基于协同控制的WLAN高吞吐量传输方案*

2020-05-07左晨微梁海迪

山西电子技术 2020年2期

左晨微,梁海迪

(1.郑州工商学院工学院,郑州 451400;2.河南科技大学信息工程学院,洛阳 471023)

0 引言

目前无线局域网采用IEEE802.11n系列标准[1]。区别于有线网络，无线网络不受地域的限制，大大提高了人民生活的便捷性。在发展规模上，WLAN用户增长数也是呈逐年递增的趋势。目前无线局域网有多种传输方式，其中红外线传输允许在一定范围内自主发射，不仅性价比高而且传输速率快。不过，红外线技术相对来说比较昂贵，目前，无线电波技术更受市场的青睐。无线电波有窄带调制和宽频调制两种调制方式，不仅频谱利用率较高，抗干扰能力强，而且在安全性方面也比红外线传输可靠。

1) 红外(IR)系统:与WLAN相比，红外系统组网方便灵活，保密性能较好，而且不易受无线电的干扰。由于红外线在方向性上远超无线电技术，并且不易受周围环境干扰，所以红外线局域网在安防、企业信息安全等领域应用广泛。不过在实际应用中，红外线技术受外界因素影响较大，所以要求其系统的实际发射功率较高。尽管如此，无线红外系统由于其性价比高，传输速率快等优点，广受中高端市场的欢迎。

2) 无线电波(RF):无线电波是一种射频带中的电磁波[2]，其可在一定空间中自由传播，包括空气和真空。相比于红外系统，无线电波具有较强的抗干扰能力，因此在无线局域网中应用广泛。无线电波技术的高可用性不仅可以防止信息的拦截和窃取，而且比红外技术安全性能要高。另一方面，无线电波主要使用S波段，其波段不会对人体造成危害，所以在安全性和实用性方面，无线电波技术是最佳选择。

3) 蓝牙:蓝牙被称为短程宽带无线电技术[3]，被广泛应用于文件、音视频等流媒体的短距离传输。蓝牙结合了时分和码分多址等技术，允许在小范围内进行多种信息传输方式，并且可以有效地降低同频干扰。蓝牙由于其低功率，价格便宜，在网络传输过程中具有低延时的特性，在信息短距离传输方向上应用广泛。

4) NFC:NFC是一种短距离高频传输技术[4]，它可以快速起建立一个“虚拟网络连接”，来进行电子设备间的短距离通信。NFC目前已经广泛应用于移动电子支付，为人们的生活提供了极大的便利。有了NFC，类似于手机、电视、机顶盒等这样的电子设备，都可以有效安全的进行数据服务交互，使全民移动电子的生活成为了梦想。

关于协同通信的研究可追溯到20世纪70年代， Corver和Gamal两位科学家将中继信道分解成广播信道和多接入信道[5]，提出了一种由源节点、目的节点和中继节点构成的网络，得出了几种情况下的信道容量界，从而拉开了协同通信的序幕。

进入21世纪后，Sendonaris等人分析了移动上行链路用户之间的协同问题，第一次提出了协同分集的概念，其基本思想是系统中可以有一个或多个协同的终端节点[6]。他们的研究表明，协同技术能够扩大蜂窝小区的覆盖范围。协同通信技术不仅可以克服传统移动通信方式无法实现异地分集的限制，而且还能有效提高网络性能，增加系统容量。因此，协同通信技术在无线通信领域越来越受到人们的关注[7]。

1 多中继协同网络模型

在无线局域网络中，每个终端节点的周围都存在着很多邻居节点，这些邻居节点的存在为协同方案分集提供了天然的中继。多中继网络中的协同方案是在单中继网络协同方案的基础上提出的，但因多中继网络的传输时序、同步以及接收等问题比单中继网络复杂得多，其协同方案更加复杂。下面分析放大转发、译码转发和机会协同方案在多中继网络中的应用。

在图1所示的多中继协同网络模型中，存在有M个中继节点与源节点S协同合作进行传输，并且每个节点工作于半双工模式。将第i个中继节点到目的节点的信道系数设为：

图1 多中继协同网络模型

整个传输过程有M+1个时隙。在时隙1中，S和D的传输信号可分别表示为：

(1)

(2)

式中，假定发送信号服从高斯分布，且相关矩阵为单位阵，yRi是第i(i=1，..，M)个时隙中继节点接收的信号;nRi∈CT/2是S-Ri链路的加性高斯白噪声矢量。

2 协同通信传输关键技术

2.1 放大转发

(3)

(4)

目的节点在M+1个时隙接收到x的M+1个副本y1,…,yM+1，目的节点接收信号的矢量表达式为:

y=hx+n.

