【摘要】随着无线技术的发展，人们对无线高速通信提出了更高的要求，文中介绍的协作通信技术作为一种利用节点间的协作传输来提高网络的通信质量的新技术，可以显著提高现有网络资源的利用率和数据速率，而有线网络设计的路由协议不能直接应用于无线网络之中，必须有相应的无线路由协议的支持才能在无线网络中实现协作通信，本文通过对现有的路由协作算法进行研究，提出下一步研究的方向和方法，使其能尽快适用于今后的无线网络发展中。
【关键词】无线网络；协作路由；协作通信；协作算法
1.引言
随着信息技术的不断发展和迅速普及，人们对移动通信的需求与日俱增，无线通信问题已经成为信息化深入发展的一个重要问题。而且随着无线终端的功能日益增强，人们对无线传输服务质量的要求也不断提高，尤其是在高速通信中对于数据传输的可靠性提出了更高的要求。因此如何提高现有网络资源的利用率和数据速率，降低网络的中断概率已成为当今无线多跳网络通信研究中的重要课题之一。
协作通信技术是近几年发展起来的一种新技术，它利用信号的广播特性，利用节点间的协作传输来提高网络的通信质量。它不仅可以扩大无线网络的连通性，提高无线通信系统的容量，而且可以降低通信的中断概率，节省数据传输的能量。协作通信技术在物理层的优势已经被充分的探索和利用，但是，它在高层设计中产生的影响还没有被很好的理解和运用。协作路由是将协作的思想应用于网络层而提出的路由选择技术，其充分利用无线传输的广播特性，以较小的代价有效地提高网络的数据递交率，减小网络时延，提高网络通信容量，降低网络能耗。无线网络具有的自组织、多跳的特点使得其路由技术更加复杂，已有的针对有线网络设计的路由协议由于周期性的交换大量的路由信息会产生大量的开销，而无线网络的带宽资源相对于有线网络来说是非常有限的，所以不能将有线网络的路由协议直接应用于无线网络之中；另外，现有的无线网络路由协议和策略如AODV、DSR等在设计时并未考虑协作传输特性。因此，要在无线网络中实现协作通信必须有相应的路由协议的支持。所以，在无线网络中进行关于协作路由的研究具有重要的理论和现实意义。
2.协作通信
协作分集，也称为协作通信，是一种利用信号的广播特性，通过使网络中只配备了单天线的用户在多用户的环境中共享它们的物理资源进行协作通信，形成虚拟的多天线阵列来实现发射或接收分集，即参与协作通信的设备之间可以相互转发信息，使得同一信息能够通过不同的独立的路径到达接收端，从而获得一定的空间分集增益的新型无线通信技术[1，2]。
协作通信的思想最早来源于中继通信，但是却不同于传统的中继通信。首先，在中继通信中，中继节点的作用是形成主信道，本身并没有信息要传送，是单纯作为中继而存在的；而协作通信的通信机制则较为复杂，每个用户既可以作为信源发送自己的信息，又可协助其合作伙伴转发信息。本质上的区别在于传统的中继通信没有分集的功能，而通过协作通信可以使单天线用户也获得分集增益，这是因为由于网络中各个用户位置不同，他们之间形成的通信信道相互独立，发射端发射的多个信号副本通过相互独立的信道到达接收端，于是便可产生分集增益。文献[3]的研究结果表明，协作通信技术可以提供全部的空间分集增益的效果，即n个参与协作通信的节点所提供的空问分集增益相当于信源节点具有n个独立的发射天线所提供的空问分集增益的效果。
协作通信协议一般可以分为同定协作模式和自适应协作模式两种。
固定协作模式[3]一般可以分为放大转发协作模式（Amplify and Forward）、解码转发协作模式（Decode and Forward）和编码协作模式（Coded Cooperation）三种方式。
自适应协作策略主要有两种：选择中继协作和增量中继协作。
3.协作路由
根据其所要实现目标的不同主要有以下三种协作路由算法：
3.1 基于安全的协作路由算法
在无线多跳网络中，如Ad hoc网络、传感器网络和无线mesh网络，由于节点可能存在的自私或恶意行为，可能会导致网络通信的中断，网络会受到来自网络内部或外部的攻击。为了对网络中的这些非法节点进行区分并且隔离，斯坦福大学Marti等人提出了“看门狗”和“选路人”算法，该算法能够避免非法节点参与路由的建立，随后协作路由开始作为一种保证网络安全的有效手段被引入到无线多跳自组织网络中[4]。
