多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作路由算法研究

方 周 吳其林 嚴(yán)小燕

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作路由算法研究

方 周 吳其林 嚴(yán)小燕

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

協(xié)作分集是下一代無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)，也是近幾年的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于協(xié)作分集改變了傳統(tǒng)的通信方式，需要設(shè)計(jì)新的路由機(jī)制（協(xié)作路由）以適應(yīng)協(xié)作通信的特點(diǎn)。文章面向多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)路由設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的源與目的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不同，從兩個(gè)方面對(duì)當(dāng)前協(xié)作路由算法的研究成果進(jìn)行了綜述，并分析當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題，指出需要進(jìn)一步研究的三個(gè)方面內(nèi)容和挑戰(zhàn)。

協(xié)作路由；跨層設(shè)計(jì)；協(xié)作分集；多跳自組織網(wǎng)絡(luò)

1 引言

無(wú)線自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。然而，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)目前并沒(méi)有得到大規(guī)模的應(yīng)用，一個(gè)重要原因是由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)接收的不可靠性。這是因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的陰影、衰落和干擾等現(xiàn)象以及節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)不被正確接收。值得慶幸的是，協(xié)作通信的出現(xiàn)給這些難題的解決帶來(lái)了曙光，從而可以促使Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的應(yīng)用。

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，基于空間分集思想的多輸入多輸出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)可以在衰落的信道環(huán)境中大幅度提高信道容量，現(xiàn)已在新一代移動(dòng)通信中廣泛應(yīng)用[2-5]。然而，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線終端由于體積和功耗較小，要安裝多個(gè)天線具有較大的困難。于是，人們便提出了一種新的空間分集技術(shù)，即協(xié)作通信[6-7]。在協(xié)作通信環(huán)境中，每個(gè)無(wú)線終端只需安裝一個(gè)天線，即可以和其他終端協(xié)作形成一個(gè)虛擬MIMO陣列。這樣，就不需要安裝多個(gè)天線，但卻可以獲得分集增益。協(xié)作通信已是下一代無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)[8]，也是目前無(wú)線通信領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

在多跳的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，路由選擇對(duì)吞吐量、時(shí)延以及能耗等網(wǎng)絡(luò)性能有著重要的影響。 因此，如何設(shè)計(jì)一個(gè)滿足端到端服務(wù)質(zhì)量（QoS，Quality of Service）要求的路由算法一直是眾多學(xué)者研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。協(xié)作路由算法就是將協(xié)作分集在物理層所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)引入到網(wǎng)絡(luò)層中以提高網(wǎng)絡(luò)性能的一種跨層路由算法。在協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可作為數(shù)據(jù)源又可作為協(xié)作節(jié)點(diǎn)以幫助其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。為此，采用了協(xié)作路由的方式后，由于協(xié)作節(jié)點(diǎn)的存在，即使直接傳輸過(guò)程中造成了一些數(shù)據(jù)包的丟失，節(jié)點(diǎn)仍然可以根據(jù)協(xié)作節(jié)的傳輸找回這些丟失的數(shù)據(jù)包。這樣，即使在信道條件比較惡劣和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的情況下仍然可以保證網(wǎng)絡(luò)中一定程度的可靠數(shù)據(jù)傳輸，從而保證了路由的可靠性和良好的端到端性能。然而，由于協(xié)作通信改變了傳統(tǒng)的物理層通信方式，這也給協(xié)作路由算法的設(shè)計(jì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)（例如，多種類型鏈路共存、信號(hào)干擾加劇以及跨層設(shè)計(jì)等問(wèn)題），這些問(wèn)題都是需要研究的重要內(nèi)容。

2 相關(guān)研究工作

協(xié)作通信的傳輸方式可以分為兩個(gè)階段：源節(jié)點(diǎn)在第一階段以廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)；第二階段協(xié)作節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。最后，目的節(jié)點(diǎn)對(duì)從源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。因?yàn)槟康墓?jié)點(diǎn)合并了多條獨(dú)立路徑的數(shù)據(jù)，從而獲得了空間分集增益。根據(jù)協(xié)作節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理方式不同，轉(zhuǎn)發(fā)方式一般可以分為放大轉(zhuǎn)發(fā) （AF，Amplify-and-Forward） 和解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF，Decode-and-Forward）兩種[9]。 針對(duì)協(xié)作通信在物理層上的研究已經(jīng)取得了較多的成果，因而需要研究與之相一致的媒體接入控制（MAC）層、路由層等上層協(xié)議，以充分發(fā)揮協(xié)作通信在物理層所帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì)。目前，協(xié)作路由算法的設(shè)計(jì)已受到了研究者的關(guān)注，依據(jù)路由設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的源與目的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不同，可以分別設(shè)計(jì)單源單目的與多源多目的兩種環(huán)境下的協(xié)作路由算法。

