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作者：王亮胡虹屈剛單位：中國移動通信集團貴州有限公司江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司

協作通信

協作分集，也稱為協作通信，是一種利用信號的廣播特性，通過使網絡中只配備了單天線的用戶在多用戶的環境中共享它們的物理資源進行協作通信，形成虛擬的多天線陣列來實現發射或接收分集，即參與協作通信的設備之間可以相互轉發信息，使得同一信息能夠通過不同的獨立的路徑到達接收端，從而獲得一定的空間分集增益的新型無線通信技術。協作通信的思想最早來源于中繼通信，但是卻不同于傳統的中繼通信。

首先，在中繼通信中，中繼節點的作用是形成主信道，本身并沒有信息要傳送，是單純作為中繼而存在的；而協作通信的通信機制則較為復雜，每個用戶既可以作為信源發送自己的信息，又可協助其合作伙伴轉發信息。本質上的區別在于傳統的中繼通信沒有分集的功能，而通過協作通信可以使單天線用戶也獲得分集增益，這是因為由于網絡中各個用戶位置不同，他們之間形成的通信信道相互獨立，發射端發射的多個信號副本通過相互獨立的信道到達接收端，于是便可產生分集增益。文獻的研究結果表明，協作通信技術可以提供全部的空間分集增益的效果，即n個參與協作通信的節點所提供的空問分集增益相當于信源節點具有n個獨立的發射天線所提供的空問分集增益的效果。協作通信協議一般可以分為同定協作模式和自適應協作模式兩種。

固定協作模式一般可以分為放大轉發協作模式(AmplifyandForward)、解碼轉發協作模式(DecodeandForward)和編碼協作模式(CodedCooperation)三種方式。自適應協作策略主要有兩種：選擇中繼協作和增量中繼協作。

協作路由

根據其所要實現目標的不同主要有以下三種協作路由算法：

1基于安全的協作路由算法

在無線多跳網絡中，如Adhoc網絡、傳感器網絡和無線mesh網絡，由于節點可能存在的自私或惡意行為，可能會導致網絡通信的中斷，網絡會受到來自網絡內部或外部的攻擊。為了對網絡中的這些非法節點進行區分并且隔離，斯坦福大學Marti等人提出了“看門狗”和“選路人”算法，該算法能夠避免非法節點參與路由的建立，隨后協作路由開始作為一種保證網絡安全的有效手段被引入到無線多跳自組織網絡中。比較有代表性的有關安全的協作路由算法是Lu和Pooch提出的一種基于DSR協議的協作路由算法CSER(CooperativeSecurityEnforcementRouting)，該算法通過為節點設立不同的信任度，通過鄰居信任節點的檢測來甄別具有惡意行為的節點；仿真結果表明，這種方法能夠有效降低檢測時延，減少開銷，有效地定位路由中的非法節點。文獻則分析了移動Adhoc網絡中由于移動性、自組織和開放性帶來的各種安全問題，并且提出了在路由層次上利用臨近節點間的協作來解決自私節點和惡意節點的問題是一種非常有效的方法。

2基于傳統路由協議的協作路由算法

人們已經提出了許多經典的針對無線自組織網絡的路由算法，并對它們的性能進行了分析和評估。在文獻陳超等人提出了一種基于DSDV協議的Adhoc網絡中中繼選擇的協作路由算法，該算法利用網絡中發送的路由包來獲得信道的信息，通過分布式計算從候選的中繼集合中選擇出一個最佳中繼轉發數據并且在網絡層通過跨層的方法自適應地調整MAC層重傳次數以達到減小時延的目的。仿真結果表明，相對于DSDV協議，該算法能夠有效地提高數據包的遞交率并降低了網絡的時延。文獻采用跨層協同設計的思路對它的Hello消息機制進行了改進，將對Hello消息的控制從網絡層控制改為MAC層控制，提出了一種新的路由算法：CLAODV。性能分析和仿真結果表明：與經典的AODV算法相比，CLAODV減少了開銷，提高了效率，吞吐率、時延和成功率等性能都得到了綜合提升。Huang等人提出了一種RRP(RobustCooperativeRoutingProtoc01)協作路由協議來改善由于節點的移動或其他因素引起的鏈路中斷狀況。在NS2仿真平臺下，Huang對RRP算法的性能進行了仿真分析，并和經典的DSDV路由算法和AOMDV算法進行了比較；仿真結果表明，在節點有不同程度的移動性的情況下，RRP的數據遞交率要優于DSDV和AOMDV，DSDV最低；在端到端的延遲方面，RRP要優于AOMDV，但是略差于DSDV；隨著鏈路差錯概率的增大，RRP在數據遞交率上幾乎沒有變化，而另外兩種算法則有明顯的下降，這說明RRP的健壯性比較好；RRP的時延隨著鏈路差錯概率的增加也有所增大，但是在能量消耗方面，RRP的性能依然最好。

