謝 鯤，王 玲

湖南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082

1 引言

協(xié)作通信技術(shù)利用單天線移動(dòng)終端之間的相互協(xié)作，共享彼此的天線，形成虛擬的MIMO系統(tǒng)，從而獲得空間分集效應(yīng)。因其能夠抵抗無(wú)線信道衰落，提升系統(tǒng)性能，成為近年來(lái)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

現(xiàn)有的協(xié)作通信研究主要可以分為兩類：一類是在單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作通信，主要研究在兩個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)之間如何選擇一個(gè)或者多個(gè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行資源的最優(yōu)分配以獲得最大性能。如文獻(xiàn)[1-3]研究了單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇和功率分配問(wèn)題。另一類是在多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作通信，研究多跳網(wǎng)絡(luò)中如何尋找協(xié)作路由來(lái)增加傳輸可靠性[4-5]，以及如何聯(lián)合協(xié)作路由和協(xié)作中繼選擇提高網(wǎng)絡(luò)傳輸容量等[6]。

在多接口無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，可以為每一個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)配備多接口。現(xiàn)有的研究表明，相比于單接口網(wǎng)絡(luò)，多接口網(wǎng)絡(luò)可以提高傳輸性能和可靠性。然而，現(xiàn)有針對(duì)多接口無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作通信研究還十分有限，僅文獻(xiàn)[7]考慮了多接口網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下協(xié)作傳輸問(wèn)題。但是，文獻(xiàn)[7]是在給定路由的情況下再進(jìn)行接口的分配，無(wú)法動(dòng)態(tài)為業(yè)務(wù)流進(jìn)行路由選擇，并不能為多條數(shù)據(jù)流提供最優(yōu)的性能。

多接口協(xié)作網(wǎng)絡(luò)可以為網(wǎng)絡(luò)通信提供更多的資源，使得節(jié)點(diǎn)在發(fā)送的過(guò)程中能夠有更大的空間來(lái)選擇下一跳流量轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)。而且，在多接口協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的多個(gè)接口既可以服務(wù)某些數(shù)據(jù)流的直接傳輸，又可以為另外一些數(shù)據(jù)流提供協(xié)作通信服務(wù)。如何在多個(gè)數(shù)據(jù)流存在的情況下，合理地在多個(gè)數(shù)據(jù)流中進(jìn)行接口分配，聯(lián)合考慮路由和中繼節(jié)點(diǎn)選擇來(lái)最大化網(wǎng)絡(luò)性能，成為多跳多接口協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

為解決該問(wèn)題，本文首先分析在新的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下聯(lián)合路由選擇和中繼分配的問(wèn)題模型。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景建立各個(gè)約束條件，將本文中最大化最小數(shù)據(jù)流速率的路由選擇和中繼分配問(wèn)題建模為一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題。然后，提出分支定界（branch and bound）的聯(lián)合路由選擇和中繼分配算法，該算法利用分支定界的思想將原問(wèn)題分解為多個(gè)子問(wèn)題來(lái)獲得最優(yōu)解。在具體實(shí)現(xiàn)中，將解空間用上下界來(lái)逼近，在算法迭代過(guò)程中更新上下界，當(dāng)上下界之差小于某個(gè)給定的小數(shù)值時(shí)，當(dāng)前的整數(shù)解集則為最優(yōu)解，該最優(yōu)解對(duì)應(yīng)了最優(yōu)的路由和中繼節(jié)點(diǎn)分配情況。

2 網(wǎng)絡(luò)模型與問(wèn)題描述

2.1 三個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作通信模型

協(xié)作通信技術(shù)是適合于單天線用戶的空間分集技術(shù)，它利用無(wú)線信道的廣播特性，允許單天線終端設(shè)備在多用戶環(huán)境中共享它們的物理資源來(lái)進(jìn)行通信，形成虛擬天線陣列。

