分布式協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的MAC層協(xié)議

摘要:分布式協(xié)作網(wǎng)絡(luò)通過節(jié)點(diǎn)間的相互合作來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)資源的共享，然而如何設(shè)計(jì)高效的媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議是分布式協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的核心問題之一。文章基于MAC層協(xié)作的動機(jī)，探討了分布式協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)所面臨的問題和挑戰(zhàn)，基于近年來涌現(xiàn)的典型協(xié)作MAC協(xié)議和協(xié)議性能的分析，得出結(jié)論：只有全面考慮分布式網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和需求，合理地設(shè)計(jì)協(xié)議的各個(gè)環(huán)節(jié)，才能使協(xié)同通信技術(shù)在分布式網(wǎng)絡(luò)中得到更好應(yīng)用。

關(guān)鍵字:協(xié)作通信；媒體接入控制；分布式；資源分配

英文摘要:Through coordination among nodes, network resource can be shared in distributed cooperative communication networks. However, efficient MAC protocol is a core issue for such networks. In this paper, the motivation of cooperation in the MAC layer is first discussed. Furthermore, we investigate the issues and challenges in designing a MAC protocol for distributed cooperative communication networks. Finally, the classic cooperative MAC protocols are introduced and analyzed. Results show that the characteristic and requirement of distributed networks should be fully considered in cooperative MAC design to apply cooperative communication technology more efficiently.

英文關(guān)鍵字:cooperative communications; MAC; distributed networks; resource allocation

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(“973”計(jì)劃)課題(2009CB320404)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)課題(2007AA01Z217)；國家自然科學(xué)基金課題(60972048)

近年來，由于分布式網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方便、組網(wǎng)靈活而越來越受到人們的關(guān)注。然而，這給其多址接入?yún)f(xié)議的設(shè)計(jì)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(xué)者的廣泛關(guān)注。協(xié)同通信技術(shù)充分利用了無線傳輸?shù)娜�向傳播特性，使得多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)資源的共享，從而有效地提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。早期關(guān)于協(xié)同通信技術(shù)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(quán)的技術(shù)，并且協(xié)同通信技術(shù)的重點(diǎn)也是如何優(yōu)化系統(tǒng)的資源分配，因此如何設(shè)計(jì)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(shù)優(yōu)勢的重中之重。

1 MAC層的協(xié)作動機(jī)

當(dāng)前，IEEE 802.11[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(biāo)準(zhǔn)，并且在大多數(shù)分布式網(wǎng)絡(luò)的測試及仿真平臺中也得到了廣泛的應(yīng)用。802.11系列協(xié)議能夠支持多個(gè)物理層的傳輸速率，并根據(jù)信道條件的不同來進(jìn)行調(diào)整。以IEEE 802.11b為例，支持1 Mbit/s、2 Mbit/s、5.5 Mbit/s、11 Mbit/s這4種不同的傳輸速率。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的距離較遠(yuǎn)、信道條件較差時(shí)，只能使用較低的速率(即1或2 Mbit/s)來完成信息傳輸，在分布式網(wǎng)絡(luò)中，這不僅影響到本節(jié)點(diǎn)的傳輸性能，而且使得周圍鄰節(jié)點(diǎn)需要等待較長的時(shí)間才有機(jī)會進(jìn)行傳輸，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此我們需要通過節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作來提高網(wǎng)絡(luò)的性能。一種簡單有效的方法是：通過引入一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)(稱之為Helper節(jié)點(diǎn))來協(xié)助源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸。該Helper節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的飽和吞吐量。然而，隨著協(xié)作的引入，分布式網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)也變得更加復(fù)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(shí)際系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)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(dǎo)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(fù)面影響。因此在設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)

在分布式網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的干擾，那么在協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)應(yīng)盡量減少對其他數(shù)據(jù)流的干擾，進(jìn)而增加網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用度；

公平性，協(xié)作節(jié)點(diǎn)消耗了自身的能量來幫助源節(jié)點(diǎn)完成通信，因此在協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)應(yīng)充分考慮到網(wǎng)絡(luò)的公平性，盡量避免某些節(jié)點(diǎn)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(luò)中的重要問題，由于協(xié)作需要增加節(jié)點(diǎn)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(yán)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(diǎn)考慮的問題，其主要手段有：協(xié)議優(yōu)化，智能天線的應(yīng)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(diǎn)幫助低速節(jié)點(diǎn)完成傳輸，這不僅大大提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，減小了節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)延，同時(shí)還降低了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的總能量消耗。在CoopMAC協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)將維護(hù)一張協(xié)同表，其中包括源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的速率，中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)速率，該表項(xiàng)更新的時(shí)間等，當(dāng)有數(shù)據(jù)要傳輸時(shí)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(diǎn)從而決定是否使用協(xié)同傳輸。當(dāng)需要協(xié)作時(shí)，源節(jié)點(diǎn)S首先發(fā)送請求協(xié)作發(fā)送幀(CoopRTS)；Helper節(jié)點(diǎn)H在正確收到CoopRTS后，判斷是否能夠支持源節(jié)點(diǎn)所期望的傳輸速率，如果可以即發(fā)送協(xié)作節(jié)點(diǎn)確認(rèn)發(fā)送幀(HTS)；最后目的節(jié)點(diǎn)D回復(fù)確認(rèn)發(fā)送幀(CTS)，從而靜默了周圍其他的鄰節(jié)點(diǎn)，成功預(yù)約到信道的使用權(quán)，完成了協(xié)作握手過程。此后，源節(jié)點(diǎn)以高速將數(shù)據(jù)發(fā)送給Helper節(jié)點(diǎn)，并由它高速地轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。而當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)不需要協(xié)作傳輸以及不存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)時(shí)，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。