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无线通信网络中的合作
摘要
无线通信网络的合作在学术上和产业上引起了巨大的关注，因为它可以有效地解决无线网络由于用户移动性和网络资源稀缺性导致性能被限制的问题。在本文中,我们将阐述这种方法的优点以及面对的挑战。我们关注三种合作场景，即通过空间分集来提高信道可靠性的合作，通过资源聚合来提高吞吐量，以及实现无缝服务提供的协作。讨论在网络协议栈的不同层出现的挑战问题，强调介质访问控制层，网络层和传输层。我们还在这一领域展示了一些未来的研究方向。
介绍
近来，合作的概念已经从社会科学和经济学中扩展到无线通信网络之中，构成无线通信网络中的主要研究领域。在无线通信网络中采用合作的想法已经在用户移动和无线电频谱中出现，这对无线通信网络的服务、容量、性能与开发上提出了挑战
一般来说，我们可以基于文学中的各种研究来分类三种合作方案。在第一种情况下，采用不同实体之间的合作，通过空间分集提高无线通信信道的可靠性。在第二种情况下，通过聚合来自合作实体的所提供的资源来改善系统吞吐量。最后，合作用于提供无缝服务。 对无线通信网络中的合作的早期研究集中于在物理层开发。然而，这种协作操作在网络协议栈的不同层引入了具有挑战性的问题。需要对网络协议栈进行一些修改以实现合作的目的。 事实上，如果没有在较高层的网络协议的适当修改，所实现的协作增益可能不显著。
在本文中，我们旨在通过回答以下问题来解决无线通信网络中的合作问题：使用合作的潜在好处是什么？什么是在支持合作的协议栈的不同层出现的挑战性问题，我们如何处理它们？什么是开放研究问题？
合作的优点
提高的信道可靠性
1减轻信道损耗：无线通信信道有很多现象会降低其可靠性。包括路径损耗，信道衰落。无线网络中的合作可以在提高信道的可靠性。这种改进的可靠性可以通过利用协作空间分集来实现。当信源和宿主之间的信道不可靠时，其他网络实体可以与源节点协作以创建虚拟天线阵列并目标转发数据。因此，通过协作实体在源节点和目标节点之间存在具有独立信道系数的不同传输路径。目标节点通过独立信道接收所发送信号的若干副本。基于该空间分集，目标可以在检测中组合从这些实体接收的数据，以提高传输精度。如图1所示用于从基站到移动终端的下行链路传输，其中源节点在协作实体的帮助下向目的地节点传送其数据分组。在本文中，协作实体是在从源到目标的直接传输信道上具有改进的信道条件的中继节点。
图1 （a）空间多样性（b）减少干扰
2减少干扰：无线通信介质的广播性质导致彼此的覆盖区域（干扰区域）中的不同节点处的干扰。这种干扰降低了接收节点处的信号与干扰加噪声比（SINR），并且因此降低了它们的检测性能。由于合作中继引入的合作，来自信源的发射功率明显减少，这大大减少了干扰区域，如图1所示。这还有助于提高通信系统的能量效率。除了减少干扰区域，合作可以解决隐藏终端问题，从而使干扰减少。
提高系统吞吐量
通过在物理层处采用协作传输，增强的无线信道可靠性可以改进的系统吞吐量。此外，合作可以通过聚合来自不同合作实体的所提供的资源来增加吞吐量。这是通过在网络层和传输层采用合作策略来实现的。在这种情况下，数据分组沿着朝向目标的多个路径传输。与前面的合作场景不同，通过不同路径发送的数据分组不是发送信号的相同副本。相反，不同的传输路径承载不同的数据分组。这具有增加源节点和目的地节点之间的总传输数据速率的效果。在这种情况下，协作实体可以是具有足够资源（例如带宽）的移动终端，基站或接入点，使得当这些资源被聚合时，可以增加从源到目的地的总传输数据速率。如图2所示，来自协作蜂窝网络和无线局域网（WLAN）的资源被聚合以为移动终端提供高数据速率。
图2 通过蜂窝网络和WLAN的协作聚合资源
降低操作成本
无线通信网络中的合作可以降低移动用户和服务提供商的操作成本。例如，通过提高能量效率来降低能量成本。通过中继节点来扩展网络覆盖区域。由于很高的安装和维护成本，这种解决方案比部署更多的基站更便宜。
协议层中面临的挑战
虽然在无线通信网络中的合作具有各种潜在的益处，但当采用这种协作操作时，出现了几个挑战性问题。需要对网络协议栈的不同层所扮演的传统角色进行修改以支持合作策略。可以采用合作通过如空间分集的不同手段来提高服务质量（QoS），以提高信道可靠性，提高资源聚合以增加系统吞吐量。在下面，我们讨论一些具有挑战性的问题，以实现这些目标和在协议栈的不同层所需进行的修改。我们集中讨论在介质访问控制（MAC），网络层和传输层的问题。
