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協(xié)作分集中的跨層設(shè)計(jì)研究
協(xié)作通信技術(shù)利用無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性，使得到達(dá)目標(biāo)接收端的信號(hào)能被協(xié)作伙伴“旁聽”到，協(xié)作伙伴對(duì)這些旁聽到的信息處理后并傳送到目標(biāo)接收端，目標(biāo)接收端合并處理來自這些移動(dòng)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(luò)的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。
無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作通信的研究是一個(gè)嶄新的前沿課題，在無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)等新一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
本文正是以此為研究方向，通過采用跨層設(shè)計(jì)方法、信號(hào)處理技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作通信機(jī)制，協(xié)作方案設(shè)計(jì)及性能分析，從而進(jìn)一步推動(dòng)協(xié)作通信技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展，這對(duì)于實(shí)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(shí)協(xié)作分集和差分空時(shí)協(xié)作分集方案，推導(dǎo)了該方案誤碼率的表達(dá)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(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)等不同量度下的協(xié)作路由算法、實(shí)現(xiàn)方案和性能。
為了進(jìn)一步地利用實(shí)時(shí)信道狀態(tài)，繼續(xù)研究了基于最佳信道選擇的機(jī)會(huì)性中繼選擇策略和相應(yīng)的性能分析。
最后，結(jié)合具體的無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)，采用跨層設(shè)計(jì)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(shí)協(xié)作分集實(shí)現(xiàn)方案DSTBC-MC-CDMA，該方案將協(xié)作分集技術(shù)和分布式空時(shí)編碼引入MC-CDMA系統(tǒng)，在有效抵抗頻率選擇性衰落的同時(shí)具有很高的頻譜效率，并利用單天線實(shí)現(xiàn)了虛擬多天線空時(shí)發(fā)射分集。
建立了基于統(tǒng)計(jì)平均的協(xié)作用戶間信道的概率誤碼模型，基于此推導(dǎo)了該方案在多種環(huán)境下的系統(tǒng)誤碼率的封閉表達(dá)式，結(jié)果表明，該方案相對(duì)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(cuò)概率之間關(guān)系的理論計(jì)算與仿真結(jié)果，這為進(jìn)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(shí)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)作用戶間誤碼的情況下，推導(dǎo)了相關(guān)瑞利信道下該方案BER性能上限的解析表達(dá)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(duì)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(dá)式為進(jìn)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(chǔ)上，建立了Adhoc中基于DSDV路由協(xié)議的簡(jiǎn)單單跳協(xié)作路由模型，在NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)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(zhǔn)則的協(xié)作路由算法的實(shí)現(xiàn)，并分析了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包遞交率、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)壽命、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等性能的改進(jìn)。
此外，研究了節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的Adhoc網(wǎng)絡(luò)中多徑協(xié)作路由協(xié)議的算法實(shí)現(xiàn)，混和路徑選擇準(zhǔn)則下的多徑路由算法以及Adhoc網(wǎng)絡(luò)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(duì)于非協(xié)作的DSDV路由協(xié)議有效地改善了網(wǎng)絡(luò)性能。
第四章考慮無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路的動(dòng)態(tài)變化特性，為了充分利用無線鏈路的實(shí)時(shí)狀況，研究了無線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)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(shí)時(shí)信道信息，提出了一種分布式機(jī)會(huì)中繼選擇策略。
基于此并結(jié)合跨層設(shè)計(jì)思想，提出了Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的一種機(jī)會(huì)路由算法，并在NS-2仿真平臺(tái)上給出了相關(guān)實(shí)現(xiàn)。
仿真結(jié)果表明，該機(jī)會(huì)路由算法相對(duì)于常規(guī)的DSDV路由協(xié)議，以較小的歸一化開銷為代價(jià)，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)遞交率，并降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。
第五章結(jié)合具體的無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)，采用跨層設(shè)計(jì)的策略，提出了機(jī)會(huì)性的根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀況選擇最佳中繼的協(xié)作MAC協(xié)議，并在NS-2仿真平臺(tái)上實(shí)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(luò)的遞交率。
此外對(duì)采用RCPC編碼協(xié)作的MAC協(xié)議進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了潛在中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)性能的影響。
這些協(xié)議和方案可以直接或修改后應(yīng)用于現(xiàn)有的Adhoc等無線網(wǎng)絡(luò)，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)跨層的機(jī)會(huì)協(xié)作通信，并獲得有效的組網(wǎng)方案。
最后，本文在第六章總結(jié)全文，并指出了今后有待于進(jìn)一步研究的方向..……
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