多信息流協(xié)作自組織網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化策略研究綜述*

吳其林, 方 周, 張正金, 黃貴林, 曹 騫

(1.南京大學(xué) 工程管理學(xué)院，南京 210093;2.巢湖學(xué)院 信息工程學(xué)院，合肥 238000)

多信息流協(xié)作自組織網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化策略研究綜述*

吳其林1,2, 方 周2, 張正金2, 黃貴林2, 曹 騫2

(1.南京大學(xué) 工程管理學(xué)院，南京 210093;2.巢湖學(xué)院 信息工程學(xué)院，合肥 238000)

在基于協(xié)作通信的自組織網(wǎng)絡(luò)中，需要對(duì)無線通信資源進(jìn)行優(yōu)化控制與合理協(xié)調(diào)，以提高對(duì)這些資源的使用效率，進(jìn)而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)性能的目的；針對(duì)多信息流網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以分布式最佳中繼選擇、基于節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的協(xié)作傳輸自適應(yīng)以及跨層協(xié)作路由三大資源優(yōu)化策略作為研究?jī)?nèi)容，對(duì)當(dāng)前存在的研究成果進(jìn)行了詳盡的綜述，并指出未來需要研究的內(nèi)容以及需要解決的關(guān)鍵問題。

資源優(yōu)化；多信息流；跨層設(shè)計(jì)；協(xié)作通信；自組織網(wǎng)絡(luò)

自組織(Ad Hoc)網(wǎng)絡(luò)中，由于受到體積、功耗以及成本的限制，在無線終端上安裝多個(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[1,2]。在協(xié)作通信環(huán)境中，每個(gè)無線終端只需安裝一個(gè)天線，并且可以通過一定規(guī)則共享其他終端的天線，以形成一個(gè)虛擬多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)陣列，從而達(dá)到空間分集的效果。這樣，就無需在終端上配備多個(gè)天線，同時(shí)又可以獲得協(xié)作分集增益。協(xié)作通信已是下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)[3]，也是目前無線通信領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

在基于協(xié)作通信的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，需要對(duì)共享信道、節(jié)點(diǎn)能量、節(jié)點(diǎn)速率、節(jié)點(diǎn)處理能力與代價(jià)以及中繼節(jié)點(diǎn)等無線通信資源進(jìn)行優(yōu)化控制與合理分配，以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些資源的高效管理，進(jìn)而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)性能的目的。對(duì)這些受限資源的有效管理與分配，可以提高資源的利用率，進(jìn)而達(dá)到減少多信息流傳輸時(shí)的干擾、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命、提高系統(tǒng)吞吐量以及最小化鏈路中斷概率的目的，最終保證多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中上層應(yīng)用的端到端服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)要求。這將涉及資源優(yōu)化的3個(gè)主要策略：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)能量、節(jié)點(diǎn)速率以及信號(hào)干擾的管理與控制，需要研究最佳中繼選擇策略；為了適應(yīng)無線信道以及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的時(shí)變特性，并最小化協(xié)作代價(jià)，需要研究協(xié)作中繼傳輸自適應(yīng)策略；為了保證端到端QoS要求并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，需要研究QoS約束的最大化網(wǎng)絡(luò)壽命的跨層優(yōu)化協(xié)作路由策略。本文將對(duì)以上策略的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，并指出未來的研究?jī)?nèi)容及需要解決的關(guān)鍵問題。

1 相關(guān)研究工作

協(xié)作通信中，根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)處理方式的不同，轉(zhuǎn)發(fā)方式一般分為放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward,AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward，DF)兩種主要方式[4]。因?yàn)閰f(xié)作通信改變了物理層數(shù)據(jù)的傳輸方式，從而也給無線資源優(yōu)化帶來了新的難題，現(xiàn)針對(duì)以上所提及的3個(gè)主要資源優(yōu)化策略分別展開綜述。