物理层面临的挑战
在文献中，对开发不同的合作策略以通过空间分集来提高无线通信信道的可靠性已经有很大的兴趣。AF,DF,解码和编码合作方法。在这些方法中，中继节点放大其接收的内容，如在AF中，完全解码，重新编码和重传源消息，如在DF中，或者如在CC中那样集成协作信令与信道编码。在文中很好地解释了这些方法，并且根据与非协作通信相比的目标数据速率和符号差错率的中断概率来研究传输性能。然而，在诸如物理层的通信操作的复杂性上实现了改进。面对这些策略的一个挑战是，为了在目的地节点的最佳解码，应该知道源节点和协作实体之间的信道系数。因此，在这些合作策略的实现中必须考虑用于交换和估计信道信息的一些技术。使用用户移动性，信道系数为时变。在这种情况下，应当提供信道系数信息以及时更新。此外，该操作在目的地节点处应增加了硬件复杂性。当目标节点解码来自不同协作实体的多个传输分组的消息时，应当将新模块添加到物理层架构。它们包括其中存储先前接收的分组的符号的样本缓冲器，以及将所存储的分组与新接收的分组合并以用于解码的组合器。如果新接收的分组不包含新的编码符号，如在具有重复编码方案的AF和DF中，样本缓冲器可以存储先前接收的符号的线性组合，而不管接收到多少副本。然而，当接收到新的编码符号时，如在CC中，样本缓冲器的存储要求随着该分组的接收拷贝的数量线性增加。
当合作是通过资源聚合来提高系统吞吐量或实现无缝服务提供时，物理层的一个问题是节点应当能够同时在多个信道上发送（接收）不同的分组。当这些信道属于不同的网络技术时，移动终端可能需要具有多个无线接口。在这种情况下，并行使用多个物理层以支持多种传输技术。利用单个无线电接口，可以采用不连续的正交频分复用（D-OFDM）作为物理层传输技术，以使源（目的地）节点能够同时在多个频率信道上发送（接收）多个分组。源节点通过将数据和零放置在适当的快速傅里叶逆变换（IFFT）二进制位中来调制其在所需信道上的数据。
MAC层面临的挑战
无线通信网络中的合作需要MAC层设计中的许多独特特征。MAC层在某些问题方面起着至关重要的作用。这些问题包括：何时使用合作，与谁合作，如何选择合作实体，以及在分布式选择合作实体的情况下，如何减少干扰并解决不同合作场景下隐藏和暴露的终端问题。
对于资源聚合和无缝服务提供，与什么时候使用合作和谁合作的问题由MAC层定义层2解决方案或网络层定义层3解决方案解决。
1何时使用合作：无线通信网络中的合作可能不是有益或者是必要的，当在吞吐量和能量效率方面的合作增益例如太小而不能补偿其成本（复杂性，信令开销等）时合作就是没有必要的。因此，至关重要的是开发仅在需要时才使用协作的自适应MAC协议。不管合作情形如何，控制消息需要在源节点，目的地节点和一组潜在合作实体之间交换，以选择合作实体并协调操作。此外还应该需要考虑开销问题。
2合作实体的最优选择：MAC层协议所起的另一个重要作用是在所有可用实体中选择最佳协作实体。在这种情况下，三个因素影响协作MAC协议的设计。合作实体的数量（单个或多个选择），用于合作实体选择（集中式与分布式）的所采用的机制，以及如何刺激最佳实体合作。
- 单实体与多实体：协作MAC协议设计应该首先处理是否将选择单个或多个实体进行协作。在单实体合作的情况下，仅选择最佳协作实体，例如在源节点和目的节点之间的有效传输速率。为了提高服务质量，多个实体可以参与合作。当涉及多个协作实体时，应当从MAC层角度考虑两个问题。首先，干扰范围将与合作实体的数目成比例地增大，并且其可以影响无线网络中的空间频率复用。其次，是需要更多的控制信令开销来选择和协调多个协作实体。这个问题可以通过合作实体的聚类来解决，以便随时管理合作开销。
- 集中式与分布式实体选择：合作实体的选择可以是集中式或分布式的。在集中选择中，中央控制器负责选择最佳协作实体。这种集中式机制通常需要在从协作实体到中央控制器的反馈消息方面的大量信令开销。当来自潜在协作实体的信道状态信息随时间改变时，开销可能是显著的。这种方法具有的优点是，中央控制器具有用于最佳选择的网络的全局视图。结果，它可以实现比分布式对等体更好的性能增益。
3激励合作实体：是否合作是一个双向的决定：而源节点和目的节点决定是否需要协作并尝试选择最佳协作实体，这些协作实体必须具有一些刺激它们参与的激励。当不同实体属于不同的用户/运营商时，他们可以选择不合作。 一个原因是节点的协作操作导致其资源消耗的增加。因此，所有节点将无条件地参与协作操作的假设是不切实际的。选择最佳协作实体的MAC协议的设计应当导致源与目标和协作实体的双赢情况。
