近年來,，由于分布式網(wǎng)絡布設方便、組網(wǎng)靈活而越來越受到人們的關注,。然而，這給其多址接入?yún)f(xié)議的設計帶來了巨大的挑戰(zhàn),。另一方面,，協(xié)同通信作為一種新興通信形式得到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。協(xié)同通信技術充分利用了無線傳輸?shù)娜騻鞑ヌ匦?，使得多個節(jié)點協(xié)同工作來達到網(wǎng)絡資源的共享,，從而有效地提高了整個網(wǎng)絡的性能。早期關于協(xié)同通信技術的研究大都集中在物理層[1-3],，但是協(xié)同思想對上層協(xié)議的影響,，尤其是媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議并沒有得到充分深入地研究。然而,，MAC層協(xié)議本身是決定資源使用權的技術,，并且協(xié)同通信技術的重點也是如何優(yōu)化系統(tǒng)的資源分配，因此如何設計分布式協(xié)同通信系統(tǒng)中的MAC層協(xié)議是體現(xiàn)和發(fā)揮協(xié)同技術優(yōu)勢的重中之重,。
1 MAC層的協(xié)作動機
當前,，IEEE802.11[4]系列的多址接入?yún)f(xié)議是最為流行的無線局域網(wǎng)接入標準，并且在大多數(shù)分布式網(wǎng)絡的測試及仿真平臺中也得到了廣泛的應用,。802.11系列協(xié)議能夠支持多個物理層的傳輸速率,，并根據(jù)信道條件的不同來進行調(diào)整。以IEEE802.11b為例，支持1 Mbit/s,、2 Mbit/s,、5.5 Mbit/s、11Mbit/s這4種不同的傳輸速率,。當節(jié)點間的距離較遠,、信道條件較差時，只能使用較低的速率(即1或2Mbit/s)來完成信息傳輸,，在分布式網(wǎng)絡中,，這不僅影響到本節(jié)點的傳輸性能，而且使得周圍鄰節(jié)點需要等待較長的時間才有機會進行傳輸,，從而降低了整個系統(tǒng)的性能,。因此我們需要通過節(jié)點間的相互協(xié)作來提高網(wǎng)絡的性能。一種簡單有效的方法是：通過引入一個鄰節(jié)點(稱之為Helper節(jié)點)來協(xié)助源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸,。該Helper節(jié)點到源節(jié)點和目的節(jié)點的信道條件均比較理想,，因此可以支持高速率協(xié)作傳輸，從而提高了整個網(wǎng)絡的飽和吞吐量,。然而,，隨著協(xié)作的引入，分布式網(wǎng)絡的MAC協(xié)議設計也變得更加復雜并且要面臨許多新問題與挑戰(zhàn),。
2 分布式協(xié)作多址協(xié)議中的問題與挑戰(zhàn)
2.1 “協(xié)作”還是“不協(xié)作”
從信息論的角度出發(fā),，協(xié)作總是能夠帶來系統(tǒng)增益，如分集增益等,。然而在實際系統(tǒng)中,，為了實現(xiàn)節(jié)點間的協(xié)作，MAC層協(xié)議需要引入額外開銷(如：協(xié)議開銷和空間開銷等),，從而導致協(xié)作性能的下降甚至完全抵消協(xié)作帶來的增益,，對系統(tǒng)帶來負面影響。因此在設計時考慮根據(jù)不同的系統(tǒng)參數(shù)(如包長,、傳輸速率等)來綜合考慮是否引入?yún)f(xié)作,。
2.2 如何選擇協(xié)作節(jié)點
在分布式網(wǎng)絡中，協(xié)作節(jié)點的選擇需要考慮多重因素：
提高傳輸速率,，即在引入?yún)f(xié)作節(jié)點后要能夠顯著提高信息的傳輸速率,；
