基于協(xié)同控制的WLAN高吞吐量傳輸方案*

左晨微,梁海迪

(1.鄭州工商學(xué)院工學(xué)院,鄭州 451400;2.河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,洛陽 471023)

0 引言

目前無線局域網(wǎng)采用IEEE802.11n系列標(biāo)準(zhǔn)[1]。區(qū)別于有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)不受地域的限制，大大提高了人民生活的便捷性。在發(fā)展規(guī)模上，WLAN用戶增長數(shù)也是呈逐年遞增的趨勢。目前無線局域網(wǎng)有多種傳輸方式，其中紅外線傳輸允許在一定范圍內(nèi)自主發(fā)射，不僅性價(jià)比高而且傳輸速率快。不過，紅外線技術(shù)相對來說比較昂貴，目前，無線電波技術(shù)更受市場的青睞。無線電波有窄帶調(diào)制和寬頻調(diào)制兩種調(diào)制方式，不僅頻譜利用率較高，抗干擾能力強(qiáng)，而且在安全性方面也比紅外線傳輸可靠。

1) 紅外(IR)系統(tǒng):與WLAN相比，紅外系統(tǒng)組網(wǎng)方便靈活，保密性能較好，而且不易受無線電的干擾。由于紅外線在方向性上遠(yuǎn)超無線電技術(shù)，并且不易受周圍環(huán)境干擾，所以紅外線局域網(wǎng)在安防、企業(yè)信息安全等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。不過在實(shí)際應(yīng)用中，紅外線技術(shù)受外界因素影響較大，所以要求其系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)射功率較高。盡管如此，無線紅外系統(tǒng)由于其性價(jià)比高，傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，廣受中高端市場的歡迎。

2) 無線電波(RF):無線電波是一種射頻帶中的電磁波[2]，其可在一定空間中自由傳播，包括空氣和真空。相比于紅外系統(tǒng)，無線電波具有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此在無線局域網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。無線電波技術(shù)的高可用性不僅可以防止信息的攔截和竊取，而且比紅外技術(shù)安全性能要高。另一方面，無線電波主要使用S波段，其波段不會對人體造成危害，所以在安全性和實(shí)用性方面，無線電波技術(shù)是最佳選擇。

3) 藍(lán)牙:藍(lán)牙被稱為短程寬帶無線電技術(shù)[3]，被廣泛應(yīng)用于文件、音視頻等流媒體的短距離傳輸。藍(lán)牙結(jié)合了時(shí)分和碼分多址等技術(shù)，允許在小范圍內(nèi)進(jìn)行多種信息傳輸方式，并且可以有效地降低同頻干擾。藍(lán)牙由于其低功率，價(jià)格便宜，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中具有低延時(shí)的特性，在信息短距離傳輸方向上應(yīng)用廣泛。

4) NFC:NFC是一種短距離高頻傳輸技術(shù)[4]，它可以快速起建立一個(gè)“虛擬網(wǎng)絡(luò)連接”，來進(jìn)行電子設(shè)備間的短距離通信。NFC目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子支付，為人們的生活提供了極大的便利。有了NFC，類似于手機(jī)、電視、機(jī)頂盒等這樣的電子設(shè)備，都可以有效安全的進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)交互，使全民移動(dòng)電子的生活成為了夢想。

關(guān)于協(xié)同通信的研究可追溯到20世紀(jì)70年代， Corver和Gamal兩位科學(xué)家將中繼信道分解成廣播信道和多接入信道[5]，提出了一種由源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，得出了幾種情況下的信道容量界，從而拉開了協(xié)同通信的序幕。

進(jìn)入21世紀(jì)后，Sendonaris等人分析了移動(dòng)上行鏈路用戶之間的協(xié)同問題，第一次提出了協(xié)同分集的概念，其基本思想是系統(tǒng)中可以有一個(gè)或多個(gè)協(xié)同的終端節(jié)點(diǎn)[6]。他們的研究表明，協(xié)同技術(shù)能夠擴(kuò)大蜂窩小區(qū)的覆蓋范圍。協(xié)同通信技術(shù)不僅可以克服傳統(tǒng)移動(dòng)通信方式無法實(shí)現(xiàn)異地分集的限制，而且還能有效提高網(wǎng)絡(luò)性能，增加系統(tǒng)容量。因此，協(xié)同通信技術(shù)在無線通信領(lǐng)域越來越受到人們的關(guān)注[7]。