1.1 最佳中繼選擇策略相關(guān)研究

一般來說，在協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)源節(jié)點(diǎn)獲得更多的中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作，可以更好地提升系統(tǒng)的性能。然而，當(dāng)參與協(xié)作的中繼數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)帶來性能增益的緩慢增加或者下降，也會(huì)因?yàn)檫^多的信號(hào)檢測(cè)與信息交換帶來系統(tǒng)資源巨大浪費(fèi)，因而需要在中繼節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行合理協(xié)調(diào)與選擇。已有研究指出最佳中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作，能獲得與所有節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作相同的分集增益效果[5,6]。為此，本文將主要對(duì)最佳中繼選擇策略展開綜述。

最佳中繼選擇問題是協(xié)作通信所研究的一個(gè)熱點(diǎn)。依據(jù)最佳中繼選擇時(shí)所使用的判據(jù)不同，可以分為以下幾類。

(1) 基于信道狀態(tài)的中繼選擇。文獻(xiàn)[7]指出在分布式環(huán)境下設(shè)計(jì)空時(shí)編碼較為困難，于是提出了著名的機(jī)會(huì)中繼(Opportunistic Relaying，OR)策略。在OR中，在候選中繼節(jié)點(diǎn)正確測(cè)量與源節(jié)點(diǎn)和目的間的信道狀態(tài)信息情況下，依據(jù)一定的準(zhǔn)則(最小準(zhǔn)則與調(diào)和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則)，分布式選擇出最佳中繼節(jié)點(diǎn)。在時(shí)變的信道條件下，節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的信道狀態(tài)可能與中繼選擇時(shí)的不同。為此，在后期的研究中，進(jìn)一步研究了準(zhǔn)確測(cè)量信道狀態(tài)的方法，例如文獻(xiàn)[8]提出了MAP(Maximum a Posteriori)估計(jì)法去預(yù)測(cè)中繼節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)。

(2) 基于能量效率的中繼選擇。在當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)中，由于節(jié)點(diǎn)(無論是源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn))大都是電池供電的，其能量是受限的，因此，如何高效地利用節(jié)點(diǎn)的能量顯得格外重要。于是，文獻(xiàn)[9]提出了用于選擇中繼節(jié)點(diǎn)的3個(gè)能量效率準(zhǔn)則：最小化總傳輸能量、最大化剩余能量以及最大化能效指數(shù)。文獻(xiàn)[9]并沒有結(jié)合具體的協(xié)議來分析能耗，而由協(xié)議開銷所帶來的能耗是不可忽略的。于是，文獻(xiàn)[10]結(jié)合了具體的協(xié)議設(shè)計(jì)來分析能耗問題，這也是后期研究工作的一個(gè)重點(diǎn)。

(3) 基于地理信息的中繼選擇。文獻(xiàn)[11]利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息分布式選出最佳中繼，以最小化符號(hào)錯(cuò)誤概率(Symbol Error Probability,SEP)。然而，獲取節(jié)點(diǎn)的位置信息將帶來不可忽視的能量和帶寬開銷。

(4) 基于中斷概率的中繼選擇。文獻(xiàn)[12]提出了中斷優(yōu)化的中繼選擇(Outage-Optimal Relay Selection,OORS)。與以前選擇策略不同的是，OORS利用了目的節(jié)點(diǎn)的反饋信息去選擇中繼，而以前的策略大部分都是由源節(jié)點(diǎn)來選擇中繼。文獻(xiàn)[13]又進(jìn)一步結(jié)合中繼選擇的公平性來最小化鏈路的中斷概率。

(5) 干擾感知的中繼選擇。在多跳多信息流的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，將會(huì)有多個(gè)源-目的節(jié)點(diǎn)對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這勢(shì)必會(huì)帶來流間或流內(nèi)的干擾問題，從而對(duì)系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重的影響。而中繼節(jié)點(diǎn)的引入又進(jìn)一步擴(kuò)大了干擾距離，為此，在多跳環(huán)境中選擇中繼節(jié)點(diǎn)需要考慮到干擾問題。文獻(xiàn)[14]較早地通過理論和實(shí)驗(yàn)分析指出了干擾對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響，并給出了信道分配方法以降低干擾的影響，但并沒有具體分析中繼選擇問題。之后，文獻(xiàn)[15-17]分別提出了干擾感知的中繼選擇策略。