降低干擾，由于協(xié)作的引入從而增加了對網(wǎng)絡中其他節(jié)點的干擾,，那么在協(xié)作節(jié)點選擇時應盡量減少對其他數(shù)據(jù)流的干擾,，進而增加網(wǎng)絡的空間復用度；
公平性,，協(xié)作節(jié)點消耗了自身的能量來幫助源節(jié)點完成通信,，因此在協(xié)作節(jié)點選擇時應充分考慮到網(wǎng)絡的公平性，盡量避免某些節(jié)點的過分使用。
2.3 隱藏終端和暴露終端
隱藏終端和暴露終端是分布式網(wǎng)絡中的重要問題,，由于協(xié)作需要增加節(jié)點間的握手信息,，因此在引入?yún)f(xié)作后隱藏終端和暴露終端問題變得更加嚴峻，這會大大降低協(xié)作的成功概率,，因此如何減少,、避免隱藏終端和暴露終端的影響是分布式協(xié)作協(xié)議中需要重點考慮的問題，其主要手段有：協(xié)議優(yōu)化,，智能天線的應用等,。
3 典型的分布式協(xié)作多址協(xié)議
(1)CoopMAC協(xié)議
基于IEEE802.11協(xié)議，P.Liu等人首先提出了一種CoopMAC協(xié)議[5-7],，該協(xié)議使高速節(jié)點幫助低速節(jié)點完成傳輸,，這不僅大大提高了網(wǎng)絡的吞吐量，減小了節(jié)點的接入時延,，同時還降低了各個節(jié)點的總能量消耗,。在CoopMAC協(xié)議中每個節(jié)點將維護一張協(xié)同表，其中包括源節(jié)點到中繼節(jié)點的速率,，中繼節(jié)點到目的節(jié)點速率,，該表項更新的時間等，當有數(shù)據(jù)要傳輸時首先查找該協(xié)同表來判斷是否有可以利用的協(xié)同節(jié)點從而決定是否使用協(xié)同傳輸,。當需要協(xié)作時,，源節(jié)點S首先發(fā)送請求協(xié)作發(fā)送幀(CoopRTS)；Helper節(jié)點H在正確收到CoopRTS后,，判斷是否能夠支持源節(jié)點所期望的傳輸速率,，如果可以即發(fā)送協(xié)作節(jié)點確認發(fā)送幀(HTS)；最后目的節(jié)點D回復確認發(fā)送幀(CTS),，從而靜默了周圍其他的鄰節(jié)點，成功預約到信道的使用權,，完成了協(xié)作握手過程,。此后，源節(jié)點以高速將數(shù)據(jù)發(fā)送給Helper節(jié)點,，并由它高速地轉發(fā)給目的節(jié)點,。而當源節(jié)點和目的節(jié)點不需要協(xié)作傳輸以及不存在協(xié)作節(jié)點時，則使用傳統(tǒng)的802.11b協(xié)議,。CoopMAC協(xié)議的握手過程如圖1所示,。
在全連通的網(wǎng)絡中，協(xié)作傳輸所需要的3次握手機制和傳統(tǒng)的RTS/CTS握手機制并沒有太大區(qū)別,，僅僅是增加了握手復雜度和握手時間,。然而，在分布式多跳網(wǎng)絡中，3次握手機制則更容易受到隱藏終端的影響,。從圖2中我們可以看到：當源節(jié)點發(fā)送CoopRTS時,，節(jié)點{B,C,E,F,G,M,I}均為隱藏終端，其中任何節(jié)點發(fā)送信息均會影響到CoopRTS的正確接收,，而當Helper節(jié)點發(fā)送HTS時,，節(jié)點{B,E,F,G}仍然為隱藏終端。因此,，以節(jié)點B為例,，其在較長的時間內(nèi)均可以干擾到當前握手信息的傳輸。由此我們可以看出隱藏終端問題嚴重影響到CoopMAC協(xié)議在多跳分布式網(wǎng)絡中的性能,，應該引起協(xié)議設計人員的廣泛關注,。