比较有代表性的有关安全的协作路由算法是Lu和Pooch[5]提出的一种基于DSR协议的协作路由算法CSER（Cooperative Security Enforcement Routing），该算法通过为节点设立不同的信任度，通过邻居信任节点的检测来甄别具有恶意行为的节点；仿真结果表明，这种方法能够有效降低检测时延，减少开销，有效地定位路由中的非法节点。
文献[6]则分析了移动Ad hoc网络中由于移动性、自组织和开放性带来的各种安全问题，并且提出了在路由层次上利用临近节点间的协作来解决自私节点和恶意节点的问题是一种非常有效的方法。
3.2 基于传统路由协议的协作路由算法
人们已经提出了许多经典的针对无线自组织网络的路由算法[7]，并对它们的性能进行了分析和评估。在文献[8]中陈超等人提出了一种基于DSDV协议的Ad hoc网络中中继选择的协作路由算法，该算法利用网络中发送的路由包来获得信道的信息，通过分布式计算从候选的中继集合中选择出一个最佳中继转发数据并且在网络层通过跨层的方法自适应地调整MAC层重传次数以达到减小时延的目的。仿真结果表明，相对于DSDV协议，该算法能够有效地提高数据包的递交率并降低了网络的时延。文献[9]则采用跨层协同设计的思路对它的Hello消息机制进行了改进，将对Hello消息的控制从网络层控制改为MAC层控制，提出了一种新的路由算法：CLAODV。性能分析和仿真结果表明：与经典的AODV算法相比，CLAODV减少了开销，提高了效率，吞吐率、时延和成功率等性能都得到了综合提升。Huang等人提出了一种RRP（Robust Cooperative Routing Protoc01）协作路由协议[10]来改善由于节点的移动或其他因素引起的链路中断状况。在NS2仿真平台下，Huang对RRP算法的性能进行了仿真分析，并和经典的DSDV路由算法和AOMDV算法[11]进行了比较；仿真结果表明，在节点有不同程度的移动性的情况下，RRP的数据递交率要优于DSDV和AOMDV，DSDV最低；在端到端的延迟方面，RRP要优于AOMDV，但是略差于DSDV；随着链路差错概率的增大，RRP在数据递交率上几乎没有变化，而另外两种算法则有明显的下降，这说明RRP的健壮性比较好；RRP的时延随着链路差错概率的增加也有所增大，但是在能量消耗方面，RRP的性能依然最好。 3.3 基于能量有效的协作路由算法
协作路由的一个重要的用途就是节约节点的能量。网络节点的能量主要消耗在发送数据包的通信过程中[12]。文献[13]最早从高效节能的角度出发研究了Ad hoc网络中路由选择算法和物理层的空间分集方案，提出了沿最小能量非协作路径的协作路由算法（Cooperation Along the Minimum Energy Non-Cooperative Path，CAN）算法，并分析了线性结构和网格状网络拓扑结构情况下CAN策略的性能，给出了两种情况下CAN策略相对于非协作的常规路由性能提高的下限：对于线性网络拓扑，CAN策略相对于非协作的常规路由，性能可以提高约39%；而对于网格状拓扑结构，性能可以提高约56%。Khandani等人[14，15]利用用跨层的思想，结合物理层的通信方案和网络层的路由选择算法研究了无线网络中能量有效的问题。文献[14]中Khandani等提出了CAN-L（cooperation along the minimum energy non cooperative path）和PC-L（progressive cooperation）两种集中式的启发式算法，研究了协作路由对传输能量的节省，并仿真了在非协作路径上采用协作策略后传输能量效率的改善，这两种算法通过动态规划的机制寻找最优路由，而这种方法属于NP难问题。Li等则首先指出了协作路由的两个主要优点：一是在能量消耗上，协作路径路由的性能比非协作最短路径路由更好；二是协作路由可以缓和网络的扩展问题；该文证明了最小能量协作路径问题是NP完全问题，并提出了一个协作CSP（cooperative shortest path）算法作为次优的方案[16]。