參與協(xié)作通信的設(shè)備可相互轉(zhuǎn)發(fā)信息，同一信息的多個(gè)復(fù)本能夠通過(guò)相互獨(dú)立的無(wú)線信道到達(dá)接收端。圖1給出了協(xié)作通信的三節(jié)點(diǎn)通信模型，這里s是源節(jié)點(diǎn)，d是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，r是協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)。圖1中的信源節(jié)點(diǎn)s和協(xié)作中繼r形成相互獨(dú)立的通信信道，這樣信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的多個(gè)信號(hào)復(fù)本通過(guò)相互獨(dú)立的信道到達(dá)接收端，便可產(chǎn)生分集增益。相比于傳統(tǒng)的直接傳輸，協(xié)作通信可達(dá)到更高的吞吐量、更低的誤碼率并消耗更少的能量[8-9]。盡管三節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信模型很簡(jiǎn)單，但是協(xié)作通信的具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制卻并不是唯一的。在文獻(xiàn)[10]中，使用一種時(shí)隙模型來(lái)傳輸。然而由于正交信道模型比時(shí)隙模型更容易分析和處理，并很容易轉(zhuǎn)為使用頻率分集、時(shí)間分集或者碼域分集，所以正交信道的使用已經(jīng)在協(xié)作通信中被廣泛接受[1，4，11-13]。類似于文獻(xiàn)[6]的協(xié)作通信協(xié)議，本文也采用正交信道來(lái)研究協(xié)作通信。在多跳多接口網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用單獨(dú)的信道，并能夠在不同信道中同時(shí)無(wú)自干擾地傳輸和發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1 三節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信模型

在協(xié)作傳輸模型中，根據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)處理信號(hào)機(jī)制的不同，有兩種常用的通信模式：放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)。本文采取放大轉(zhuǎn)發(fā)模式，下面給出在放大轉(zhuǎn)發(fā)模式下源節(jié)點(diǎn)s和目的節(jié)點(diǎn)d之間可達(dá)速率計(jì)算公式。

如圖1所示，中繼節(jié)點(diǎn)r接收、放大并轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自于源節(jié)點(diǎn)s的信號(hào)到目的節(jié)點(diǎn)d。hsd、hsr、hrd分別表示s和d，s和r，r和d之間的路徑損耗、陰影和衰落等影響。zd和zr分表表示在節(jié)點(diǎn)d和r上的零均值，且方差分別為、。為了簡(jiǎn)便，假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的背景噪聲在不同的信道上都有相同的隨機(jī)特性。Ps和Pr分別表示在節(jié)點(diǎn)s和r處的傳輸功率。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，放大轉(zhuǎn)發(fā)模式下，在s和d之間由r作為協(xié)作中繼的情況下可達(dá)到的速率為：

如果源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用直接傳輸方式，即源節(jié)點(diǎn)s直接發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)d，則可達(dá)速率為：

CD(s，d)=wlb(1+SNRsd)

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和定義

本文考慮存在多條數(shù)據(jù)流的多跳多接口協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備兩個(gè)網(wǎng)卡，每個(gè)網(wǎng)卡使用單獨(dú)的信道收發(fā)信息，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)為兩條流服務(wù)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景說(shuō)明圖

網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，記為集合N；網(wǎng)絡(luò)中J條流，記為集合F={f1，f2，…，fJ}。那么節(jié)點(diǎn)集合N包含三部分：（1）J個(gè)源節(jié)點(diǎn)，記為集合Ns={s1，s2，…，sJ}；（2）J個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，記為集合Nd={d1，d2，…，dJ}；（3）L個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，記為集合Nr={r1，r2，…，rL}。因此有n=J+J+L=2J+L。

根據(jù)中間節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)流傳輸中的作用，可以分為兩類。一類是多跳傳輸中繼（Multi-hop Relay，MR），與傳統(tǒng)路由中多跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)功能相同，本文中的MR傳輸中繼作為多跳路由的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包（如圖2中為f1服務(wù)的r2、r5、r7和為f2服務(wù)的r1、r4、r6和r7），下面定義0-1變量T(i，u，v)來(lái)形式化表示多跳傳輸中繼MR：