有些研究者認為在CoopMAC協(xié)議中每個節(jié)點都要維護到各個鄰節(jié)點的協(xié)同表，不僅增大了存儲的開銷,，而且由于節(jié)點的移動性以及信道的時變性,，使得協(xié)同表的更新無法跟上網(wǎng)絡狀態(tài)的變化，因此他們在文獻[8]中提出了在“按需”的協(xié)同MAC協(xié)議,，協(xié)議中節(jié)點并不維護任何協(xié)同節(jié)點的信息,，當有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過源節(jié)點首先發(fā)送RTS信息,，目的節(jié)點收到后回復CTS信息,，那么潛在的協(xié)作節(jié)點通過這兩個握手信息即可以獲得源節(jié)點到本節(jié)點以及目的到本節(jié)點的信道信息：H SR和H RD。協(xié)作節(jié)點通過設置退避時間T 來競爭參與協(xié)作,，T 是H SR和H RD反比例函數(shù),，當退避計時器減為零時，協(xié)作節(jié)點發(fā)送同意中繼幀(RTR)如圖3所示,。但是該協(xié)議在預約協(xié)作節(jié)點的過程中可能會發(fā)生碰撞從而導致整個握手過程失敗,，如圖4所示。
在最早提出的CoopMAC協(xié)議中僅僅利用了802.11中的多速率傳輸特性,，而當目的節(jié)點能夠聯(lián)合解分別來自源節(jié)點和目的節(jié)點的信號時,，才形成了真正意義上的虛擬MIMO系統(tǒng)。由于信號來源于不同的時間和節(jié)點,，因此系統(tǒng)可以獲得空間分集和時間分集,。
在協(xié)同通信過程中，由于協(xié)同節(jié)點的引入,，從網(wǎng)絡角度看整個網(wǎng)絡的復用度會有所下降,，如何彌補這一損失是協(xié)同MAC協(xié)議設計的一個重要問題，也是當前研究的熱點[10],。
在文獻[11]中Z.F.Tao等人,，在節(jié)點配備有方向性天線的條件下，提出了一種D-CoopMAC協(xié)議,。如圖6所示,，源節(jié)點有數(shù)據(jù)要傳輸時首先全向廣播RTS信息，協(xié)同節(jié)點收到后將發(fā)射天線方向對準目的節(jié)點發(fā)送HTS信息,，目的節(jié)點成功收到RTS和HTS后向源節(jié)點方向回復CTS信息,，此后的數(shù)據(jù)發(fā)送過程中均使用方向性傳輸。該方法一定程度上減少了由于協(xié)同帶來的網(wǎng)絡空間復用度下降的問題,，當然解決問題的同時也增加了設備的復雜度和成本,。
通過分析上述幾種典型的協(xié)作MAC協(xié)議,，我們可以看出：針對不同的網(wǎng)絡環(huán)境以及不同配置,，我們需要選擇不同的設計準則和方法，只有這樣才能使協(xié)作通信理論上的增益落到實處,，從而提高整個網(wǎng)絡的性能,。
4 結束語
本文研究了分布式網(wǎng)絡中MAC層協(xié)作的動機，分析給出了分布式協(xié)作網(wǎng)絡中MAC層協(xié)議設計所面臨的問題和挑戰(zhàn),，并介紹了近年來涌現(xiàn)的典型協(xié)作MAC協(xié)議并對其性能進行了比較分析,。目前，分布式網(wǎng)絡中的協(xié)同MAC協(xié)議研究仍然是一個開放性的問題,，如何設計簡單、高效的協(xié)同MAC協(xié)議并在理論上給出相應的性能分析是未來的重要研究方向之一,。另外,，現(xiàn)有的協(xié)同MAC協(xié)議中并沒有討論節(jié)點間的公平性問題，而該問題很有可能使得網(wǎng)絡趨于非協(xié)同狀態(tài),。
5 參考文獻
[1] LANEMAN J N, TSE D, WORNELL G W. Cooperative diversity in wireless networks:
Efficient protocols and outage behavior[J]. IEEE Transactions on Information
Theory, 2004, 50(12): 3062-3080.
