幾乎能影響到所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，優(yōu)化能耗需要考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的每個(gè)方面，跨層設(shè)計(jì)是解決此類問題的有效途徑之一。
　　 協(xié)作分集

5、技術(shù)的出現(xiàn)，不僅成為了物理層上提高系統(tǒng)抗衰落能力的有效手段，而且為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)提供了有利的底層技術(shù)支持。將協(xié)作分集技術(shù)引入到數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層上，分別產(chǎn)生了協(xié)作ARQ(Automatic Repeat Request，自動(dòng)請求重傳機(jī)制)、協(xié)作MAC(Medium Access Control，介質(zhì)訪問控制)協(xié)議和協(xié)作路由算法。這些技術(shù)充分利用了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的跨層設(shè)計(jì)思想，標(biāo)志著協(xié)作通信的研究有了新的進(jìn)展，而且將單純的物理層

6、技術(shù)拓展到了鏈路級和網(wǎng)絡(luò)級上，從不同角度提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性，并且降低了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。另外，協(xié)作分集技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈路層及網(wǎng)絡(luò)層的引入，打破了傳統(tǒng)的非協(xié)作鏈路和路由機(jī)制，帶來了鏈路協(xié)議和路由算法設(shè)計(jì)中新的困難和挑戰(zhàn)。
　　 本文針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)能量有限性，主要研究協(xié)作通信技術(shù)在MAC協(xié)議和路由算法中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)分布式協(xié)作MAC協(xié)議及提高能量有效性的協(xié)作路由機(jī)制。從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的角度，提高能量有效性的協(xié)作路由算法分為延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的

7、路由算法和節(jié)省總能量消耗的路由算法。另外，端到端的路由通常包含多跳，即由多條點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路組成，端到端的路由通常由路由選擇技術(shù)完成，而鏈路的管理、差錯(cuò)控制、多路訪問方式等通常受到MAC協(xié)議的制約。網(wǎng)絡(luò)的不同層分別自下而上的為高層提供必要的優(yōu)化和決策信息，本文首先研究各個(gè)獨(dú)立層次的關(guān)鍵技術(shù)、算法和協(xié)議，然后利用跨層設(shè)計(jì)的思想分別將物理層與數(shù)據(jù)鏈路層、物理層與網(wǎng)絡(luò)層及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層聯(lián)合優(yōu)化，進(jìn)而提出協(xié)作MAC協(xié)議和協(xié)作路由算法。<

8、br>　　 概括地講，本文的主要研究內(nèi)容為：
　　 提出了基于選擇協(xié)作和截短ARQ的協(xié)作MAC協(xié)議。將協(xié)作分集技術(shù)、截短ARQ機(jī)制、選擇協(xié)作策略與MAC協(xié)議結(jié)合，在有效抵抗信道衰落的同時(shí)能夠根據(jù)信道狀態(tài)選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)，并且具有很高的吞吐量。構(gòu)建了傳統(tǒng)非協(xié)作ARQ和協(xié)作截短ARQ機(jī)制，分析了目的節(jié)點(diǎn)借助MRC(Maximal Ratio Combining，最大比合并)技術(shù)合并原先的和重傳的分組，或者直接丟棄原先錯(cuò)誤的分組僅使

9、用當(dāng)前分組兩種情況下，在Nakagami-m衰落信道中采用M-PSK和M-QAM調(diào)制時(shí)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上的主要性能參數(shù)，比如：PER(Packet Error Rate，誤分組率)、SER(SymbolError Rate，誤符號率)和吞吐量，并推導(dǎo)出了閉式表達(dá)式，為端到端路由選擇參數(shù)度量提供了理論依據(jù)。
　　 提出了一種延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的協(xié)作路由算法。分析了協(xié)作和非協(xié)作鏈路上的誤符號率，并在誤符號率的約束下，利用線性規(guī)劃進(jìn)行最優(yōu)功率

10、分配。構(gòu)建了以分組為單位，并充分考慮電路能量消耗的鏈路代價(jià)。將鏈路代價(jià)表示為加權(quán)的總功率消耗，以平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗。最后，通過大量的實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證所提出的算法具有有效性和正確性。
　　 提出了一種分布式節(jié)省總能量消耗的協(xié)作路由算法。將物理層協(xié)作分集、數(shù)據(jù)鏈路層中繼選擇策略、MAC協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層路由選擇全面聯(lián)合，以達(dá)到總能量消耗最小的目標(biāo)。由于端到端吞吐量表達(dá)式的復(fù)雜性，在滿足端到端吞吐量的要求下進(jìn)行最佳功率分配很難獲得精確表達(dá)式

11、。我們首先證明吞吐量函數(shù)的單調(diào)性，然后利用二分法快速運(yùn)算求解最佳功率。利用傳統(tǒng)的最短路徑算法進(jìn)行路由選擇，所選擇的路由包括非協(xié)作和協(xié)作塊，并且具有最小的總鏈路代價(jià)。與非協(xié)作路由機(jī)制對比，這個(gè)協(xié)作路由算法可以明顯的降低總能量消耗。
　　 針對現(xiàn)有工作中仍然存在的不足之處，本文在最后進(jìn)行了總結(jié)和展望。綜上所述，本文中主要研究了協(xié)作通信技術(shù)與MAC協(xié)議和路由算法的結(jié)合，并且提出了面向無線信道狀態(tài)的協(xié)作MAC協(xié)議及節(jié)能路由算法，真正提高