2.1 單源單目的協(xié)作路由

DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector）[10]和 AODV （Ad-Hoc On-Demand Distance Vector）[11]是兩個(gè)經(jīng)典的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議，有必要將它們引入到協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。于是，文獻(xiàn)[12]提出了一種基于DSDV的協(xié)作路由算法，該算法運(yùn)用分布式計(jì)算的方法在候選的協(xié)作中繼集合中選擇最佳的一個(gè)，并且利用跨層方法自適應(yīng)調(diào)節(jié)MAC層重傳次數(shù)從而達(dá)到減少時(shí)延的目的。與此同時(shí)，文獻(xiàn)[13]也提出了一種基于AODV的跨層協(xié)作路由算法CLAODV。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量是受有限的，節(jié)省能量便成為了路由算法設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素。于是，Khandani等最早在文獻(xiàn)[14-15]中提出了基于最小能量準(zhǔn)則的兩種協(xié)作路由算法CAN-L（Cooperation Along the Minimum Energy Non-cooperative path）和 PC-L（Progressive Cooperation），研究了協(xié)作路由對(duì)能量節(jié)省的影響。然而，尋找滿足能量要求的最優(yōu)路由屬于NP難題，于是文獻(xiàn)[16]又提出一個(gè)協(xié)作路由算法CSP（Cooperative Shortest Path）作為次優(yōu)解決方案。之后，文獻(xiàn)[17-19]也提出了能量節(jié)省的協(xié)作路由算法，其中，文獻(xiàn)[17]分別考慮了Nakagami-m與Ricel兩種不同的衰落信道環(huán)境；文獻(xiàn)[18-19]則通過(guò)優(yōu)化傳輸距離和協(xié)作中繼數(shù)量來(lái)達(dá)到最小化能量的目的。在協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，某些節(jié)點(diǎn)可能經(jīng)常被選為協(xié)作中繼，從而造成這些節(jié)點(diǎn)的能量被過(guò)度的使用，最終將縮短網(wǎng)絡(luò)的生命周期。為此，文獻(xiàn)[20]提出了公平的使用節(jié)點(diǎn)能量的協(xié)作路由算法，以達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。文獻(xiàn)[21]則考慮多速率的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提出了SCRRM協(xié)作路由協(xié)議，以提供一條穩(wěn)定的、高速率的路徑。

圖1 一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)作路徑

以上這些路由算法有一個(gè)共同的特點(diǎn)：算法首先需要發(fā)現(xiàn)一條確定的非協(xié)作的最短路徑，然后在這條最短路徑的基礎(chǔ)上通過(guò)選擇最佳中繼或者多個(gè)中繼來(lái)建立一條協(xié)作路徑。顯然，這些算法并沒(méi)有充分利用協(xié)作分集的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樽顑?yōu)協(xié)作路由可能完全不同于最短路徑路由。如圖1所示（圖中S表示源節(jié)點(diǎn)，D表示目的節(jié)點(diǎn)，R表示中繼節(jié)點(diǎn)），依據(jù)最短路徑路由，則可能選擇S→R1→D這條最短路徑；如果運(yùn)用協(xié)作分集技術(shù)，則可能選擇S→R2→D這條最優(yōu)路徑，因?yàn)榇藭r(shí)R3和R4可以協(xié)作S將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉2，從而使得S到R2的鏈路質(zhì)量得以提高。為克服以上這些節(jié)能路由算法的缺陷，文獻(xiàn)[22]提出了一種分布式最小功率協(xié)作路由算法MPCR（Minimum Power Cooperative Routing）。該算法充分利用協(xié)作通信來(lái)建立最小功率路由，并且可以在直接傳輸和協(xié)作傳輸兩種模式之間進(jìn)行選擇。由MPCR所啟發(fā)，文獻(xiàn)[23-24]也分別提出了節(jié)省能量的協(xié)作路由算法。以上提到的協(xié)作路由大多數(shù)考慮的協(xié)作多輸入單輸出（MISO，Multiple-Input Single-Output，即多個(gè)傳輸方一個(gè)接收方）鏈路，為此，文獻(xiàn)[24]提出了基于協(xié)作MIMO（即多個(gè)傳輸方多個(gè)接收方）鏈路的最小化路由算法，并給出了兩種啟發(fā)式算法GLC （Greedy Limited Cooperative）和 GPC（Greedy Progressive Cooperative）以簡(jiǎn)化最優(yōu)化算法的復(fù)雜度。除了以節(jié)省能量為路由設(shè)計(jì)的目標(biāo)之外，文獻(xiàn)[26-28]也分別考慮以吞吐量、時(shí)延以及時(shí)延抖動(dòng)作為路由設(shè)計(jì)的目標(biāo)，并分別利用了源路由、位置信息以及跨層思想來(lái)設(shè)計(jì)協(xié)作路由算法。