但是这两篇文献只是从路由选择的角度出发给出了初步思路，并没有给出具体的实现方案和路由协议。文献[17]中作者也从基于能量有效的角度研究了无线传感器网络中协作通信对于最大化网络寿命的影响。文献[18]则考虑了三种协作路由算法：洪泛中继路由、辅助中继路由和增强型中继路由。在文献[19]中袁渊等人在假设主路径上的节点可以知道两跳之内节点的位置信息的基础上，基于不是主路径上的节点也可能正确接收到数据包的考虑，提出了一种协作路由的分布式实现方案，通过路径请求和回应建立一条能量最小的协作路径。在数据传输的过程中，节点利用正确接收到数据信息的邻居节点进行协同发射，接收节点再和它周围能够同时成功接收的邻居节点再组成新的协作发射簇，这样可以提高整个链路的能量效率。文献[20]则提出了一种分布式的最小功率协作路由算法MPCR（Minimum Power Cooperative Routing algorithm），该算法基于最佳协作路由可能是直接传输和协作传输的联合的考虑，在建立最小功率路由的过程中充分利用了协作通信的优势，采用了直接传输和协作传输相结合的最佳协作路由。
4.实验研究
结合现有物理层协作通信技术和MAC层的协作调度机制，分析现有的经典协作路由算法和现有无线网络经典路由协议，设计出综合考虑节能、信道容量和端到端延迟等网络特性的适用于无线网络的协作路由协议。
研究方向可以从以下两个方面进行：
（1）网络层路由机制：设计合理的路由探测机制和路由探测包格式对网络状态信息进行收集，以便路由选择之用；在路由选路时考虑采用协作传输对考虑传输节能、信道容量和传输时延等网络特性的影响，选择出最佳传输路径。
（2）集中式处理和分布式处理：由于在路由探测阶段，若采取在源节点或目的节点分析信息，则探测数据包的开销会较大，所以，我们进一步分析是否能每个节点处理，而不是在源端或目的端统一处理。
目前，协作通信技术在物理层和MAC层的研究研究比较成熟，如空时编码技术等。为了把协作通信的特性在路由实现，我们必须依靠底层协作通信的技术支持。要想在路由选择时能选择出能发挥出协作通信优点的传输路径，在网络层进行路由选择的时候必须要获得一些网络关于实现协作通信所需的网络状态信息，以此来进行路由决策，以此选择出最佳传输路径。主要有以下几点：
（1）节点信息：每个节点通过一定的机制，如HELLO包、RTS包、CTS包等信息交互来使节点建立一些关于协作的信息，如两节点间进行数据传输时，使用协作传输的和直接传输所会产生的一些优势和缺的。
（2）路由探测机制：当源节点有数据包要发送时，需要一定的路由探测机制来寻找最佳传输路径，如现有的RREQ和RREP；为了实现协作路由，要对网络的状态信息进行收集，尤其是关于协作的信息，所以要修改现有的路由探测机制，实现正确收集网络状态信息。
（3）路由判据：因为在路由选择的时候要考虑协作传输特性，所以要设计一种新的路由度量，不能像传统路由选择只考虑跳数，要充分考虑节能、网络吞吐量和网络延迟等参数。
（4）路由开销：路由机制的开销不能太大，因而影响网络传输的性能。路由选择机制的复杂度不能太大，是路由性能过低。
（5）路由维护机制：如果可以，则采用现有的路由维护机制。
5.结束语
本文通过协作通信技术，设计一种合理的路由选择判据，综合考虑节能、吞吐量和网络延迟（跳数）等因素，选择出最优的传输路由。在一条路由路径上根据现实需要实现节能和提吞吐量功能，并实现路由选择的分布式自适应功能，最后再利用网络仿真软件NS2和matlab进行性能仿真分析验证。通过此方式得到的协作路由算法，可以显著的提升无线网络的传输速率和通信质量。
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作者简介：
王亮，工程师，中国移动通信集团贵州有限公司集团客户部项目经理，主要研究方向：移动网络工程建设。
胡虹，重庆邮电大学项目管理工程硕士，工程师，主要研究方向：移动网络工程建设?。
屈刚，工程师，现供职于江苏省邮电规划设计院有限责任公司，主要研究方向：移动无线通信。