這里節(jié)點(diǎn)u和v都是流fi中的MR。

另一類用于節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，即幫助源節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)的協(xié)作者，稱為協(xié)作傳輸中繼（Cooperative Relay，CR）（如圖2中為f1服務(wù)的r3和r6和為f2服務(wù)的r2和r3），發(fā)送節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)和協(xié)作傳輸中繼共同組成如圖1所示的協(xié)作傳輸模塊。這里同樣定義0-1變量G(i，u，w，v)來(lái)表示協(xié)作傳輸中繼CR：

這里，節(jié)點(diǎn)u和v仍為fi的MR，節(jié)點(diǎn)w為CR。

2.2.2 問(wèn)題的描述和建模

首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流服務(wù)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能出發(fā)，分析網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)在聯(lián)合路由選擇和中繼分配問(wèn)題中的約束條件。

（1）源節(jié)點(diǎn)：每條流是從相應(yīng)的源節(jié)點(diǎn)出發(fā)，所以源節(jié)點(diǎn)必有流出，即

文中假設(shè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)不能作為MR，即除了作為初始節(jié)點(diǎn)或者目的節(jié)點(diǎn)之外，若為其他流服務(wù)只能作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，也就是CR，所以有：

（2）目的節(jié)點(diǎn)：目的作為本條流的終止節(jié)點(diǎn)，其一定有流入，即

類似于源節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)為其他流做中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，也最多只能為一條流服務(wù)，即：

（3）中間節(jié)點(diǎn)：

①作為MR，一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)u作為MR為某條流fi服務(wù)，則必有流入和流出，所以中間節(jié)點(diǎn)u在fi這條流中下一跳之和應(yīng)該滿足

上一跳之和應(yīng)該滿足

由于流入和流出是同時(shí)存在，所以

②作為CR，為某條流fi服務(wù)的另一種方式就是作為協(xié)作中繼CR，但是也只能為其中的某一跳作為中繼，則有：

而且中間節(jié)點(diǎn)u為fi這條流服務(wù)的時(shí)候就只能作為MR或者CR，二者只能取其一，則有：

然后就整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，由于假設(shè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)為其他流服務(wù)時(shí)不作為MR，所以源節(jié)點(diǎn)是沒有流入的，目的節(jié)點(diǎn)是沒有流出的，即：

就整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)講，某個(gè)中間節(jié)點(diǎn)u最多只能為兩條流服務(wù)，也就是：兩個(gè)MR或者兩個(gè)CR；一個(gè)MR一個(gè)CR；一個(gè)MR或者一個(gè)CR。不參與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，所以有：

若網(wǎng)絡(luò)中某條流fi中流經(jīng)(u，v)，若w為(u，v)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足：

假設(shè)每條流的速率為ci，那么為了確保路由的可用性，就必須考慮網(wǎng)絡(luò)中每一跳的容量限制，所以對(duì)fi的每一跳(u，v)都有：

2.2.3 問(wèn)題的形式化描述

網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，J條數(shù)據(jù)流，本文的目標(biāo)是通過(guò)優(yōu)化多條流路由和協(xié)作中繼分配來(lái)最大化最小的數(shù)據(jù)流的速率。若Cmin表示這J條流中最小的流速，即Cmin=min{c1，c2，…，cJ}，那么本文目標(biāo)就是最大化Cmin。

條件（16）是由兩個(gè)變量相乘的非線性限制約束條件。為了簡(jiǎn)便求解，需要將該非線性約束轉(zhuǎn)化成一個(gè)線性約束：

根據(jù)式（15）可知，當(dāng)T′=0的時(shí)候，G′=0，所以G′T′=G′，當(dāng)T′=1的時(shí)候，G′T′=G′，因此式（16）還可以簡(jiǎn)化為：

在上述條件中，式（5）、（7）等價(jià)于式（5）、（6）、（7），因此可以忽略條件（6）；式（7）、（9）等價(jià)于式（7）、（9）、（10），因此也可以忽略條件（10）。