1 多中繼協(xié)同網(wǎng)絡(luò)模型

在無線局域網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的周圍都存在著很多鄰居節(jié)點(diǎn)，這些鄰居節(jié)點(diǎn)的存在為協(xié)同方案分集提供了天然的中繼。多中繼網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同方案是在單中繼網(wǎng)絡(luò)協(xié)同方案的基礎(chǔ)上提出的，但因多中繼網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)序、同步以及接收等問題比單中繼網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜得多，其協(xié)同方案更加復(fù)雜。下面分析放大轉(zhuǎn)發(fā)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和機(jī)會協(xié)同方案在多中繼網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

在圖1所示的多中繼協(xié)同網(wǎng)絡(luò)模型中，存在有M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)S協(xié)同合作進(jìn)行傳輸，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)工作于半雙工模式。將第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù)設(shè)為：

圖1 多中繼協(xié)同網(wǎng)絡(luò)模型

整個(gè)傳輸過程有M+1個(gè)時(shí)隙。在時(shí)隙1中，S和D的傳輸信號可分別表示為：

(1)

(2)

式中，假定發(fā)送信號服從高斯分布，且相關(guān)矩陣為單位陣，yRi是第i(i=1，..，M)個(gè)時(shí)隙中繼節(jié)點(diǎn)接收的信號;nRi∈CT/2是S-Ri鏈路的加性高斯白噪聲矢量。

2 協(xié)同通信傳輸關(guān)鍵技術(shù)

2.1 放大轉(zhuǎn)發(fā)

(3)

此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)的接收噪聲方差為(1+(SNR|hRiD|2)/(|hSRi|2SNR+1)。為簡化分析，將目的節(jié)點(diǎn)的接收信號除以βi=[1+(SNR|hRiD|2)/(|hSRi|2SNR+1)]1/2使噪聲歸一化。yi+1可記為:

(4)

目的節(jié)點(diǎn)在M+1個(gè)時(shí)隙接收到x的M+1個(gè)副本y1,…,yM+1，目的節(jié)點(diǎn)接收信號的矢量表達(dá)式為:

y=hx+n.

(5)

式中，y=(y1…yi…M+1)T;n～CN(0，1)是加性高斯白噪聲矢量;

2.2 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)

中繼節(jié)點(diǎn)在使用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的方案時(shí)，傳輸時(shí)序與放大轉(zhuǎn)發(fā)的原理基本相同。即在第一個(gè)時(shí)隙中，源節(jié)點(diǎn)廣播信號，在剩余的M個(gè)時(shí)隙中，中繼節(jié)點(diǎn)采用排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的方式依次將信號發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)。

2.3 機(jī)會協(xié)同

在多中繼網(wǎng)絡(luò)協(xié)同方案中，M個(gè)節(jié)點(diǎn)均參與協(xié)同傳輸時(shí)，一次數(shù)據(jù)傳輸必須在M+1個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成，造成頻譜利用率低。為了提高頻譜的效率，人們采用機(jī)會協(xié)同的方法，即在所有中繼節(jié)點(diǎn)中選擇部分節(jié)點(diǎn)來參與協(xié)同工作。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)自行決定是否協(xié)同時(shí)，通常采用選擇中繼協(xié)同策略，即在各中繼節(jié)點(diǎn)接收到源節(jié)點(diǎn)信號后，首先判斷其能否正確譯碼，如果能夠正確譯碼，則參與協(xié)同。而當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)或源節(jié)點(diǎn)指定中繼時(shí)，通常從所有節(jié)點(diǎn)中選擇最佳的中繼節(jié)點(diǎn)來參與協(xié)同，這種方法需要已知部分或完全的信道狀態(tài)信息，在選擇時(shí)通常需要采用反饋。以下是機(jī)會協(xié)同方案常見的兩種形式。

1) 可譯碼節(jié)點(diǎn)重復(fù)傳輸

時(shí)隙1,源節(jié)點(diǎn)發(fā)送x到中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。定義可譯碼集D(s)為在第一時(shí)隙傳輸結(jié)束后所有正確譯碼的中繼節(jié)點(diǎn)的集合。在隨后的M個(gè)傳輸時(shí)隙，M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)輪流采用選擇中繼的方法發(fā)送信息。若D(s)為空集，則無中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)同。