據(jù)此，目前對(duì)多信息流環(huán)境下的中繼選擇策略的研究還顯得較少。盡管文獻(xiàn)[15-17]考慮了多信息流環(huán)境，但文獻(xiàn)[15-16]僅考慮了兩跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)，而沒有考慮虛擬MIMO的協(xié)作分集作用；文獻(xiàn)[17]雖然考慮協(xié)作分集，但僅考慮了目的節(jié)點(diǎn)受干擾的情況。在多信息流環(huán)境下，干擾將受到功率控制與協(xié)作開銷等因素的影響，為此，如何聯(lián)合這些因素進(jìn)行優(yōu)化控制，以設(shè)計(jì)出干擾感知的中繼選擇將面臨重要的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，可以考慮將E-CARGO模型[18]引入其中，以解決中繼選擇時(shí)所考慮的全局優(yōu)化問題。此外，雙向中繼結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以較好地提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，雙向中繼選擇策略當(dāng)前已受到關(guān)注[19-21]。為此，多信息流環(huán)境下雙向中繼選擇策略也是研究的一個(gè)重要內(nèi)容。最后，需要指出的是，目前的中繼選擇都是假設(shè)源節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包就要進(jìn)行一次中繼選擇(稱之為基于包級(jí)的中繼選擇)，而在多信息流環(huán)境下，源節(jié)點(diǎn)要連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包。很顯然，基于包級(jí)的中繼選擇必然造成較大的資源浪費(fèi)，為此需要設(shè)計(jì)出基于流級(jí)的中繼選擇策略，以提高資源使用效率。

1.2 協(xié)作中繼傳輸自適應(yīng)策略相關(guān)研究

在協(xié)作中繼通信場(chǎng)景中，中繼節(jié)點(diǎn)何時(shí)協(xié)助源節(jié)點(diǎn)中繼傳輸，即選擇恰當(dāng)?shù)膮f(xié)作中繼時(shí)機(jī)，并以何種中繼處理方式協(xié)助源節(jié)點(diǎn)中繼傳輸，即選擇恰當(dāng)?shù)闹欣^處理方式，這兩個(gè)問題是協(xié)作中繼傳輸自適應(yīng)要解決的基本問題。

由于無線信道的隨機(jī)衰落特性，中繼節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)提供的中繼信道并非總是好的，而同時(shí)存在的一些實(shí)際問題，例如半雙工傳輸，又會(huì)使協(xié)作中繼通信的系統(tǒng)資源利用率下降。因此，如果協(xié)作中繼時(shí)機(jī)選擇不當(dāng)，反而致使系統(tǒng)性能比源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)直傳的情況更差。另一方面，在直傳己經(jīng)可以完成通信任務(wù)的情況下，協(xié)作中繼傳輸也反而會(huì)造成系統(tǒng)自由度利用率的下降?？梢?，協(xié)作中繼時(shí)機(jī)的選擇是很重要的。文獻(xiàn)[4]最先研究了協(xié)作中繼選擇時(shí)機(jī)的問題，并提出了選擇式中繼和增量式中繼的概念。除此，如果中繼節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)支持多種中繼處理方式，則在進(jìn)行協(xié)作中繼傳輸時(shí)就可以選擇一種最優(yōu)的中繼處理方式。于是，文獻(xiàn)[22]對(duì)DF與AF兩種中繼處理方式進(jìn)行了討論與分析。

目前，針對(duì)協(xié)作中繼傳輸自適應(yīng)策略的深入研究還較少。特別是多信息流環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)在中繼傳輸時(shí)，往往還要處理來自本身的數(shù)據(jù)傳輸。為此，節(jié)點(diǎn)還需要根據(jù)自身的狀態(tài)(包括隊(duì)列時(shí)延、數(shù)據(jù)包到達(dá)率、流的優(yōu)先級(jí)、節(jié)點(diǎn)的剩余能量以及節(jié)點(diǎn)的處理能力等狀態(tài))來確定是否協(xié)作，并且要使協(xié)作代價(jià)最小化。與此同時(shí)，協(xié)作中繼傳輸自適應(yīng)策略往往與協(xié)作中繼選擇策略一起研究，因?yàn)橹欣^選擇一般是由源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的操作，而中繼傳輸自適應(yīng)往往是由中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)出的操作，只有實(shí)現(xiàn)這兩者的統(tǒng)一才能成功完成中繼傳輸?shù)娜蝿?wù)。

