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协作分集中的跨层设计研究

协作通信技术利用无线网络的广播特性，使得到达目标接收端的信号能被协作伙伴旁听到，协作伙伴对这些旁听到的信息处理后并传送到目标接收端，目标接收端合并处理来自这些移动终端的信息，从而可以降低无线链路的衰落和不稳定性带来的影响，提高网络的可靠性和数据传输速率，扩展网络的覆盖范围。 无线网络中协作通信的研究是一个崭新的前沿课题，在无线Adhoc网络、无线传感器网络、无线局域网等新一代无线通信网络中都具有非常广阔的应用前景。 本文正是以此为研究方向，通过采用跨层设计方法、信号处理技术与网络技术，研究无线网络中协作通信机制，协作方案设计及性能分析，从而进一步推动协作通信技术的演进与发展，这对于实现新一代无线宽带通信系统具有重要的意义。 本文首先研究了物理层的空时协作分集和差分空时协作分集方案，推导了该方案误码率的表达式，为后文协作通信中的中继选择策略提供了理论依据。 接下来研究了在节点剩余能量、节点间跳数等不同量度下的协作路由算法、实现方案和性能。 为了进一步地利用实时信道状态，继续研究了基于最佳信道选择的机会性中继选择策略和相应的性能分析。 最后，结合具体的无线Adhoc网络，采用跨层设计的策略，研究了协作通信的可行方案和协议。 第二章提出了一种适用于频率选择性信道的空时协作分集实现方案DSTBC-MC-CDMA，该方案将协作分集技术和分布式空时编码引入MC-CDMA系统，在有效抵抗频率选择性衰落的同时具有很高的频谱效率，并利用单天线实现了虚拟多天线空时发射分集。 建立了基于统计平均的协作用户间信道的概率误码模型，基于此推导了该方案在多种环境下的系统误码率的封闭表达式，结果表明，该方案相对于未协作的MC-CDMA，获得了明显的性能增益，说明了协作分集的有效性。 该章并给出了系统平均BER性能与协作用户间平均解码差错概率之间关系的理论计算与仿真结果，这为进一步探讨协作用户的选择策略提供了依据。 此外，该章还提出了一种采用分布式差分空时分组编码的协作分集方案，该方案无需知道发射用户和接收用户间的信道状态信息(CSI)。 在不考虑协作用户间误码的情况下，推导了相关瑞利信道下该方案BER性能上限的解析表达式，并分析了协作用户间不同的CSI和协作用户到接收用户间不同的CSI情况下该发射方案的性能。 仿真结果表明该方案相对于未编码的DBPSK获得了明显的分集增益，说明了该方案的有效性，且理论分析和仿真吻合较好。 解析的差分协作分集的误码性能的性能上限表达式为进一步讨论协作用户的选择策略提供了理论依据。 第三章在已有研究的基础上，建立了Adhoc中基于DSDV路由协议的简单单跳协作路由模型，在NS-2网络仿真平台上给出了基于跳数、接收信噪比、剩余能量和混合加权准则的协作路由算法的实现，并分析了网络数据包递交率、网络时延、网络寿命、网络吞吐量等性能的改进。 此外，研究了节点独立的Adhoc网络中多径协作路由协议的算法实现，混和路径选择准则下的多径路由算法以及Adhoc网络中分段传输的多径路由协议算法。 仿真结果表明，协作路由算法相对于非协作的DSDV路由协议有效地改善了网络性能。 第四章考虑无线网络的链路的动态变化特性，为了充分利用无线链路的实时状况，研究了无线网络中机会中继选择策略及其有效性，利用MAC层控制包获取物理层的实时信道信息，提出了一种分布式机会中继选择策略。 基于此并结合跨层设计思想，提出了Adhoc网络中的一种机会路由算法，并在NS-2仿真平台上给出了相关实现。 仿真结果表明，该机会路由算法相对于常规的DSDV路由协议，以较小的归一化开销为代价，有效地提高了网络的数据递交率，并降低了网络时延。 第五章结合具体的无线Adhoc网络，采用跨层设计的策略，提出了机会性的根据网络实时状况选择最佳中继的协作MAC协议，并在NS-2仿真平台上实现了协作MAC协议，较常规的802.11DCF协议，协作MAC方案有效地提高了网络的递交率。 此外对采用RCPC编码协作的MAC协议进行了数值仿真，分析了潜在中继节点个数对性能的影响。 这些协议和方案可以直接或修改后应用于现有的Adhoc等无线网络，在一定程度上可以实现跨层的机会协作通信，并获得有效的组网方案。 最后，本文在第六章总结全文，并指出了今后有待于进一步研究的方向..