2) 最佳中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)同

為了解決多中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)同頻譜效率低的問題，往往采用另一種協(xié)同方法：選擇最佳節(jié)點(diǎn)協(xié)同。在時(shí)隙1，源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)分別發(fā)送到各中繼的節(jié)點(diǎn)。協(xié)同傳輸如果僅包含時(shí)隙2，則在該時(shí)隙中，由目的節(jié)點(diǎn)或源節(jié)點(diǎn)指定最佳中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同傳輸。

在最佳中繼節(jié)點(diǎn)選擇協(xié)同方案中，目的節(jié)點(diǎn)或源節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)已知的信道狀態(tài)信息，選擇使傳輸性能(如中斷性能、誤比特性能等)最佳的中繼節(jié)點(diǎn)傳輸。

2.4 協(xié)同ARQ技術(shù)

自動(dòng)重傳請求是一種雙向通信方法[4]，發(fā)送端可以根據(jù)接收端反饋的信息選擇進(jìn)行下一幀發(fā)送。信道的工作原理如下：源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)包，如果該數(shù)據(jù)包能夠被D節(jié)點(diǎn)正確接收，則目的節(jié)點(diǎn)廣播ACK信號；如果該數(shù)據(jù)包不能被D節(jié)點(diǎn)正確接收，則目的節(jié)點(diǎn)反饋ACK信號，請求重傳下一策略。

3 仿真和分析

圖2為程序的流程圖，源信道在生成比特信息、進(jìn)行BPSK信號調(diào)制并生成信道之后，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)的中繼方式傳遞數(shù)據(jù)和以直傳的方式傳遞數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，獲得系統(tǒng)的理論與實(shí)際誤碼率曲線。

為了實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)的AF中繼過程，信道需要輸入轉(zhuǎn)發(fā)的信號s_r，信道系數(shù)以及信號和噪聲功率，然后系統(tǒng)將信號進(jìn)行放大處理，MRC解調(diào)，最后進(jìn)行MATLAB仿真分析得到系統(tǒng)的誤碼率曲線圖。

圖2 仿真程序流程圖

圖3表示的是在信道解碼正確的情況下，非協(xié)作系統(tǒng)與采用AF和DF中繼的協(xié)作系統(tǒng)的實(shí)際BER曲線比較圖；圖4表示的是理論誤碼率曲線圖。圖5是在信道解碼錯(cuò)誤情況下，非協(xié)作系統(tǒng)與采用AF中繼、DF中繼的實(shí)際誤碼率曲線圖。從圖3和圖4可以看出，采用中繼的協(xié)作系統(tǒng)具有比非協(xié)作系統(tǒng)較低的誤碼率，而且隨著信噪比的提高，協(xié)同中繼的性能提升得越快，但是當(dāng)信噪比達(dá)到一定程度時(shí)，系統(tǒng)的性能將會明顯降低。同時(shí)，可以看出采用DF中繼的協(xié)作系統(tǒng)要比采用AF中繼的協(xié)作系統(tǒng)性能好。這是由于DF中繼采用數(shù)字處理的方式，其可以有效地避免了噪聲的影響，而AF中繼只是將噪聲放大轉(zhuǎn)發(fā)，并沒有處理噪聲。圖5所示的是在系統(tǒng)信道較差的情況下，轉(zhuǎn)發(fā)的信號多是噪聲，降低了系統(tǒng)的性能。而且從仿真中可以看出，采用AF中繼和DF中繼的協(xié)作系統(tǒng)的分集增益要高于不采用中繼的非協(xié)作系統(tǒng)。

圖3 解碼正確情況下協(xié)作系統(tǒng)與非協(xié)作系統(tǒng)的實(shí)際誤碼率曲線

圖4 解碼正確情況下協(xié)作系統(tǒng)與非協(xié)作系統(tǒng)的理論誤碼率曲線

圖5 解碼正確情況下協(xié)作系統(tǒng)與非協(xié)作系統(tǒng)的實(shí)際誤碼率曲線圖

4 結(jié)論

本文分析和研究了多中繼協(xié)同分集等關(guān)鍵技術(shù)，對比獲得了協(xié)同通信模式下無線局域網(wǎng)高吞吐量傳輸方案，并通過仿真驗(yàn)證了協(xié)同控制技術(shù)對無線局域網(wǎng)吞吐量性能提升的效果，通過對協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)的研究及仿真分析，實(shí)現(xiàn)了幾種協(xié)同控制方法，提高了無線局域網(wǎng)的質(zhì)量以及系統(tǒng)吞吐量。