無線網(wǎng)絡中協(xié)作通信技術的研究.pdf

1、協(xié)作通信技術利用無線網(wǎng)絡的廣播特性，使得到達目標接收端的信號能被協(xié)作伙伴“旁聽”到，協(xié)作伙伴對這些旁聽到的信息處理后并傳送到目標接收端，目標接收端合并處理來自這些移動終端的信息，從而可以降低無線鏈路的衰落和不穩(wěn)定性帶來的影響，提高網(wǎng)絡的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率，擴展網(wǎng)絡的覆蓋范圍。無線網(wǎng)絡中協(xié)作通信的研究是一個嶄新的前沿課題，在無線Adhoc網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)等新一代無線通信網(wǎng)絡中都具有非常廣闊的應用前景。本文正是以此為研究方

2、向，通過采用跨層設計方法、信號處理技術與網(wǎng)絡技術，研究無線網(wǎng)絡中協(xié)作通信機制，協(xié)作方案設計及性能分析，從而進一步推動協(xié)作通信技術的演進與發(fā)展，這對于實現(xiàn)新一代無線寬帶通信系統(tǒng)具有重要的意義。 本文首先研究了物理層的空時協(xié)作分集和差分空時協(xié)作分集方案，推導了該方案誤碼率的表達式，為后文協(xié)作通信中的中繼選擇策略提供了理論依據(jù)。接下來研究了在節(jié)點剩余能量、節(jié)點間跳數(shù)等不同量度下的協(xié)作路由算法、實現(xiàn)方案和性能。為了進一步地利用實時信道狀

3、態(tài)，繼續(xù)研究了基于最佳信道選擇的機會性中繼選擇策略和相應的性能分析。最后，結(jié)合具體的無線Adhoc網(wǎng)絡，采用跨層設計的策略，研究了協(xié)作通信的可行方案和協(xié)議。 第二章提出了一種適用于頻率選擇性信道的空時協(xié)作分集實現(xiàn)方案DSTBC-MC-CDMA，該方案將協(xié)作分集技術和分布式空時編碼引入MC-CDMA系統(tǒng)，在有效抵抗頻率選擇性衰落的同時具有很高的頻譜效率，并利用單天線實現(xiàn)了虛擬多天線空時發(fā)射分集。建立了基于統(tǒng)計平均的協(xié)作用戶間信道的

4、概率誤碼模型，基于此推導了該方案在多種環(huán)境下的系統(tǒng)誤碼率的封閉表達式，結(jié)果表明，該方案相對于未協(xié)作的MC-CDMA，獲得了明顯的性能增益，說明了協(xié)作分集的有效性。該章并給出了系統(tǒng)平均BER性能與協(xié)作用戶間平均解碼差錯概率之間關系的理論計算與仿真結(jié)果，這為進一步探討協(xié)作用戶的選擇策略提供了依據(jù)。此外，該章還提出了一種采用分布式差分空時分組編碼的協(xié)作分集方案，該方案無需知道發(fā)射用戶和接收用戶間的信道狀態(tài)信息(CSI)。在不考慮協(xié)作用戶間誤碼

5、的情況下，推導了相關瑞利信道下該方案BER性能上限的解析表達式，并分析了協(xié)作用戶間不同的CSI和協(xié)作用戶到接收用戶間不同的CSI情況下該發(fā)射方案的性能。仿真結(jié)果表明該方案相對于未編碼的DBPSK獲得了明顯的分集增益，說明了該方案的有效性，且理論分析和仿真吻合較好。解析的差分協(xié)作分集的誤碼性能的性能上限表達式為進一步討論協(xié)作用戶的選擇策略提供了理論依據(jù)。 第三章在已有研究的基礎上，建立了Adhoc中基于DSDV路由協(xié)議的簡單單跳協(xié)

6、作路由模型，在NS-2網(wǎng)絡仿真平臺上給出了基于跳數(shù)、接收信噪比、剩余能量和混合加權(quán)準則的協(xié)作路由算法的實現(xiàn)，并分析了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包遞交率、網(wǎng)絡時延、網(wǎng)絡壽命、網(wǎng)絡吞吐量等性能的改進。此外，研究了節(jié)點獨立的Adhoc網(wǎng)絡中多徑協(xié)作路由協(xié)議的算法實現(xiàn)，混和路徑選擇準則下的多徑路由算法以及Adhoc網(wǎng)絡中分段傳輸?shù)亩鄰铰酚蓞f(xié)議算法。仿真結(jié)果表明，協(xié)作路由算法相對于非協(xié)作的DSDV路由協(xié)議有效地改善了網(wǎng)絡性能。 第四章考慮無線網(wǎng)絡的鏈路的動

7、態(tài)變化特性，為了充分利用無線鏈路的實時狀況，研究了無線網(wǎng)絡中機會中繼選擇策略及其有效性，利用MAC層控制包獲取物理層的實時信道信息，提出了一種分布式機會中繼選擇策略?；诖瞬⒔Y(jié)合跨層設計思想，提出了Adhoc網(wǎng)絡中的一種機會路由算法，并在NS-2仿真平臺上給出了相關實現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，該機會路由算法相對于常規(guī)的DSDV路由協(xié)議，以較小的歸一化開銷為代價，有效地提高了網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)遞交率，并降低了網(wǎng)絡時延。 第五章結(jié)合具體的無線Adh

8、oc網(wǎng)絡，采用跨層設計的策略，提出了機會性的根據(jù)網(wǎng)絡實時狀況選擇最佳中繼的協(xié)作MAC協(xié)議，并在NS-2仿真平臺上實現(xiàn)了協(xié)作MAC協(xié)議，較常規(guī)的802.11DCF協(xié)議，協(xié)作MAC方案有效地提高了網(wǎng)絡的遞交率。此外對采用RCPC編碼協(xié)作的MAC協(xié)議進行了數(shù)值仿真，分析了潛在中繼節(jié)點個數(shù)對性能的影響。這些協(xié)議和方案可以直接或修改后應用于現(xiàn)有的Adhoc等無線網(wǎng)絡，在一定程度上可以實現(xiàn)跨層的機會協(xié)作通信，并獲得有效的組網(wǎng)方案。 最后，本