1.3 協(xié)作路由策略相關(guān)研究

協(xié)作路由策略就是將協(xié)作分集在物理層所表現(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)引入到網(wǎng)絡(luò)層中以提高網(wǎng)絡(luò)性能和資源利用率的一種跨層路由策略。在多跳的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通過優(yōu)化路由策略可以達(dá)到提高系統(tǒng)吞吐量、降低端到端時(shí)延以及延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命的目的。 因此，如何設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的路由策略以及對(duì)多跳路徑的高效管理一直是眾多學(xué)者所研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。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)作路由策略的設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(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)等問題)，這些問題將是今后所研究的重要內(nèi)容。

目前，協(xié)作路由策略的設(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)作路由策略。

1.3.1 單源單目的協(xié)作路由

這類路由策略研究得較多，但這些路由策略沒有明確考慮多信息流環(huán)境。例如：文獻(xiàn)[23-24]通過優(yōu)化傳輸距離和協(xié)作中繼數(shù)量來達(dá)到最小化能量的目的。在協(xié)作網(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)的能量被過度使用，最終將縮短網(wǎng)絡(luò)的生命周期。為此，文獻(xiàn)[25]提出了公平地使用節(jié)點(diǎn)能量的協(xié)作路由策略，以達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。然而，文獻(xiàn)[23-25]提出的路由策略有一個(gè)共同的特點(diǎn)：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)上通過選擇最佳中繼或者多個(gè)中繼來建立一條協(xié)作路徑。顯然，這些策略并沒有充分利用協(xié)作分集的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樽顑?yōu)協(xié)作路由可能完全不等于最短路徑路由。如圖1所示(圖1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。為了克服以上這些節(jié)能路由策略缺陷，文獻(xiàn)[26]提出了以節(jié)省能量為目的的協(xié)作分集路由策略。除了以節(jié)省能量為路由設(shè)計(jì)的目標(biāo)之外，文獻(xiàn)[27-28]也分別考慮以吞吐量、時(shí)延作為路由設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

圖1 一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)作路徑Fig.1 A simple cooperative routing

1.3.2 多源多目的協(xié)作路由

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)多信息流共存時(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)路由策略，該策略首先構(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)作路由策略以研究系統(tǒng)的吞吐量和時(shí)延性能。以上兩個(gè)路由策略雖然考慮了沖突對(duì)性能的影響，但并沒有聯(lián)合物理層的干擾模型來加以分析，也沒有考慮協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)量選擇問題。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)化問題，指出該優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，并進(jìn)一步給出了解決該線性規(guī)劃問題的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，并沒有給出路由策略的具體實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[32]進(jìn)一步指出在基于協(xié)作MISO鏈路的多信息流環(huán)境下，分集增益所帶來的網(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。以上提到的路由策略(協(xié)議)沒有考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)問題，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)。然而該路由策略只考慮了網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)作，而忽略了物理層的協(xié)作分集。最近，文獻(xiàn)[35-36]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)議沒有聯(lián)合MAC層進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

圖2 多信息流干擾Fig.2 Interference between multiple flows

由以上綜述可以看出，當(dāng)前對(duì)多信息流環(huán)境下的協(xié)作路由策略的研究還并不多見，還需要解決以下問題：一是為了將協(xié)作分集的優(yōu)勢(shì)引入到網(wǎng)絡(luò)層，如何在層之間進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)，并聯(lián)合物理層、媒體接入控制(MAC)層以及網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)路由策略；二是為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命以及最大化空間復(fù)用增益，如何聯(lián)合應(yīng)用層的QoS要求、能耗以及干擾進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)路由策略。目前，已在這一方面做出了一定的努力，文獻(xiàn)[37]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。

2 進(jìn)一步的研究

盡管目前在這一領(lǐng)域已有不少的研究的成果，但通過以上分析和總結(jié)可知，在多信息流環(huán)境下分布式最佳中繼選擇策略、基于節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的中繼傳輸自適應(yīng)策略以及跨層協(xié)作路由策略3個(gè)方面仍然有值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容。這3個(gè)方面并不是獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)較為系統(tǒng)的、高效的無線資源優(yōu)化體系(如圖3所示)。