以上這些單源單目的協(xié)作路由算法大多以節(jié)省能量或者以吞吐量和時(shí)延等性能作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，而沒(méi)有將這些目標(biāo)聯(lián)合在一起加以考慮，即設(shè)計(jì)吞吐量、時(shí)延等受限的節(jié)能路由算法（有些需要優(yōu)化的目標(biāo)之間，例如最小化能量與最大化吞吐量，會(huì)存在相反作用的現(xiàn)象，因而聯(lián)合這些目標(biāo)進(jìn)行路由設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性）。與此同時(shí)，以上這些算法大多也沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，而節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致信道狀態(tài)的改變以致影響中繼節(jié)點(diǎn)的選擇。為此，以上這些問(wèn)題都需要進(jìn)行細(xì)致和深入的研究。

2.2 多源多目的協(xié)作路由

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)多流共存時(shí)，將會(huì)引起流與流之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突，這會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的降低。如圖2所示，流S1→D1與流S2→D2將在協(xié)作節(jié)點(diǎn)B處發(fā)生沖突。文獻(xiàn)[29]指出節(jié)點(diǎn)B會(huì)成為一個(gè)瓶頸，與單流環(huán)境相比較，這將會(huì)使流吞吐量下降50%，并且最早給出了該問(wèn)題的解決方案。Zhang等在文獻(xiàn)[29]中提出了MFCR-2（Multi-Flow Cooperative Routing-2）路由算法，該算法首先構(gòu)造基于虛擬節(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路的沖突圖，然后再選擇一條互不干擾的且能量最小的路由。文獻(xiàn)[30]也運(yùn)用了虛擬節(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路的思想，提出了沖突感知的路由判據(jù)CSCM（Contention Sensitive Cooperative Metric），并據(jù)此提出了協(xié)作路由算法以研究系統(tǒng)的吞吐量和時(shí)延性能。以上兩個(gè)路由算法雖然考慮了沖突對(duì)性能的影響，但并未聯(lián)合物理層的干擾模型來(lái)加以分析，也沒(méi)有考慮協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)量選擇問(wèn)題。為此，文獻(xiàn)[31]考慮了路由與中繼節(jié)點(diǎn)選擇的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題，指出該優(yōu)化問(wèn)題可以轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，并進(jìn)一步給出了解決該線性規(guī)劃問(wèn)題的BB-CP（Branch-and-Bound Framework Augmented with Cutting Planes）算法。然而該文獻(xiàn)只是給出了分析結(jié)果，并沒(méi)有給出路由算法的具體實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[32]進(jìn)一步指出在基于協(xié)作MISO鏈路的多流環(huán)境下，分集增益所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)性能的提高與協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以及協(xié)作路由策略重要關(guān)系，并聯(lián)合鏈路速率與距離來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，進(jìn)而提出了自適應(yīng)鏈路速率、距離以及簇大小變化的路由協(xié)議Proteus，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)吞吐量。以上提到的路由算法（協(xié)議）沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)問(wèn)題，于是文獻(xiàn)[33]考慮了移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并對(duì)ExOR協(xié)議 [34]進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了協(xié)作機(jī)會(huì)路由CORMAN（Cooperative Opportunistic Routing in Mobile Ad hoc Networks），然而該路由算法只考慮了網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)作，忽略了物理層的協(xié)作分集。最近，文獻(xiàn)[35-37]考慮了多流網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在設(shè)計(jì)協(xié)議路由協(xié)議時(shí)考慮到了干擾和沖突的影響，但這些協(xié)議沒(méi)有聯(lián)合MAC層進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