[2] SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. User cooperation diversity, Part I: System
description[J]. IEEE Transactions on Communications, 2003,51(11): 1927-1938.
[3] SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. User cooperation diversity, Part II:
Implementation aspects and performance analysis[J]. IEEE Transactions on
Communications, 2003,51(11):1939-1948.
[4] ANSI/IEEE Std 802.11. IEEE LAN MAN standard, Part 11: Wireless LAN medium
access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications[S]. 1999.
[5] LIU P, TAO Z, PANWAR S. A cooperative MAC protocol for wireless local area
networks[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Communications
(ICC’05):Vol 5, May 16-20 ,2005, Seoul, Korea. Piscataway, NJ, USA: IEEE,
2005:2962-2968.
[6] LIU P, TAO Z, NARAYANAN S, et al. CoopMAC: A cooperative MAC for wireless
LANs[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2007,25(2): 340-354.
[7] ZHU H, CAO G. rDCF: A relay-enabled medium access control protocol for
wireless ad hoc networks[C]//Proceedings of 24th Annual Joint Conference of the
IEEE Computer and Communications Societies (INFOCOM’05): Vol 1, Mar 13-17, 2005,
Miami,FL, USA. Piscataway, NJ,USA: IEEE,2005: 12-22.
[8] TAO Guo, CARRASCO R, WAI Lok Woo. Performance of a cooperative relay-based
auto-rate MAC protocol for wireless ad hoc networks[C]//Proceedings of the 67th
Vehicular Technology Conference (VTC-Spring’08), May 11-14,2008, Singapore.
Piscataway, NJ, USA IEEE, 2008: 11-15.
[9] LIU Feilu, KORAKIS T, TAO Zhifeng, et al. A MAC-PHY cross-layer protocol for
wireless ad-hoc networks[C]//Proceedings of Wireless Communications and
Networking Conference(WCNC'08), Mar 31-Apr 3, 2008, Las Vegas, NV, USA. New York
NY,USA: IEEE, 2008: 1792-1797.
[10] MOH S, YU C, PARK S M, et al. CD-MAC: Cooperative diversity MAC for robust
communication in wireless ad hoc networks[C]//Proceedings of IEEE International
Conference on Communications (ICC’07), Jun 24-28,2007, Glasgow,UK. Piscataway,
NJ,USA: IEEE,2007: 3636-3641.
[11] TAO Zhifeng, KORAKIS T, LIU Feilu, et al. Cooperation and directionality:
Friends or foes? [C]//Proceedings of IEEE International Conference on
Communications(ICC’08), May 19-23,2008, Beijing, China. Piscataway, NJ,USA:
IEEE, 2008: 4424-4430.
作者介紹：
盛敏,，西安電子科技大學綜合業(yè)務網(wǎng)理論及關鍵技術國家重點實驗室教授,、博士生導師，主要研究領域為移動通信,、無線自組織網(wǎng)絡,、認知無線網(wǎng)絡等；主持和參加國家級科研項目10項,；已發(fā)表論文60多篇,，其中被SCI/EI檢索40余篇；出版專著2部,。
張琰,，西安電子科技大學綜合業(yè)務網(wǎng)理論及關鍵技術國家重點實驗室在讀博士生，主要研究移動通信,、無線自組織網(wǎng)絡等,。
李建東，西安電子科技大學綜合業(yè)務網(wǎng)理論及關鍵技術國家重點實驗室教授,、博士生導師,，主要研究方向為無線自組織網(wǎng)絡、寬帶無線移動通信,、軟件無線電,、認知無線電等。主持和參加國家級科研項目30余項,；發(fā)表論文200余篇,，被SCI、EI檢索160余篇次,；出版專著7部,。