圖3 研究?jī)?nèi)容之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between research contents

2.1 多信息流環(huán)境下分布式最佳中繼選擇策略

中繼節(jié)點(diǎn)是協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的重要資源，對(duì)系統(tǒng)性能會(huì)產(chǎn)生重要影響。該項(xiàng)研究?jī)?nèi)容需要解決以下3個(gè)主要問題。

(1) 如何設(shè)計(jì)出選擇中繼時(shí)的判據(jù)。在多信息流環(huán)境下，為了有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，設(shè)計(jì)該判據(jù)需要考慮協(xié)作開銷、節(jié)點(diǎn)能量以及信號(hào)干擾3個(gè)要素。

一是協(xié)作開銷。協(xié)作傳輸時(shí)，不可避免地需要產(chǎn)生一些控制信息以協(xié)調(diào)源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)以及相應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)之間的動(dòng)作，而這些控制信息將會(huì)消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬與節(jié)點(diǎn)能量、增加網(wǎng)絡(luò)時(shí)延以及加劇對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。為此，有效地控制協(xié)作開銷將能很好地提高協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的性能。而要做到這一點(diǎn)，則需要聯(lián)合考慮協(xié)作方式、控制幀結(jié)構(gòu)與大小、控制幀傳輸時(shí)機(jī)以及節(jié)點(diǎn)處理方式等因素。

二是節(jié)點(diǎn)能量。在協(xié)作通信中，總能量消耗等于源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及目的3個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的能量之和(而在不使用協(xié)作傳輸時(shí)，總能量消耗則只有源和目的節(jié)點(diǎn)消耗的能量組成)，因此，為了達(dá)到節(jié)省能量的目的，需要聯(lián)合考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗模型(每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的能量則主要由傳輸、接收、監(jiān)聽以及數(shù)據(jù)重傳等環(huán)節(jié)消耗的能量組成，需要結(jié)合具體的協(xié)議準(zhǔn)確建模)、數(shù)據(jù)傳輸速率(和上層應(yīng)用的QoS要求有關(guān))、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x等主要因素進(jìn)行功率控制，因?yàn)檫@些因素對(duì)能量消耗都產(chǎn)生重要影響。另外，為了延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命，還需要將能量消耗和節(jié)點(diǎn)的剩余能量聯(lián)合進(jìn)行考慮。

三是信號(hào)干擾。多信息流環(huán)境下，信號(hào)干擾是造成系統(tǒng)性能下降的一個(gè)重要原因，而中繼節(jié)點(diǎn)的引入又?jǐn)U大了干擾距離，降低了空間復(fù)用增益。如圖4(b)所示，擴(kuò)大后的干擾距離使得中繼節(jié)點(diǎn)R的傳輸干擾了其鄰居節(jié)點(diǎn)N接收數(shù)據(jù)(而在不運(yùn)用協(xié)作中繼時(shí)，這種情況可能不存在)。在多信息流環(huán)境下，信號(hào)干擾很難消除，為此，需要研究以下兩個(gè)方面來減少干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響：一方面需要聯(lián)合功率控制與協(xié)議設(shè)計(jì)縮小中繼節(jié)點(diǎn)的干擾距離；另一方面需要設(shè)計(jì)干擾指示因子，以選擇一個(gè)合適的中繼節(jié)點(diǎn)(例如，在圖4中，如果選擇節(jié)點(diǎn)C作為中繼節(jié)點(diǎn)，將不會(huì)干擾節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù))。

圖4 干擾距離Fig.4 Interference distance

這三要素均與QoS性能有著密切聯(lián)系，為此，在保證上層應(yīng)用QoS要求下，需要研究這三者之間的關(guān)系，找到一種方法，考慮聯(lián)合這三因素設(shè)計(jì)出判據(jù)，以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化，并對(duì)此進(jìn)行理論分析與驗(yàn)證。與此同時(shí)，可以深入研究協(xié)作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的E-CARGO模型，定義出模型中的角色以及角色分配與評(píng)價(jià)方法，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的全局優(yōu)化。

