● 摘要
协作通信技术不仅为物理层提供了有效的系统抗衰落手段，同时也为多速率无线网络的跨层设计提供了有力的底层技术支撑。作为提供多节点无线信道资源共享服务的基础协议层，MAC层对实际短距离无线网络起着重大的作用和影响。因此，基于协作的MAC技术研究已经引起了学术界的广泛关注。本文以短距离多速率无线网络为背景，围绕协作MAC的性能分析与优化设计展开研究，主要研究成果可归纳如下：1.构建了一种基于信道依赖的IEEE 802.11 DCF碰撞概率分析模型。首先通过“post-DIFS”效应分析，揭示了IEEE 802.11 DCF中节点碰撞冲突对发送前信道状依赖的特性。其次，考虑节点退避过程的两个阶段，结合不同离散时间尺度和信道状态类型的定义，建立了基于信道依赖的双层马尔科夫模型。从而，通过各层模型稳态概率求解，导出了IEEE 802.11 DCF节点碰撞概率的闭式解。仿真分析表明，该模型能够更为精确地估计节点碰撞概率。2.提出了一种多速率网络的CoopMAC通用性能分析方法。考虑节点随机分布的多速率网络场景，首先结合几何概率理论给出了区域协作概率的表达式。然后，通过信道状态概率分析，导出了CoopMAC饱和吞吐量的闭式解。同时，经过分析重传限制下节点的丢包率，利用Little定理导出了CoopMAC平均接入时延的闭式解。仿真分析表明，该分析方法扩大了已有分析模型的适用范围、提高了结果的估计精度。3.设计了一种基于系统效用最大化的协作MAC框架。针对能量受限的多速率系统，首先分析了协作模式下系统吞吐量和生存周期的关系。然后，采用节点协作概率向量作为自变量，引入效用函数定义节点在系统生存周期内的有效数据传输。通过协作概率配置调节高速率节点能量使用的分配，将系统效用最大化的协作MAC设计建模为一个最优化问题。从而，通过线性规划求解，获得最佳协作概率矩阵。多种拓扑结构下仿真分析表明，该协议能够通过配置节点间的协作概率有效提高多速率网络的系统效用。通过以上MAC层协作技术的研究，本文对多速率网络下的协作MAC协议的开发与应用提供了一定的理论支持和推动作用。