圖2 多流干擾

據(jù)此，目前對(duì)多流環(huán)境下的協(xié)作路由算法的研究還顯得較少。在今后的研究中，還需要聯(lián)合協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇與物理層干擾模型來(lái)進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，并且也需要對(duì)流路由進(jìn)行調(diào)度，以最大化空間復(fù)用增益，以上這些問(wèn)題也是本項(xiàng)目所要研究的內(nèi)容之一。目前，已有研究者在這一方面做出了努力，在文獻(xiàn)[38]中，作者就提出一個(gè)聯(lián)合物理層、MAC和路由層的跨層協(xié)作協(xié)議MACR-CCT。

3 進(jìn)一步的研究

結(jié)合前文對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀的分析，盡管目前在這一領(lǐng)域已有不少的研究并且取得了不少的成果，以下三方面的研究?jī)?nèi)容仍然值得挑戰(zhàn):

3.1 具有QoS約束的能量有效協(xié)作路由算法

一方面，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，人們要求Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)同時(shí)提供對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持。因而設(shè)計(jì)一個(gè)滿足用戶對(duì)端到端吞吐量、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)以及數(shù)據(jù)包丟失率等QoS性能要求便成為協(xié)作路由算法設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)。另一方面，協(xié)作分集可以將一段長(zhǎng)距離傳輸轉(zhuǎn)變成兩段短距離傳輸，這樣在獲得分集增益的同時(shí)也節(jié)省了能量，因而協(xié)作分集技術(shù)在能量受限的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中具有天然的優(yōu)勢(shì)，而能量最小化也自然成為協(xié)作路由算法設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要目標(biāo)。

目前研究中，大多數(shù)都是將這兩個(gè)目標(biāo)分別加以優(yōu)化（以節(jié)能路由協(xié)議居多），而沒(méi)有進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。通過(guò)分析，該研究?jī)?nèi)容需要解決以下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是節(jié)能與吞吐量等QoS性能之間的折中問(wèn)題。單純考慮節(jié)能的路由算法往往會(huì)降低端到端吞吐量等QoS性能。因?yàn)橐暂^低功率傳輸雖然可以節(jié)省能量，但降低了數(shù)據(jù)的成功接收概率，從而降低了端到端吞吐量。而以較高功率傳輸數(shù)據(jù)可以提高接收的成功率，進(jìn)而提高端到端吞吐量，但隨著發(fā)送功率的增大，會(huì)產(chǎn)生較高的干擾，反而降低了吞吐量。為此，在設(shè)計(jì)協(xié)作路由算法時(shí)，需要考慮功率和吞吐量之間的權(quán)衡。二是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期問(wèn)題。能量有效性可以從降低數(shù)據(jù)流所消耗總能量和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)，而目前的研究大多數(shù)從第一方面來(lái)加以考慮。在協(xié)作通信中，某些節(jié)點(diǎn)可能經(jīng)常被選為協(xié)作中繼，從而造成這些節(jié)點(diǎn)的能量被過(guò)度的使用而消亡，最終導(dǎo)致通信的中斷。為此，需要考慮在中繼節(jié)點(diǎn)之間均衡地使用能量，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

3.2 多徑協(xié)作路由算法

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作多徑路由具有以下兩個(gè)重要意義：一是能提供路徑冗余，增加路由的穩(wěn)定性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性，這將導(dǎo)致鏈路狀態(tài)不斷地發(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)的吞吐量與時(shí)延等QoS性能。幸運(yùn)的是，多徑路由正好可以降低節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。如圖3所示，從源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D有三條路徑S→A→D、S→B→D以及S→C→D，即使當(dāng)節(jié)點(diǎn)D向上移動(dòng)時(shí)也仍然有路徑S→A→D來(lái)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。更有甚者，在協(xié)作通信中，協(xié)作多徑路由還可以利用協(xié)作分集技術(shù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了物理層的協(xié)作與網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)作在網(wǎng)絡(luò)的聚集，從而更有效地減少節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)鏈路質(zhì)量的影響。二是能提供帶寬聚合，以滿足用戶對(duì)吞吐量與時(shí)延等性能要求。如圖3所示，假設(shè)每條路徑的帶寬均為等于1Mbps，而用戶則要求網(wǎng)絡(luò)能提供端到端的帶寬為2Mbps，如果在單徑路由的情況下，則沒(méi)有一條路徑能滿足用戶的要求。然而在多徑路由的情況下，三條路徑所帶來(lái)的帶寬聚合將能滿足用戶的要求。