(2) 如何選出最佳中繼節(jié)點(diǎn)。依據(jù)選擇判據(jù)，可以有多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)滿足條件，形成了候選中繼集合?，F(xiàn)在的問題，就是要在這些候選節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，并以分布式的形成選出一個(gè)最佳中繼節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前普遍的做法一個(gè)是基于忙音的選擇，另一個(gè)是基于計(jì)數(shù)器的選擇。基于忙音的選擇將造成較大的時(shí)延，而基于計(jì)數(shù)器的選擇將產(chǎn)生沖突。這就需要找到一種新的方法，在選擇最佳中繼時(shí)實(shí)現(xiàn)高時(shí)間效率與低沖突概率這兩者間的權(quán)衡問題。另外，在多信息流環(huán)境下，中繼節(jié)點(diǎn)也可能會(huì)被其鄰居節(jié)點(diǎn)所干擾(如圖4(b)中，N節(jié)點(diǎn)的傳輸將使中繼節(jié)點(diǎn)R監(jiān)聽到信道忙)，則這時(shí)如何保證能選擇到一個(gè)最佳中繼，也需要加以研究。

(3) 如何減少選擇頻度。在多信息流環(huán)境下，源節(jié)點(diǎn)需要傳輸一個(gè)信息流所包含的所有數(shù)據(jù)包，而不是僅傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包。因此，目前研究的基于包級(jí)的中繼選擇策略(源節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包就選擇一次)必然會(huì)造成較大的資源浪費(fèi)，因而有必要提出一種基于流級(jí)的中繼選擇策略(一個(gè)數(shù)據(jù)流選擇一次或者幾次，但這個(gè)次數(shù)小于流中所包含的數(shù)據(jù)包的數(shù)量)，以減少選擇頻道，達(dá)到降低系統(tǒng)開銷的目的。設(shè)計(jì)基于流級(jí)的中繼選擇策略需要考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)與信道的時(shí)變特性，需要研究移動(dòng)預(yù)測(cè)與信道預(yù)測(cè)等技術(shù)。

2.2 多信息流環(huán)境下基于節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的中繼傳輸自適應(yīng)策略

多信息流環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)在中繼傳輸時(shí)，往往還要處理來自本身的數(shù)據(jù)傳輸，因而節(jié)點(diǎn)可能會(huì)根據(jù)自身的狀態(tài)來確定是否協(xié)作。為此，需要設(shè)計(jì)協(xié)作模型，依據(jù)該模型節(jié)點(diǎn)可以自適應(yīng)進(jìn)行中繼傳輸，以最小化協(xié)作代價(jià)，從而能讓節(jié)點(diǎn)積極地參與協(xié)作。特別是在商業(yè)運(yùn)行模式中，節(jié)點(diǎn)協(xié)作的一個(gè)重要前提就是能花費(fèi)較小的代價(jià)而獲取較多的利益。為了設(shè)計(jì)出這個(gè)協(xié)作模型，需要考慮包括信道條件、隊(duì)列時(shí)延、數(shù)據(jù)包到達(dá)率、流的優(yōu)先級(jí)、節(jié)點(diǎn)的剩余能量以及節(jié)點(diǎn)的處理能力等狀態(tài)信息，如何對(duì)這些因素進(jìn)行控制與協(xié)調(diào)，并將這些因素納入到模型中去，是一個(gè)不小的難題，需要進(jìn)行深入的研究。

2.3 多信息流環(huán)境下跨層協(xié)作路由策略

跨層協(xié)作路由策略可以分為兩種類型：基于非協(xié)作路徑的協(xié)作路由和基于協(xié)作路徑的協(xié)作路由。前一種路由策略首先依靠傳統(tǒng)路由策略發(fā)現(xiàn)一條非協(xié)作的最短路徑，然后在這條最短路徑的每一跳上通過選擇最佳中繼來建立一條協(xié)作路徑。很顯然，這種路由并沒有充分利用物理層協(xié)作分集優(yōu)勢(shì)。對(duì)于這種路由策略，其核心是中繼選擇策略，可以與傳統(tǒng)路由策略相結(jié)合而設(shè)計(jì)出此類協(xié)作路由策略。故此，該項(xiàng)研究?jī)?nèi)容將主要面向第二類協(xié)作路由策略。