本文的最大化最小數(shù)據(jù)流的聯(lián)合路由選擇和中繼分配問(wèn)題可以形式化表示如下：

分析可知式（18）是一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題（MILP），所有的約束條件都是線性約束，Cmin是目標(biāo)函數(shù)，T(i，u，v)和G(i，u，w，v)是決策變量，一旦所有數(shù)據(jù)流的T變量和G變量確定后，路由選擇和中繼分配即可確定。通常來(lái)說(shuō)MILP問(wèn)題是一個(gè)NP-hard問(wèn)題[14-15]。為了求解該問(wèn)題，本文提出一種啟發(fā)式算法。

3 基于分支定界的聯(lián)合流路由和中繼節(jié)點(diǎn)分配算法JFRBB

分支定界法（Branch and Bound）是一種系統(tǒng)地搜索解空間的方法，它隱式地將所有決策變量組合的解都求出來(lái)然后取最優(yōu)值。通過(guò)定界直接刪除一些目標(biāo)函數(shù)值明顯低于當(dāng)前最優(yōu)值的某些變量值，不再對(duì)其分支，從而減少搜索空間，減少空間復(fù)雜度，提高算法效率。因此，分支定界法求出的解通常為優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解。

本文基于分支定界思想的聯(lián)合流路由和中繼節(jié)點(diǎn)分配算法具體步驟，如圖3所示。

圖3 基于分支定界思想的聯(lián)合流路由和中繼節(jié)點(diǎn)分配算法

如對(duì)于一個(gè)求最大值的混合整數(shù)線性優(yōu)化問(wèn)題（18），表示為P，其決策變量（0-1變量）集合為X，分支定界第一步就是先忽略決策變量的整數(shù)限制，得到一個(gè)非整數(shù)解集X0和目標(biāo)函數(shù)值UB0。

然后選擇P的任意整數(shù)可行解集X00（如所有變量都取0）代入P得到另一個(gè)目標(biāo)函數(shù)值LB0。這時(shí)取P得最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值的上界UB=UB0，下界LB=LB0，用一個(gè)整數(shù)解集Y=X00，如圖4（a）所示。

接下來(lái)從這個(gè)非整數(shù)解集X0中找出任意一個(gè)非整數(shù)變量x1開始分支成兩個(gè)子問(wèn)題，P1：x1=0和P2：x1=1。分別對(duì)P1和P2進(jìn)行求松弛解，過(guò)程同第一步，則對(duì)于P1，可以得到一個(gè)非整數(shù)解集X1和目標(biāo)函數(shù)值UB1，以及一個(gè)整數(shù)解集X11和目標(biāo)函數(shù)值LB1。同樣對(duì)于P2，也可以得到一個(gè)非整數(shù)解集X2和對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值UB2，以及一個(gè)整數(shù)解集X22和對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值LB2，如圖4中（b）所示。

（1）如果LB1＜LB，LB2＞LB，表明P1這個(gè)分支得到的整數(shù)解沒有當(dāng)前整數(shù)解好，則刪除P1這個(gè)子問(wèn)題，就是不再對(duì)其進(jìn)行分支，并取UB=UB2，LB=LB2，Y=X22，判斷是否滿足UB≤(1+ε)LB（ε＞0，是一個(gè)給定的誤差值），如果上述不等式成立，則分支定界算法結(jié)束，LB對(duì)應(yīng)的整數(shù)解集Y則為要求的決策變量解集，LB則為目標(biāo)函數(shù)值；否則就從非整數(shù)解集X2中再任取一個(gè)非整數(shù)變量xi分支成兩個(gè)新的子問(wèn)題繼續(xù)求解，過(guò)程同上述分支一樣。