圖3 多徑路由

圖4 多流協(xié)作路由

目前，在協(xié)作多徑路由方面的研究還顯得較少，對(duì)該內(nèi)容的研究需要解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：一是多徑干擾問(wèn)題。在多徑路由中會(huì)存在傳輸路徑的相互干擾問(wèn)題，將會(huì)削弱多徑路由所帶來(lái)的性能增益。為此，多徑路由算法需要優(yōu)化選擇相互獨(dú)立性較高的路徑，以減少干擾的影響。另外，在多徑路由中，干擾會(huì)隨著路徑個(gè)數(shù)的增加而增加，因而需要在路徑個(gè)數(shù)與系統(tǒng)性能之間進(jìn)行折中考慮。

二是時(shí)延抖動(dòng)問(wèn)題。不同的路徑會(huì)有不同的傳輸時(shí)延，因此會(huì)在目的節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)。為此，多徑路由算法需要優(yōu)化選擇路徑以滿足用戶對(duì)時(shí)延抖動(dòng)的要求。

3.3 多流協(xié)作路由算法

在現(xiàn)有的大多數(shù)研究中，通常認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中只有一條數(shù)據(jù)流，但實(shí)際上，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中往往同時(shí)存在并發(fā)的多條數(shù)據(jù)流，這樣就會(huì)對(duì)鄰居鏈路造成干擾，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與時(shí)延等QoS性能。對(duì)該內(nèi)容的研究需要解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：一是干擾避免問(wèn)題。干擾模型與中繼節(jié)點(diǎn)的選擇將決定信號(hào)的干擾范圍，為了避免干擾，這將影響路由算法對(duì)下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇。如圖4所示，兩條數(shù)據(jù)流S1→D1與流S2→D2同時(shí)存在。如果S1選擇A作為下一跳節(jié)點(diǎn)，此時(shí)S2如果選擇C2作為協(xié)作中繼，將在A出發(fā)生沖突（因?yàn)镃2在A的干擾距離范圍內(nèi)）；如果S2選擇C3作為協(xié)作中繼則不會(huì)發(fā)生干擾。由此可見(jiàn)，S1與S2對(duì)下一跳以及協(xié)作中繼的選擇將會(huì)帶來(lái)不同的干擾現(xiàn)象。因此，對(duì)于該問(wèn)題，需要聯(lián)合物理層與MAC以進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)。二是路由調(diào)度問(wèn)題。在協(xié)作通信中，協(xié)作中繼將會(huì)帶來(lái)更多的暴露終端與隱藏終端，從而引起新的干擾問(wèn)題，這會(huì)降低無(wú)線通信的空間復(fù)用增益 （即減少了并發(fā)傳輸?shù)牧鲾?shù)量）。為此，需要在協(xié)作分集增益與空間復(fù)用增益之間進(jìn)行折中考慮，即需要對(duì)流路由進(jìn)行調(diào)度，在保證協(xié)作分集增益的同時(shí)，盡可能最大化空間復(fù)用增益。

4 結(jié)論

本文從單源單目的與多源多目的兩個(gè)方面，對(duì)當(dāng)前的協(xié)作路由算法研究進(jìn)行了較為詳盡的綜述。進(jìn)一步地，對(duì)這些已有的研究成果進(jìn)行了分析，指出其存在問(wèn)題和挑戰(zhàn)，并列出了具有QoS約束的能量有效協(xié)作路由算法、多徑協(xié)作路由算法以及多流協(xié)作路由算法三個(gè)未來(lái)的研究?jī)?nèi)容，針對(duì)這些研究，我們進(jìn)行了探討并指出存在挑戰(zhàn)。

[1]WU J，STOJMENOVIC I.Ad hoc networks[J].Computer，2004，（2）:29-31.