在目前的研究中，大多數(shù)路由策略都是將能量與QoS性能兩個(gè)目標(biāo)分別加以優(yōu)化(以節(jié)能路由協(xié)議居多)，而沒有進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。通過分析，研究?jī)?nèi)容需要解決以下3個(gè)問題。

(1) 節(jié)能與吞吐量等QoS性能之間的聯(lián)合優(yōu)化問題。單純的節(jié)能路由策略往往會(huì)影響端到端的吞吐量等QoS性能。例如，以較低功率傳輸雖然可以節(jié)省能量，但降低了數(shù)據(jù)的成功接受概率，從而降低了端到端吞吐量。而以較高功率傳輸數(shù)據(jù)可以提高接收成功概率，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)作路由策略時(shí)，需要考慮到能量和吞吐量等QoS性能之間的權(quán)衡與聯(lián)合優(yōu)化問題。

(2) 延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命問題。網(wǎng)絡(luò)壽命對(duì)吞吐量、時(shí)延以及網(wǎng)絡(luò)連接性等方面具有重要的影響，與路由協(xié)議有著密切的關(guān)聯(lián)。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)的能量被過度使用而消亡，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。此外，還有一個(gè)需要考慮的重要問題，那就是網(wǎng)絡(luò)壽命的定義問題。目前，對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命的定義基本可以分為基于存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量、基于網(wǎng)絡(luò)連接性和基于興趣區(qū)域覆蓋這幾種方法，但較少有結(jié)合上層QoS要求來定義網(wǎng)絡(luò)壽命。但QoS性能會(huì)受到多方面因素的影響，包括傳輸速率、節(jié)點(diǎn)沖突、路由、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，這給該定義帶來了難度，需要致力解決。

(3) 下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇問題。下一跳節(jié)點(diǎn)選擇是路由策略中的基本問題?？紤]到協(xié)作分集，選擇下一跳節(jié)點(diǎn)不能簡(jiǎn)單地依據(jù)最短路徑，而需要考慮協(xié)作中繼情況，即是否有中繼存在，能否進(jìn)行協(xié)作等因素。為此，需要在層之間進(jìn)行協(xié)調(diào)并聯(lián)合中繼選擇、MAC層以及路由層進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，以便在選擇下一跳的同時(shí)確定最佳中繼。此外，考慮到源節(jié)點(diǎn)要連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包，為了避免多次確定下一跳節(jié)點(diǎn)所帶來的開銷，在選擇下一跳時(shí)還需要考慮信道、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)等關(guān)鍵因素。

3 關(guān)鍵問題

為了更好地對(duì)以上3個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行深入研究，在此凝練出3個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題，以供讀者參考。

3.1 關(guān)鍵問題之一：中繼選擇判據(jù)問題

協(xié)作開銷、節(jié)點(diǎn)能量以及信號(hào)干擾是設(shè)計(jì)選擇判據(jù)時(shí)所依據(jù)的3個(gè)主要因素，以上3個(gè)因素并不是孤立的，而是相互聯(lián)系的：通過開銷的控制可以達(dá)到降低能量消耗的目的，通過功率控制又可以對(duì)信號(hào)干擾強(qiáng)度和干擾距離產(chǎn)生影響，而功率控制與干擾控制的結(jié)果又影響協(xié)議設(shè)計(jì)與協(xié)作開銷。因此，需要聯(lián)合這三要素進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以設(shè)計(jì)出選擇判據(jù)。具體地，需要建立正確的能量消耗模型和干擾模型；正確分析協(xié)作開銷與能量消耗之間的關(guān)系以及功率控制與信號(hào)干擾之間的關(guān)系。需要解決如何建立正確的干擾指示因子的問題；需要解決QoS約束下如何建立準(zhǔn)確的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的問題；需要解決E-CARGO模型中的角色分配與評(píng)價(jià)機(jī)制問題。另外，還需要考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)選擇判據(jù)的影響，需要解決節(jié)點(diǎn)移動(dòng)預(yù)測(cè)問題。

