[发明专利]一种系统能效优化的上行链路协作MAC协议

说明书

技术领域

本发明涉及在协作通信中考虑在上行链路中各支持协作的站点协作概率配置，采用一种复合式协作站点选择方式，以缓解协作站点能量过快消耗而导致系统能效过低问题，提供了一种系统能效优化的上行链路协作MAC方案。

背景技术

协作通信技术(cooperative technology)作为下一代移动通信的关键技术，通过利用系统中空闲终端的天线构建虚拟多输入多输出系统，实现空间分集增益，进而在不需要增加额外系统硬件条件的基础上提高系统吞吐量、降低数据包时延。

IEEE 802.11系列标准作为目前工业界已广泛接受的局域网行业标准，其制定的MAC协议也成为室内通信领域的事实MAC标准。因此，应用于室内的协作技术需要重点考虑基于IEEE 802.11标准支持的多速率自适应网络，才能在现有的设备中获得最大的推广利用。由于室内环境中信道的复杂性，通信链路极易由于阻挡导致通信中断，通过协作技术寻找中继支持的终端实现协作传输就成为一种增强链路稳定性的良好机制。

在协作无线网络中，为了获取最佳的协作效果以实现最大的空间分集增益，信源通常选择那些与自身信道条件及与信宿信道条件综合最佳的协作支持站点，即具有最大协作效率的终端作为候选协作站点集的元素。从而，信源终端是否能够采用协作传输依赖于是否存在非空的候选协作站点集。由于上行链路中协作支持站点除自身数据传输外，还需要承担来自对应协作信源数据的转发，因此，在具有接入公平性保证系统中的协作站点，由于过快的能量消耗而极易导致成为整体系统生存周期的瓶颈。解决或缓解此瓶颈问题就需要对原有的协作MAC进行重新设计，从各协作站点的角度进行协作参与的再判断。

系统能效常被用作系统性能的典型评价指标，特别是在能量受限的无线通信环境中。通常，系统能效被定义为系统平均单位比特数据传输的能耗(单位：比特/焦耳)，协作通信已被证明在增强系统容量的基础上可实现该定义下的能效优化。但是，由于移动设备往往都是配置便携式式电源，即都是能量受限的。如前所述，由于支持协作的站点容易成为整体系统生存的瓶颈，所以对于能量受限系统中单纯以实际消耗能量为参考的能效度量意义不大，需要进一步考虑系统的生存周期。因此，在本发明中以实际系统总体提供能量为参考，重新定义系统能效为：

本发明以此系统能效为指标，将最大化系统能效转化为最小化耗能最大终端能耗为目标，对各协作站点的协作概率进行合理规划，进而获得既定场景下的最大系统能效。

发明内容

本发明的目的在于针对协作MAC中协作站点支持终端由于协作传输引起的能量过快消耗而引起的系统能效降低问题，提供一种新的复合式协作站点选择方式来平衡信源终端与协作站点之间的能量消耗速度，提高系统能效。

为了考虑由正被使用的物理层支配的收发机收发切换时延及系统处理时延，采用SIFS实现各数据帧的帧间间隔，并在单次发送结束后采用DIFS确认信道空闲状态。此外，所有其它非参与传输的终端根据所接收的控制帧(即RTS和CTS)中所包含的“持续时长”字段更新网络分配矢量(NAV)，使之进入睡眠阶段、推迟信道的竞争，以降低能量消耗。

为了能在现有的IEEE 802.11局域网络中进行协作通信，除IEEE802.11定义的RTS控制帧外，信源维持一种修改的RTS帧用以尝试与协作站点实现数据包的协作传输，该RTS帧在IEEE 802.11RTS帧基础上加入了协作站点地址、信源与协作站点速率、信源与信宿速率及候选协作站点数量四个信息。

为了优化协作概率配置以提升系统能效，在本发明的技术方案中，首先针对任意特定场景下所有信源及对应的候选协作站点集，建立能耗模型用以分析系统中任意单个终端的行为，得到终端在连续两次成功传输间能耗的解析表达式；然后，采用最优化理论建立基于系统能效最大化的线性规划，从而得到任意信源各候选协作站点的协作概率优化配置。

本发明提出的能效优化的协作MAC协议由三种机制构成：

(1)协作信息搜集机制

各终端在系统网络初始化阶段采用基于RTS/CTS两次握手的直传模式进行信道的竞争接入。为了使各信源终端及支持协作的站点获取周围终端与信宿(接入点)的速率信息，进而确定协作状况，RTS帧结构包括了对应发送信源与信宿的当前最大速率信息。同时，各信源终端独立维持一个协作表，记录周围所有支持协作站点终端的实时链路信息。

(2)协作概率配置机制

定义终端的“协作效率”为