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

1、由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的動態(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,未來的無線通信系統(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,惡劣的無線傳輸環(huán)境以及有限的頻譜資源嚴(yán)重地制約了無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展。由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都共享無線信道,且網(wǎng)絡(luò)中不存在任何中心控制節(jié)點

2、,所以各分布式節(jié)點都需要通過隨機(jī)競爭來占用物理信道。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點密度較大時,頻繁的競爭沖突就會極大地降低無線自組織網(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)來協(xié)調(diào)無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的各分布式節(jié)點有序地接入共享的物理信道,從而有效地減少競爭沖突。盡管實現(xiàn)簡單,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題。
　　 針對IEEE802.11 DCF標(biāo)準(zhǔn)中存在的這些問題,學(xué)者

3、們又引入了多種物理層技術(shù)來改善系統(tǒng)性能:利用發(fā)送功率控制機(jī)制來增強(qiáng)能量效率;利用干擾模型來增加空間重用率;利用速率自適應(yīng)機(jī)制來提高吞吐量。然而,當(dāng)直接鏈路的信道狀態(tài)較差時,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)者們近來又提出了協(xié)作MAC協(xié)議,通過協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的各分布式節(jié)點形成虛擬天線陣列來克服無線衰弱信道的不利影響,從而顯著提高無線自組織網(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、沒有考慮到無線自組織網(wǎng)絡(luò)中端到端的多跳性能。
　　 通過充分利用多跳網(wǎng)絡(luò)中的無線廣播特性和無線協(xié)作特性,本論文引入了新的協(xié)作通信模型和跨層設(shè)計方法,從而顯著提高了無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量和能量效率性能,本論文同時還將協(xié)議設(shè)計的復(fù)雜度控制在了比較低的程度上。概括的講,本論文的主要研究內(nèi)容為:
　　 1)在單個物理信道和單對發(fā)送接收天線的約束下,我們提出了一個聯(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。在計算可調(diào)度集合時,我們優(yōu)先選擇距離接收節(jié)點相對較遠(yuǎn)的鄰居節(jié)點,并重新分配接收節(jié)點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)通過聯(lián)合考慮物理層的分布式空時編碼機(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適用于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作跨層M

6、AC協(xié)議。通過充分利用多跳網(wǎng)絡(luò)中的無線廣播特性和無線協(xié)作特性,該協(xié)議構(gòu)建了一個分布式兩發(fā)兩收的協(xié)作通信模型,并在單個時隙內(nèi)實現(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,同時還考慮是否采用截短ARQ機(jī)制時,在瑞利衰弱信道下的平均PER和SER性能分析。
　　 3)我們提出了一個適用于無線多跳網(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)點與協(xié)作發(fā)送節(jié)點通過共享天線而形成虛擬天線陣列,同時利用多跳

7、網(wǎng)絡(luò)的無線廣播特性,該協(xié)議可以在單個時隙內(nèi)完成協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸。在該協(xié)議中,各節(jié)點根據(jù)各自特定的發(fā)送方式以及瞬時信道狀態(tài)來聯(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,我們還提出了一個分布式的退避機(jī)制來選擇取得最大鏈路效用的最優(yōu)合作節(jié)點,該退避機(jī)制不僅能高效地選出最優(yōu)合作節(jié)點,而且還能有效地避免控制幀的沖突。
　　 綜上所述,本論文針對現(xiàn)有MAC協(xié)議中存在的問題,利用協(xié)作通信和跨層設(shè)計的方法,來提高無線多跳自組織