3.2 關(guān)鍵問題之二：協(xié)作模型問題

節(jié)點(diǎn)協(xié)作是協(xié)作通信得以實(shí)現(xiàn)的前提。在多信息流環(huán)境下，為了最小化協(xié)作代價(jià)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身狀態(tài)信息來自適應(yīng)進(jìn)行中繼。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息(包括隊(duì)列狀態(tài)、剩余能量、流的優(yōu)先級(jí)以及所要執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量等信息)是變化的，因而需要解決讓節(jié)點(diǎn)自身如何較為準(zhǔn)確地去測(cè)量或估算這些信息的問題，進(jìn)而需要設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法來達(dá)到這一目的并建立起一個(gè)協(xié)作模型。

3.3 關(guān)鍵問題之三：跨層設(shè)計(jì)問題

協(xié)作分集技術(shù)不僅成為了物理層上提高系統(tǒng)抗衰落能力的有效手段，而且為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的跨層設(shè)計(jì)提供了有利的底層技術(shù)支持?？鐚釉O(shè)計(jì)需要在層之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，需要解決以下主要問題。

一是物理層與MAC層跨層優(yōu)化問題。路由是由一系列的中繼節(jié)點(diǎn)和鏈路所構(gòu)成的，在傳統(tǒng)的通信方式下，這些鏈路屬于點(diǎn)到點(diǎn)鏈路型。而在協(xié)作通信環(huán)境下，這些鏈路不再是單純的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，還包含協(xié)作多輸入單輸出(MISO)和協(xié)作MIMO鏈路，需要研究這些類型鏈路的存在對(duì)端到端的QoS以及網(wǎng)絡(luò)的能量消耗問題，構(gòu)建能量與QoS性能分析模型。

二是MAC層以及路由層跨層優(yōu)化問題。考慮到MAC層能決定信道接入方式、重傳控制以及協(xié)作中繼的選擇，需要研究聯(lián)合MAC層來優(yōu)化設(shè)計(jì)一個(gè)干擾感知的跨層路由判據(jù)，進(jìn)一步跨層選擇出下一跳與中繼節(jié)點(diǎn)，以解決多信息流吞吐量的降低問題和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。此外，還要考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)路由選擇的影響問題。

以上這些關(guān)鍵問題與研究?jī)?nèi)容之間是相互銜接、密切聯(lián)系的，具體聯(lián)系如圖5所示。

圖5 研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵問題之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between research contents and key problems

4 結(jié) 論

從最佳中繼選擇策略、協(xié)作中繼傳輸自適應(yīng)策略以及跨層優(yōu)化協(xié)作路由策略3個(gè)方面，對(duì)當(dāng)前的多信息流環(huán)境下的自組織網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化策略的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述，并分析當(dāng)前研究中存在的問題，指出值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容，并進(jìn)一步給出需要解決的3個(gè)關(guān)鍵問題。

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責(zé)任編輯：羅姍姍

A Review on Resource Optimization Strategies for Multi-flow Cooperative Ad Hoc Networks

WU Qi-lin1,2, FANG Zhou2, ZHANG Zheng-jin2, HUANG Gui-lin2, CAO Qian2

(1. School of Management and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China; 2. School of Information Engineering, Chaohu University, Hefei 238000, China)

In cooperative ad hoc networks, it is necessary to optimize and distribute the wireless communication resource for improving the resource use efficiency and network performance. As for the multi-flow network scenario, this paper takes the resource optimization strategies as research contents such as distributed optimal relay selection, cooperative transmission self-adaption based on node status and cross-layer cooperative routing. Furthermore, the detailed review on present research results is conducted, and the future research contents and open key problems are pointed out.

resource optimization; multi-flow; cross-layer design; cooperative communication; ad hoc networks

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0003.009

2016-11-11；

2016-12-30. * 基金項(xiàng)目：安徽省自然科學(xué)基金(1308085MF101)；中國博士后基金(2014M561627)；安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2014A172).

吳其林(1975-)，男，安徽肥西人，副教授，博士，從事無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)與資源優(yōu)化研究.E-mail:lingqiw@126.com.

TP393

A

1672-058X(2017)03-0039-10