[2]TELATER I E.Capacity of multi-antenna Gaussian channels[J].European Transactions on Telecommu-nications，1999，（6）:585-595.

[3]FOSCHINI G，GANS M J.On the limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas[J].Wireless Personal Communications，1998，（3）:311-355.

[4]CHOI J.Performance analysis for transmit antenna diversity with/without channel information[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2002，（1）:101-113.

[5]PAULRAJ A J，GORE D A，NABAR R U，et al.An overview of MIMO communications-a key to gigabit wireless[J].Proceedings of the IEEE，2004，（2）:198-218.

[6]SENDONARIS A，ERKIP E，AAZHANG B.User cooperation diversity PartⅠ:system description[J].IEEE Transactions on Communications，2003，（11）:1927-1938.

[7]SENDONARIS A，ERKIP E， AAZHANG B.User cooperation diversity PartⅡ:implementation aspects and performance analysis[J].IEEE Transactions on Communications， 2003，（11）:1939-1948.

[8]LI Q， HU R Q，QIAN Y，et al.Cooperative communications for wireless networks:techniques and applications in LTE-advanced systems[J].IEEE Wireless Communications，2012，（2）:22-29.

[9]LANEMAN J N，TSE D N C，WORNELL G W.Cooperative diversity in wireless networks:Efficient protocols and outage behavior[J].IEEE Transaction on Information，2004，（12）:3062-3080.

[10]PERKINS C E，BHAGWAT P.Highly dynamic destination-sequenced distance-vector （DSDV） Routing for Mobile Computers[C].Proceedings of the Symposium on Communications Architectures，Protocols and Applications （ACMSIGCOMM’94），London，UK，1994:234-244.

[11]PERKINS C E，ROYER E M.Ad-hoc on-demand distance vector routing[C].Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications，New Orleans，LA， USA，1999:90-100.

[12]陳超，鄭寶玉，趙賢敬.一種利用跨層優(yōu)化策略選擇中繼的協(xié)作路由算法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2007，（12）：298l-2985.

[13]任智，郭偉，蘇靜，等.基于跨層協(xié)同設(shè)計(jì)的高效AODV改進(jìn)路由算法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2007，（5）:838-843.

[14]KHANDANI A，ABOUNADI J，MODIANO E.Cooperative routing in wireless networks[C].In 41 st Allerton Confcrencc on Communications，Control and Computing.United States，2003:1270-1279.

[15]KHANDANI A，ABOUNADI J，MODIANO E.Cooperative routing in static wireless networks[J].IEEE Transaction on Communications，2007，（11）:2185-2192.

[16]LI F，WU K，LIPPMAN A.Energy-efficient cooperative routing in multi-hop wireless ad hoc networks[C].In IPCCC 2006，Phoenix，USA，2006:215-222.

[17]TAHERI A，ABOLHASSANI B.Energy-efficient cooperative routing for multi-hop networks over Nakagami-m and Rice channels[C].International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops （ICUMT），Moscow，2010:127-133.

[18]ZHANG J，F(xiàn)EI L，GAO Q，et al.Energy-efficient multihop cooperative MISO transmission with optimal hop distance in wireless ad hoc networks[J].IEEE Transaction on Wireless Communications，2011，（10）:3426-3435.

[19]AKSU A，ERCETIN O.Reliable multi-hop routing with cooperative transmissions in energy-constrained networks[J].IEEE Transaction on Wireless Communications，2008，（8）:2861-2865.

[20]CHEN S，HUANG M，LI Y.Energy-balanced cooperative routing in multihop wireless ad hoc networks[EB/OL].http://coitweb.uncc.edu/～ywang32/research/CC-loadbalancing-icc2012.pdf.

[21]DUNG L，AN B.SCRRM:a stability-aware cooperative routing scheme for reliable high-speed data transmission in multirate mobile ad hoc wireless networks[J].Concurrency and Computation:Practice and Experience，2015，（10）:2588-2601.

[22]IBRAHIM A，ZHU H，LIU K J R.Distributed energy-efficient cooperative routing in wireless networks[J].IEEE Transaction on Wireless Communications，2008，（10）:3930-3941.

[23]SHENG Z G，DING Z G，LEUNG K K.Distributed and power efficient routing in wireless cooperative networks[C].IEEE International Conference on Communications （ICC’09）， Dresden，2009:1-5.