圖4 分支定界步驟

（2）同理如果LB2＜LB，LB1＞LB，表明P2這個(gè)分支得到的整數(shù)解沒有當(dāng)前整數(shù)解好，則刪除P2這個(gè)子問(wèn)題，即不再對(duì)其進(jìn)行分支，并取UB=max{UB，UB1}，LB=LB1，Y=X11，同上面一樣判斷是否滿足UB≤(1+ε)LB，如果上述不等式成立，則分支定界算法結(jié)束，LB對(duì)應(yīng)的整數(shù)解集Y則為要求的決策變量解集，LB則為目標(biāo)函數(shù)值；否則就從非整數(shù)解集X1中再任取一個(gè)非整數(shù)變量xi分支成兩個(gè)新的子問(wèn)題繼續(xù)求解。

（3）如果LB1＞LB，LB2＞LB，表明分支后兩個(gè)子問(wèn)題所得到的整數(shù)解都優(yōu)于當(dāng)前整數(shù)解，則取UB=max{UB1，UB2}，LB=max{LB1，LB2} ，同樣判斷是否滿足UB≤(1+ε)LB，如果上述不等式成立，則分支定界算法結(jié)束，LB對(duì)應(yīng)的整數(shù)解集Y則為要求的決策變量解集，LB則為目標(biāo)函數(shù)值；否則就依次從非整數(shù)解集X1和非整數(shù)解集X2中任取一個(gè)非整數(shù)變量來(lái)分支成兩個(gè)新的子問(wèn)題繼續(xù)求解，如圖4（c）所示為子問(wèn)題P2的分支。

（4）如果LB1＜LB，LB2＜LB，表明有當(dāng)前的整數(shù)解優(yōu)于兩個(gè)分支所得的整數(shù)解，因此對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題都不在分支。

上述過(guò)程結(jié)束后的分支求解類似于P問(wèn)題的分支過(guò)程，算法結(jié)束的標(biāo)志都為上UB≤(1+e)LB或者所有分支灰沒有可行解，LB對(duì)應(yīng)的整數(shù)解集為當(dāng)前的最優(yōu)解集，LB為目標(biāo)函數(shù)值。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證提出的聯(lián)合優(yōu)化路由和中繼節(jié)點(diǎn)算法的有效性。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，沿用文獻(xiàn)[12]的參數(shù)設(shè)置，假設(shè)每個(gè)接口帶寬W=22 MHz，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大傳輸功率設(shè)為1 W。為了方便計(jì)算，假設(shè)hsd只包含節(jié)點(diǎn)s到d的傳播增益，所以|hsd|2=||s-d||-4，這里||s-d||是節(jié)點(diǎn)s和d之間的距離，路徑損耗參數(shù)設(shè)為4，給定的誤差值ε=0.1；并假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)噪音的方差為10-10W。

圖5 JFRBB-Multi-Radio-Cooperative路由

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示，在大小為1 000 m×1 000 m的范圍內(nèi)隨機(jī)生成16個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中4個(gè)源節(jié)點(diǎn)，4個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，8個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，也就是n=16，J=4，L=8。圖中實(shí)線表示節(jié)點(diǎn)之間存在直接通信的鏈路，虛線箭頭表示協(xié)作通信鏈路。目前多接口協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的研究還十分有限，因此本文對(duì)比三種不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和路由算法來(lái)分析本文所提算法的性能。

第一種在雙接口協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)本文提出的JFRBB算法，即為每個(gè)數(shù)據(jù)流找到協(xié)作路由的同時(shí)確定每個(gè)接口中繼分配情況（即MR和CR分配情況），表示為JFRBB-Multi-Radio-Cooperative。

第二種在雙接口無(wú)協(xié)作傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中為每條數(shù)據(jù)流利用JFRBB算法找出最優(yōu)路由，表示為JFRBB-Multi-Radio-Noncooperative。在這個(gè)場(chǎng)景中，由于沒有協(xié)作節(jié)點(diǎn)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)接口最多只能同時(shí)作為MR為兩條流服務(wù)。由于沒有了協(xié)作節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，具體實(shí)現(xiàn)中，將JFRBB算法中所有的G變量賦值為0，此時(shí)的決策變量只有T。