3基于能量有效的協作路由算法

協作路由的一個重要的用途就是節約節點的能量。網絡節點的能量主要消耗在發送數據包的通信過程中。文獻最早從高效節能的角度出發研究了Adhoc網絡中路由選擇算法和物理層的空間分集方案，提出了沿最小能量非協作路徑的協作路由算法(CooperationAlongtheMinimumEnergyNon-CooperativePath，CAN)算法，并分析了線性結構和網格狀網絡拓撲結構情況下CAN策略的性能，給出了兩種情況下CAN策略相對于非協作的常規路由性能提高的下限：對于線性網絡拓撲，CAN策略相對于非協作的常規路由，性能可以提高約39%；而對于網格狀拓撲結構，性能可以提高約56%。Khandani等人利用用跨層的思想，結合物理層的通信方案和網絡層的路由選擇算法研究了無線網絡中能量有效的問題。文獻[14]中Khandani等提出了CAN-L(cooperationalongtheminimumenergynoncooperativepath)和PC-L(progressivecooperation)兩種集中式的啟發式算法，研究了協作路由對傳輸能量的節省，并仿真了在非協作路徑上采用協作策略后傳輸能量效率的改善，這兩種算法通過動態規劃的機制尋找最優路由，而這種方法屬于NP難問題。Li等則首先指出了協作路由的兩個主要優點：一是在能量消耗上，協作路徑路由的性能比非協作最短路徑路由更好；二是協作路由可以緩和網絡的擴展問題；該文證明了最小能量協作路徑問題是NP完全問題，并提出了一個協作CSP(cooperativeshortestpath)算法作為次優的方案。但是這兩篇文獻只是從路由選擇的角度出發給出了初步思路，并沒有給出具體的實現方案和路由協議。文獻中作者也從基于能量有效的角度研究了無線傳感器網絡中協作通信對于最大化網絡壽命的影響。文獻則考慮了三種協作路由算法：洪泛中繼路由、輔助中繼路由和增強型中繼路由。在文獻中袁淵等人在假設主路徑上的節點可以知道兩跳之內節點的位置信息的基礎上，基于不是主路徑上的節點也可能正確接收到數據包的考慮，提出了一種協作路由的分布式實現方案，通過路徑請求和回應建立一條能量最小的協作路徑。在數據傳輸的過程中，節點利用正確接收到數據信息的鄰居節點進行協同發射，接收節點再和它周圍能夠同時成功接收的鄰居節點再組成新的協作發射簇，這樣可以提高整個鏈路的能量效率。文獻則提出了一種分布式的最小功率協作路由算法MPCR(MinimumPowerCooperativeRoutingalgorithm)，該算法基于最佳協作路由可能是直接傳輸和協作傳輸的聯合的考慮，在建立最小功率路由的過程中充分利用了協作通信的優勢，采用了直接傳輸和協作傳輸相結合的最佳協作路由。

實驗研究

結合現有物理層協作通信技術和MAC層的協作調度機制，分析現有的經典協作路由算法和現有無線網絡經典路由協議，設計出綜合考慮節能、信道容量和端到端延遲等網絡特性的適用于無線網絡的協作路由協議。研究方向可以從以下兩個方面進行：

(1)網絡層路由機制：設計合理的路由探測機制和路由探測包格式對網絡狀態信息進行收集，以便路由選擇之用；在路由選路時考慮采用協作傳輸對考慮傳輸節能、信道容量和傳輸時延等網絡特性的影響，選擇出最佳傳輸路徑。

(2)集中式處理和分布式處理：由于在路由探測階段，若采取在源節點或目的節點分析信息，則探測數據包的開銷會較大，所以，我們進一步分析是否能每個節點處理，而不是在源端或目的端統一處理。

目前，協作通信技術在物理層和MAC層的研究研究比較成熟，如空時編碼技術等。為了把協作通信的特性在路由實現，我們必須依靠底層協作通信的技術支持。要想在路由選擇時能選擇出能發揮出協作通信優點的傳輸路徑，在網絡層進行路由選擇的時候必須要獲得一些網絡關于實現協作通信所需的網絡狀態信息，以此來進行路由決策，以此選擇出最佳傳輸路徑。

主要有以下幾點：

(1)節點信息：每個節點通過一定的機制，如HELLO包、RTS包、CTS包等信息交互來使節點建立一些關于協作的信息，如兩節點間進行數據傳輸時，使用協作傳輸的和直接傳輸所會產生的一些優勢和缺的。

(2)路由探測機制：當源節點有數據包要發送時，需要一定的路由探測機制來尋找最佳傳輸路徑，如現有的RREQ和RREP；為了實現協作路由，要對網絡的狀態信息進行收集，尤其是關于協作的信息，所以要修改現有的路由探測機制，實現正確收集網絡狀態信息。

(3)路由判據：因為在路由選擇的時候要考慮協作傳輸特性，所以要設計一種新的路由度量，不能像傳統路由選擇只考慮跳數，要充分考慮節能、網絡吞吐量和網絡延遲等參數。

(4)路由開銷：路由機制的開銷不能太大，因而影響網絡傳輸的性能。路由選擇機制的復雜度不能太大，是路由性能過低。

(5)路由維護機制：如果可以，則采用現有的路由維護機制。

結束語

本文通過協作通信技術，設計一種合理的路由選擇判據，綜合考慮節能、吞吐量和網絡延遲(跳數)等因素，選擇出最優的傳輸路由。在一條路由路徑上根據現實需要實現節能和提吞吐量功能，并實現路由選擇的分布式自適應功能，最后再利用網絡仿真軟件NS2和matlab進行性能仿真分析驗證。通過此方式得到的協作路由算法，可以顯著的提升無線網絡的傳輸速率和通信質量。