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

1、無線Ad Hoc網(wǎng)絡是一種不依賴于任何固定網(wǎng)絡基礎設施的自組織對等式多跳無線通信網(wǎng)絡，在軍事、傳感器網(wǎng)絡、個人通信等領域得到了廣泛的應用。無線Ad Hoc網(wǎng)絡具有拓撲結構動態(tài)變化、帶寬受限、容量可變、節(jié)點能量受限、多跳通信及安全性差等特點，為網(wǎng)絡協(xié)議及關鍵技術的設計帶來了困難和挑戰(zhàn)。其中，如何提高能量的有效性就成為了無線Ad Hoc網(wǎng)絡設計的核心問題之一。
　　 從網(wǎng)絡的體系結構上看，節(jié)省能量可以在不同層次上通過各種技術得以實施

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)鏈路層上的差錯控制和多路訪問控制、網(wǎng)絡層上節(jié)能路由算法以及應用層上的自適應技術等。物理層上，受節(jié)點尺寸及代價的限制，在微小的無線節(jié)點上安裝多根天線并不切合實際。在這種情況下，協(xié)作分集技術受到了廣泛的關注，它可以通過節(jié)點之間的協(xié)作實現(xiàn)分集效果，并為與高層聯(lián)合優(yōu)化的實施提供有效的技術支持。利用無線信道的廣播特性，源節(jié)點發(fā)送的信號能夠同時被中繼節(jié)點和目的節(jié)點接收，中繼節(jié)點可以幫助源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信號

3、以實現(xiàn)虛擬天線陣列的效果，大幅地提高了系統(tǒng)的魯棒性，同時也減少了節(jié)點所消耗的發(fā)射和接收能量。數(shù)據(jù)鏈路層上，自動請求重傳技術可以用于差錯控制，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)絡層上，路由選擇技術可以在全網(wǎng)中建立一條滿足用戶要求的最佳路由。
　　 Ad Hoc網(wǎng)絡中，許多獨立層次上的關鍵技術通常會受到其他層的影響，比如多路訪問和路由技術通常依賴于節(jié)點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)則的同時進一步提高系統(tǒng)性能，這種方法即為跨層設計?？鐚釉O計對層間的依賴關系進行分析和利用，進行聯(lián)合優(yōu)化，并獲得增益。實際上，能量約束幾乎能影響到所有的網(wǎng)絡協(xié)議，優(yōu)化能耗需要考慮網(wǎng)絡設計的每個方面，跨層設計是解決此類問題的有效途徑之一。
　　 協(xié)作分集

5、技術的出現(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)絡跨層設計提供了有利的底層技術支持。將協(xié)作分集技術引入到數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層上，分別產(chǎn)生了協(xié)作ARQ(Automatic Repeat Request，自動請求重傳機制)、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。這些技術充分利用了網(wǎng)絡體系結構中的跨層設計思想，標志著協(xié)作通信的研究有了新的進展，而且將單純的物理層

6、技術拓展到了鏈路級和網(wǎng)絡級上，從不同角度提高了網(wǎng)絡的安全性，并且降低了網(wǎng)絡的能量消耗。另外，協(xié)作分集技術在數(shù)據(jù)鏈路層及網(wǎng)絡層的引入，打破了傳統(tǒng)的非協(xié)作鏈路和路由機制，帶來了鏈路協(xié)議和路由算法設計中新的困難和挑戰(zhàn)。
　　 本文針對Ad Hoc網(wǎng)絡能量有限性，主要研究協(xié)作通信技術在MAC協(xié)議和路由算法中的應用，設計分布式協(xié)作MAC協(xié)議及提高能量有效性的協(xié)作路由機制。從網(wǎng)絡應用的角度，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，即由多條點到點的鏈路組成，端到端的路由通常由路由選擇技術完成，而鏈路的管理、差錯控制、多路訪問方式等通常受到MAC協(xié)議的制約。網(wǎng)絡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，本文首先研究各個獨立層次的關鍵技術、算法和協(xié)議，然后利用跨層設計的思想分別將物理層與數(shù)據(jù)鏈路層、物理層與網(wǎng)絡層及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡層聯(lián)合優(yōu)化，進而提出協(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、截短ARQ機制、選擇協(xié)作策略與MAC協(xié)議結合，在有效抵抗信道衰落的同時能夠根據(jù)信道狀態(tài)選擇最佳中繼節(jié)點，并且具有很高的吞吐量。構建了傳統(tǒng)非協(xié)作ARQ和協(xié)作截短ARQ機制，分析了目的節(jié)點借助MRC(Maximal Ratio Combining，最大比合并)技術合并原先的和重傳的分組，或者直接丟棄原先錯誤的分組僅使

9、用當前分組兩種情況下，在Nakagami-m衰落信道中采用M-PSK和M-QAM調(diào)制時點到點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，并推導出了閉式表達式，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)劃進行最優(yōu)功率

10、分配。構建了以分組為單位，并充分考慮電路能量消耗的鏈路代價。將鏈路代價表示為加權的總功率消耗，以平衡網(wǎng)絡節(jié)點的能量消耗。最后，通過大量的實驗仿真驗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)絡層路由選擇全面聯(lián)合，以達到總能量消耗最小的目標。由于端到端吞吐量表達式的復雜性，在滿足端到端吞吐量的要求下進行最佳功率分配很難獲得精確表達式

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算求解最佳功率。利用傳統(tǒng)的最短路徑算法進行路由選擇，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。與非協(xié)作路由機制對比，這個協(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，本文在最后進行了總結和展望。綜上所述，本文中主要研究了協(xié)作通信技術與MAC協(xié)議和路由算法的結合，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