网络层面临的挑战
虽然不同节点处的MAC层协议负责决定是否需要协作以及在所有可用节点中选择最佳协作实体，但网络层应该定义一个路由协议，以在源节点和使用所有协作实体的目的节点。当采用合作以便提高信道可靠性时，需要由网络层路由协议来解决几个挑战，如下所述。
1新链接定义:传统上，端到端路由规定了源自源节点并终止于目的地节点的中间节点传输序列。因此，该定义中的路由是一系列点对点链路。合作链路由采用协调动作以将消息递送到一组接收节点的一组发射节点组成, 因此，与传统网络中的点对点链路相比，合作链路可以被视为多终端链路, 在这种情况下，从源到目的地的路由变成一个或多个协作链路的序列。
2优化与复杂性: 在协作通信中，路由问题可以被视为一个多阶段决策过程。在每个阶段，决定是选择发送节点和接收节点集。可以在发射和接收集合之间定义链路成本。这个链路成本可以是从发射集合到接收集合的传输所需的总功率。它还可以包括发射节点的剩余能量。最优决策应最小化从源节点到目的地节点的路由的链路成本的总和。
3延迟差异: 在多径路由中，路径可以具有不同的端到端延迟，这导致在目的地的延迟抖动。这个问题通常被称为差分延迟问题使用差分延迟，数据包可以无序到达目的地。结果，从不同路径接收的分组需要被缓冲以用于重排序。在建立最优多路径路由时，应考虑目的节点的有限缓冲区大小。多路径路由算法应该仔细设计，以优化可实现的带宽和差分延迟。这个问题在中针对有线网络来解决，其中路由算法具有按照路径数量的顺序的指数复杂度。由于用户移动性，需要对具有时变链路质量和网络拓扑的无线环境进行扩展。
4多路径干扰: 当选择最佳多路径路由时，有必要选择尽可能相互独立的路径，以确保这些路径之间的最小干扰。尽管多路径路由可以聚合来自不同路径的资源，但是如果这些路径在彼此的干扰范围内，则所获得的吞吐量可能严重降级。在中提出了多个度量来计算一组路径之间的相对独立程度。可用于不相交和非相交路由的一个度量是耦合度量。两个路径之间的耦合被定义为当另一个路径中的节点正在传输时被阻止沿着其中一个路径接收数据的节点的平均数量。
运输层面临的挑战
当采用合作以通过空间分集来改善信道可靠性时，支持这种协作操作所需的大部分工作在物理层，MAC层和网络层得到处理。因此，传输层不太多地参与支持这种协作。然而，通过具有多路径路由的资源聚合来提高吞吐量的合作需要解决传输层的以下挑战。
1多归属能力: 在资源聚合中，采用多路径路由。因此，源节点和目标节点使用多个IP地址。然而，传统的传输层协议，传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）不被设计为为单个节点处理多个IP地址。TCP允许在每个端点只绑定一个网络地址。处理这个问题的一个简单方法是在端点之间使用多个TCP套接字，并使用应用程序层在路径之间执行数据包的条带化。然而，在中显示，这种方法不仅不能实现总数据速率，而且可能导致有效总数据速率低于最慢连接的数据速率。因此，通过具有多归属特征的传输层协议更好地解决这个问题。
多归属是指传输层协议在具有多个IP地址的端点之间建立通信，以及利用这些端点之间的多个路径的能力。在此上下文中，流控制传输协议（SCTP）被设计为支持这种多重导引能力。SCTP多归属将传输层连接定义为关联，并允许将该关联绑定到关联的每一端的多个IP地址。
结果，源节点能够通过不同的目的地地址与目的地节点通信。
2同时传输: 虽然SCTP标准允许多归属能力，但它不支持将数据包同时传输到多个目标地址。相反，SCTP标准定义了用于传输数据分组的主路径，而其他辅助路径仅用于丢失数据分组的重传或用作主路径的备份。因此，不能实现通过同时使用多个路径的资源聚合。提出了SCTP协议以及其他协议的若干扩展以解决当多个路径用于数据分组的同时传输时出现的挑战性问题，如下面所讨论的。
3路径分配: 对于多条路径，现在的关键问题是如何为可用数据分组分配传输路径，即如何确定用于传输每个分组的路径。该分配可以基于路径的带宽可用性。它可以使用诸如拥塞窗口和每个使用的路径的往返时间（RTT）的信息来执行。从具有足够资源的路径（其拥塞窗口被
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