联合协作中继与信道预约的分布式多址接入协议研究

Distributed wireless networks are important building blocks for 4G wireless networking architecture. Performance of Medium Access Control protocols, i.e. MAC protocols, determines the final performance of distributed wireless networks. In order to effectively solve both the problem of "the stability of a wireless communication link" and the problem of "the interference between different wireless communication links", a design idea of combining "cooperative relay" and "channel reservation" is proposed in the project, which opens up a new way of designing high performance distributed MAC protocols. Furthermore, in order to achieve the design idea, a concept, i.e. "Reserved Cooperative Link", is proposed. The basic starting point for the researches in the project is to study in depth the modeling and the effective throughput of a single reserved cooperative link, and find out ways of designing high performance distributed MAC protocols by using each single reserved cooperative link as the fundamental access unit. Researches in this project can be summurized below: studies on modeling, analysis, and performance optimization of a single reserved cooperative link; studies on distributed link scheduling schemes for multiple reserved cooperative links; and studies on the design and optimization of the framework for hybrid MAC protocols. The key scientific problem to be solved in the project is how to analyze and optimize the network throughput of a distributed wireless network consisting of multiple reserved cooperative links.

分布式无线通信网络是4G无线网络架构的重要组成部分。多址接入协议（即MAC协议）设计的好坏决定了整个分布式无线网络的性能。为了同时有效解决好MAC协议设计所面临的"链路不可靠问题"和"链路间干扰问题"，项目提出了将"协作中继"和"信道预约"有机结合在一起的思想，进而为构建高性能分布式MAC协议开辟了新的研究途径。为了实现这一MAC协议的设计思想，项目进一步提出了"预约协作链路"的概念。项目研究的基本出发点是：深入研究预约协作链路的建模分析方法及其有效通过率性能，并以此为基础研究构建以预约协作链路为基本接入单元的高性能复合型MAC协议的方法。主要研究内容包括：预约协作链路的建模分析与性能优化；分布式预约协作链路的调度策略；复合型MAC协议总体框架的设计与优化。分析由预约协作链路所组成的分布式无线网络的网络通过率，并据此提出优化网络通过率的方法，是本项目拟解决的关键科学问题。

分布式无线通信网络是无线网络发展的一个重要方向，其中，多址接入协议（Multiple Access Control， MAC）设计的好坏决定了整个分布式无线网络的性能。为了同时有效解决好MAC协议设计所面临的“链路间干扰问题”和“链路不可靠问题”，本项目提出了将信道预约机制和协作中继机制有机结合的新思想，进而为构建高性能分布式MAC协议开辟了新的研究途径。基于此，本项目展开如下研究工作：.1. 增强信道预约机制的提出与建模分析。在基本信道预约机制的基础上，引入速率自适应机制，提出增强信道预约机制的基本思想。基于空间预约范围和香农信道容量对增强信道预约机制进行建模，分析并优化其网络区域容量。.2. 基于IEEE 802.11网络的增强信道预约机制设计。为了应对未来无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）中用户和接入点高密部署情况下的高吞吐量需求，设计基于IEEE 802.11网络的增强信道预约机制，以提高网络的空间复用和网络区域容量。.3. 联合信道预约和协作中继机制的提出与建模分析。为了同时解决分布式无线网络中的“链路间干扰问题”和“链路不可靠问题”，将基于速率自适应的增强信道预约机制和协作中继机制有机结合，形成联合信道预约和协作中继机制的基本思想。基于预约协作链路对分布式无线网络进行建模，分析其网络区域容量，并通过选择最佳协作节点和最佳预约半径来优化网络区域容量。.4. 基于ALOHA的联合预约协作MAC协议设计。为了验证基于预约协作链路建模分析的正确性，以及验证联合信道预约和协作中继机制的有效性和实用性，基于经典的ALOHA协议设计相应的联合预约协作MAC协议。与仅采用信道预约机制的纯预约MAC协议、仅采用协作中继机制的纯协作MAC协议以及基本的时隙ALOHA协议对比，联合预约协作MAC协议能获得最优吞吐量性能。.5. 面向下一代WLAN的联合预约协作MAC协议设计。针对下一代WLAN中节点高密部署场景下的高吞吐量需求，改进IEEE 802.11ax标准草案中的基于TF-R（Trigger Frame For Random Access，TF-R）随机接入的上行多用户传输方法，设计面向下一代WLAN的联合预约协作MAC协议。基于时频资源块建立Markov模型，分析其网络吞吐量。.