無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作跨層MAC協(xié)議研究.pdf

1、由于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)自組織和自配置特性,以及網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建不需要任何的基礎(chǔ)設(shè)施,使得無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)特別適用于因經(jīng)濟(jì)條件或地理位置而不適合建立網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的地方。此外,未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)不僅需要提供良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和可靠的數(shù)據(jù)傳輸,而且對(duì)傳輸速率以及能量效率也提出了更高的要求。
　　 然而,惡劣的無(wú)線傳輸環(huán)境以及有限的頻譜資源嚴(yán)重地制約了無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展。由于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都共享無(wú)線信道,且網(wǎng)絡(luò)中不存在任何中心控制節(jié)點(diǎn)

2、,所以各分布式節(jié)點(diǎn)都需要通過(guò)隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)占用物理信道。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí),頻繁的競(jìng)爭(zhēng)沖突就會(huì)極大地降低無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中的資源利用率。因此,學(xué)者們提出了IEEE802.11 DCF標(biāo)準(zhǔn)來(lái)協(xié)調(diào)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中的各分布式節(jié)點(diǎn)有序地接入共享的物理信道,從而有效地減少競(jìng)爭(zhēng)沖突。盡管實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但是IEEE802.11 DCF標(biāo)準(zhǔn)中還是存在著空間重用率低和能量效率低等問(wèn)題。
　　 針對(duì)IEEE802.11 DCF標(biāo)準(zhǔn)中存在的這些問(wèn)題,學(xué)者

3、們又引入了多種物理層技術(shù)來(lái)改善系統(tǒng)性能:利用發(fā)送功率控制機(jī)制來(lái)增強(qiáng)能量效率;利用干擾模型來(lái)增加空間重用率;利用速率自適應(yīng)機(jī)制來(lái)提高吞吐量。然而,當(dāng)直接鏈路的信道狀態(tài)較差時(shí),這些傳統(tǒng)的MAC協(xié)議并不能夠有效地改善系統(tǒng)性能。因此,學(xué)者們近來(lái)又提出了協(xié)作MAC協(xié)議,通過(guò)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的各分布式節(jié)點(diǎn)形成虛擬天線陣列來(lái)克服無(wú)線衰弱信道的不利影響,從而顯著提高無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速率和能量效率。但是,現(xiàn)有的協(xié)作MAC協(xié)議大多都只考慮了單跳性能,而

4、沒(méi)有考慮到無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中端到端的多跳性能。
　　 通過(guò)充分利用多跳網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線廣播特性和無(wú)線協(xié)作特性,本論文引入了新的協(xié)作通信模型和跨層設(shè)計(jì)方法,從而顯著提高了無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量和能量效率性能,本論文同時(shí)還將協(xié)議設(shè)計(jì)的復(fù)雜度控制在了比較低的程度上。概括的講,本論文的主要研究?jī)?nèi)容為:
　　 1)在單個(gè)物理信道和單對(duì)發(fā)送接收天線的約束下,我們提出了一個(gè)聯(lián)合調(diào)度機(jī)制和發(fā)送功率控制機(jī)制的跨層MAC協(xié)議。在該協(xié)議中,調(diào)度機(jī)

5、制用于消除較強(qiáng)的干擾源,而發(fā)送功率控制機(jī)制則用于限制干擾的強(qiáng)度。在計(jì)算可調(diào)度集合時(shí),我們優(yōu)先選擇距離接收節(jié)點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn),并重新分配接收節(jié)點(diǎn)的最大可容忍干擾功率,從而盡可能多地激活并發(fā)數(shù)據(jù)流。此外,我們還提前取消了不必要的數(shù)據(jù)包和確認(rèn)報(bào)文的傳輸,從而進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的能量效率。
　　 2)通過(guò)聯(lián)合考慮物理層的分布式空時(shí)編碼機(jī)制和自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制以及數(shù)據(jù)鏈路層的截短ARQ機(jī)制,我們提出并分析了一個(gè)適用于無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作跨層M

6、AC協(xié)議。通過(guò)充分利用多跳網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線廣播特性和無(wú)線協(xié)作特性,該協(xié)議構(gòu)建了一個(gè)分布式兩發(fā)兩收的協(xié)作通信模型,并在單個(gè)時(shí)隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)了協(xié)作分集。此外,本論文還給出了該協(xié)議在不同的系統(tǒng)模型中采用不同的調(diào)制方式時(shí),同時(shí)還考慮是否采用截短ARQ機(jī)制時(shí),在瑞利衰弱信道下的平均PER和SER性能分析。
　　 3)我們提出了一個(gè)適用于無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的基于鏈路效用的協(xié)作MAC協(xié)議。其中發(fā)送節(jié)點(diǎn)與協(xié)作發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過(guò)共享天線而形成虛擬天線陣列,同時(shí)利用多跳

7、網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線廣播特性,該協(xié)議可以在單個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸。在該協(xié)議中,各節(jié)點(diǎn)根據(jù)各自特定的發(fā)送方式以及瞬時(shí)信道狀態(tài)來(lái)聯(lián)合調(diào)整發(fā)送速率和發(fā)送功率,以達(dá)到最大化各自鏈路效用的目的。此外,我們還提出了一個(gè)分布式的退避機(jī)制來(lái)選擇取得最大鏈路效用的最優(yōu)合作節(jié)點(diǎn),該退避機(jī)制不僅能高效地選出最優(yōu)合作節(jié)點(diǎn),而且還能有效地避免控制幀的沖突。
　　 綜上所述,本論文針對(duì)現(xiàn)有MAC協(xié)議中存在的問(wèn)題,利用協(xié)作通信和跨層設(shè)計(jì)的方法,來(lái)提高無(wú)線多跳自組織