(5)

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

2.2 译码转发

中继节点在使用译码转发的方案时，传输时序与放大转发的原理基本相同。即在第一个时隙中，源节点广播信号，在剩余的M个时隙中，中继节点采用排队转发的方式依次将信号发送至目的节点。

2.3 机会协同

在多中继网络协同方案中，M个节点均参与协同传输时，一次数据传输必须在M+1个时隙内完成，造成频谱利用率低。为了提高频谱的效率，人们采用机会协同的方法，即在所有中继节点中选择部分节点来参与协同工作。当中继节点自行决定是否协同时，通常采用选择中继协同策略，即在各中继节点接收到源节点信号后，首先判断其能否正确译码，如果能够正确译码，则参与协同。而当目的节点或源节点指定中继时，通常从所有节点中选择最佳的中继节点来参与协同，这种方法需要已知部分或完全的信道状态信息，在选择时通常需要采用反馈。以下是机会协同方案常见的两种形式。

1) 可译码节点重复传输

时隙1,源节点发送x到中继节点和目的节点。定义可译码集D(s)为在第一时隙传输结束后所有正确译码的中继节点的集合。在随后的M个传输时隙，M个中继节点轮流采用选择中继的方法发送信息。若D(s)为空集，则无中继节点参与协同。

2) 最佳中继节点协同

为了解决多中继节点协同频谱效率低的问题，往往采用另一种协同方法：选择最佳节点协同。在时隙1，源节点将数据分别发送到各中继的节点。协同传输如果仅包含时隙2，则在该时隙中，由目的节点或源节点指定最佳中继节点进行协同传输。

在最佳中继节点选择协同方案中，目的节点或源节点可以根据已知的信道状态信息，选择使传输性能(如中断性能、误比特性能等)最佳的中继节点传输。

2.4 协同ARQ技术

自动重传请求是一种双向通信方法[4]，发送端可以根据接收端反馈的信息选择进行下一帧发送。信道的工作原理如下：源节点S向目的节点D发送数据包，如果该数据包能够被D节点正确接收，则目的节点广播ACK信号；如果该数据包不能被D节点正确接收，则目的节点反馈ACK信号，请求重传下一策略。

3 仿真和分析

图2为程序的流程图，源信道在生成比特信息、进行BPSK信号调制并生成信道之后，采用放大转发(AF)和解码转发(DF)的中继方式传递数据和以直传的方式传递数据进行仿真分析，获得系统的理论与实际误码率曲线。

为了实现无线局域网的AF中继过程，信道需要输入转发的信号s_r，信道系数以及信号和噪声功率，然后系统将信号进行放大处理，MRC解调，最后进行MATLAB仿真分析得到系统的误码率曲线图。

图2 仿真程序流程图

图3表示的是在信道解码正确的情况下，非协作系统与采用AF和DF中继的协作系统的实际BER曲线比较图；图4表示的是理论误码率曲线图。图5是在信道解码错误情况下，非协作系统与采用AF中继、DF中继的实际误码率曲线图。从图3和图4可以看出，采用中继的协作系统具有比非协作系统较低的误码率，而且随着信噪比的提高，协同中继的性能提升得越快，但是当信噪比达到一定程度时，系统的性能将会明显降低。同时，可以看出采用DF中继的协作系统要比采用AF中继的协作系统性能好。这是由于DF中继采用数字处理的方式，其可以有效地避免了噪声的影响，而AF中继只是将噪声放大转发，并没有处理噪声。图5所示的是在系统信道较差的情况下，转发的信号多是噪声，降低了系统的性能。而且从仿真中可以看出，采用AF中继和DF中继的协作系统的分集增益要高于不采用中继的非协作系统。