第三種在單接口協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，利用 JFRBB算法為每個(gè)數(shù)據(jù)流找出最優(yōu)的協(xié)作路由，并進(jìn)行中繼分配，表示為JFRBB-Single-Radio-Cooperative。由于網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景為單接口網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)接口，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能作為MR或者CR為某一條流服務(wù)。具體實(shí)現(xiàn)中將JFRBB算法所有的接口數(shù)目限制設(shè)為1，即在問(wèn)題（19）的數(shù)學(xué)模型中，約束條件（13）、（14）的接口數(shù)目限制改為1。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5給出了JFRBB-Multi-Radio-Cooperative網(wǎng)絡(luò)中的路由結(jié)果，圖6和圖7分別為JFRBB-Multi-Radio-Noncooperative網(wǎng)絡(luò)路由情況和JFRBB-Single-Radio-Cooperative網(wǎng)絡(luò)的路由情況。網(wǎng)絡(luò)中各條流的速率如表1所示，可以看出在JFRBB-Multi-radio-cooperative網(wǎng)絡(luò)路由中，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以為多條流服務(wù)，節(jié)點(diǎn)既可以作為MR又可以作為CR，所以由此算法得到的網(wǎng)絡(luò)性能是最好的。而在JFRBB-Multi-Radio-Noncooperativ網(wǎng)絡(luò)中，雖然每個(gè)節(jié)點(diǎn)也是多個(gè)接口，但是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只能作為MR，沒有了協(xié)作分集的優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)中各條流的速率比JFRBB-Multi-Radio-Cooperative路由的速率要小。在JFRBB-Single-Radio-Cooperative網(wǎng)絡(luò)中，雖然有協(xié)作節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，但是網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)接口，只能服務(wù)于一條流，使得有些有優(yōu)勢(shì)的節(jié)點(diǎn)得不到充分的利用，從而降低了網(wǎng)絡(luò)性能。

圖6 JFRBB-Multi-Radio-Noncooperative路由

表1 網(wǎng)絡(luò)中各條數(shù)據(jù)流速率比較 （Mb·s－1）

圖8給出了三種情況下各個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的最小速率，可以看出JFRBB-Multi-Radio-Cooperative路由的最小速率比JFRBB-Multi-Radio-Noncooperative和JFRBB-Single-Radio-Cooperative網(wǎng)絡(luò)的最小速率均高出將近43%。圖9給出了各個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的聚合流量，由圖可以看出，在JFRBB-Multi-Radio-Cooperative路由情況下聚合流量比JFRBB-Multi-Radio-Noncooperative網(wǎng)絡(luò)和JFRBB-Single-Radio-Cooperative網(wǎng)絡(luò)的聚合流量分別高出16.4%和30.7%。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一方面，由于協(xié)作通信帶來(lái)的協(xié)作分集效應(yīng)，協(xié)作通信可以進(jìn)一步提高多接口無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能；另一方面，多接口為協(xié)作傳輸?shù)腗R和CR分配帶來(lái)了多樣性的選擇，可以為協(xié)作通信服務(wù)，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能。

圖9 網(wǎng)絡(luò)中聚合流量比較

5 總結(jié)

協(xié)作通信可以充分利用網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)資源，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作來(lái)幫助有通信需求的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高速、可靠的無(wú)線通信。本文在多接口多跳網(wǎng)絡(luò)中，聯(lián)合流路由和中繼節(jié)點(diǎn)選擇，為各條數(shù)據(jù)流尋求一條最優(yōu)路徑，使得各條流之間以較為均衡的速率傳輸數(shù)據(jù)。由于多接口能夠使一個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)于多條流，所以多接口網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)更能充分地發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，來(lái)最大限度提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于分支定界的聯(lián)合流路由和中繼節(jié)點(diǎn)分配算法能夠提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，并公平實(shí)現(xiàn)各條數(shù)據(jù)流的帶寬分配。

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