[24]ABDULHADI S，JASEEMUDDIN M，ANPALAGAN A.Joint flow routing and relay node assignment in DAF multi-hop cooperative ad hoc networks[C].IEEE 6th International Conference on Wireless and Mobile Computing，Networking and Communications （WiMob）， Niagara Falls，ON，2010:638-643.

[25]DEHGHAN M，GHADERI M.Energy efficient cooperative routing in wireless networks[J].CPSC Technical Report，2009，（10）:209-234.

[26]GUAN Y，XIAO Y，SHEN C C，et al.CSR:Cooperative source routing using virtual MISO in wireless ad hoc networks[C].IEEE Wireless Communications and Networking Conference （WCNC），Cancun，Quintana Roo，2011:1119-1124.

[27]XIAO Y，GUAN Y，CHEN W，et al.Location-aware cooperative routing in multihop wireless networks[C].IEEE Wireless Communications and Networking Conference （WCNC）， Cancun，Quintana Roo，2011:761-766.

[28]HE X，LI F Y.Metric-based cooperative routing in multihop ad hoc networks[J].Journal of Computer Networks and Communications，2012，（2012）:1-12.

[29]ZHANG J，ZHANG Q.Cooperative routing in multi-source multi-destination multi-hop wireless networks[C].in Proc.IEEE Infocom，Phoenix，USA，2008:2369-2377.

[30]SHAHEN S A F M，SHARIFUL I M.CSCM:A contention sensitive routing metric for efficient cooperative communication in multi-hop wireless networks[J].International Journal on Internet and Distributed Computing Systems，2012，（2）:157-163.

[31]SHARMA S，SHI Y，HOU Y T，et al.Joint flow routing and relay node assignment in cooperative multi-hop networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2012， （2）:254-262.

[32]LAKSHMANAN S，SIVAKUMAR R.Proteus:multiflow diversity routing for wireless networks with cooperative transmissions[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2013， （6）:1146-1159.

[33]WANG Z，CHEN Y H，LI C.CORMAN:A novel cooperative opportunistic routing scheme in mobile ad hoc networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2012，（2）:289-296.

[34]BISWAS S，MORRIS R.ExOR:Opportunistic multi-hop routing for wireless networks[C].in Proc.ACM Conference of the Special Interest Group on Data Communication （SIGCOMM）， Philadelphia，PA，USA，2005:133-144.

[35] MANSOURKIAIE F，AHMED M H.Optimal and Near-Optimal Cooperative Routing and Power Allocation for Collision Minimization in Wireless Sensor Networks[J].IEEE Sensors Journal， 2016，（5）:1398-1411.

[36]XIE K，WANG X，LIU X.Interference-aware cooperative communication in multi-radio multi-channel wireless networks[J].IEEE Transactions on Computers， 2016， 65（5）:1528-1542.

[37]XIE K，WANG X，WEN J，et al.Cooperative Routing With Relay Assignment in Multiradio Multihop Wireless Networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking，2016，（2）:859-872.

[38]WU Q，ZHOU X，GE F.A cross-layer protocol for exploiting cooperative diversity in multi-hop wireless ad hoc networks[J].Wireless Networks，2016，（5）:1591-1610.

A STUDY ON COOPERATIVE ROUTING ALGORITHM IN MULTI-HOP AD HOC NETWORKS

FANG Zhou WU Qi-lin YAN Xiao-yan
（Chaohu Collge， Chaohu Anhui 238000）

Cooperative diversity has emerged as the key technology of next generation wireless communication and become research focus in recent years.Since cooperative diversity has changed the traditional communication way,it is necessary to design a new routing mechanism for accommodating the characteristic of cooperative communication.For multi-hop ad hoc networks,this paper presents the current research results of cooperative routing algorithm from two aspects because the number of the source and destination nodes is different when routing designed,analyzes the existing problem in current researches and points out the further three research contents and challenge.

Cooperative routing； Cross-layer design； Cooperative diversity； Multi-hop ad hoc networks

TP393

A

：1672-2868（2017）03-0027-08

責(zé)任編輯：陳 侃

投稿日期：2017-01-07

安徽省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：1308085MF101）；安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KJ2014A172）

方周（1988-），男，安徽池州人。巢湖學(xué)院信息工程學(xué)院，助教。研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源管理與調(diào)度。