分布式協(xié)作通信網(wǎng)絡中的MAC層協(xié)議

[摘要] 分布式協(xié)作網(wǎng)絡通過節(jié)點間的相互合作來達到網(wǎng)絡資源的共享，然而如何設計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)絡中的核心問題之一。文章基于MAC層協(xié)作的動機，探討了分布式協(xié)作網(wǎng)絡中MAC層協(xié)議設計所面臨的問題和挑戰(zhàn)，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，得出結論:只有全面考慮分布式網(wǎng)絡的特點和需求，合理地設計協(xié)議的各個環(huán)節(jié)，才能使協(xié)同通信技術在分布式網(wǎng)絡中得到更好應用。

[關鍵詞]協(xié)作通信;媒體接入控制;分布式;資源分配

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.

cooperative communications; MAC; distributed networks; resource allocation

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，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2 Mbit/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(xiàn)，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(xiàn)，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。

(2)“按需”協(xié)同MAC協(xié)議

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。

(3)能夠聯(lián)合解信號的協(xié)同MAC協(xié)議

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。

F.Liu等在文獻[9]提出了相應的增強型CoopMAC協(xié)議，其握手過程以及信息傳輸過程和CoopMAC協(xié)議基本一致，如圖5所示。目的節(jié)點將收到的兩個信息備份聯(lián)合處理從而獲得增益。

分布式多跳網(wǎng)絡中，其仿真性能相對于原始CoopMAC協(xié)議能夠獲得10%左右的吞吐量增益。然而這也給硬件設備提出了更高的要求。

(4)支持方向性天線的協(xié)同MAC協(xié)議

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。

圖7給出了D-CoopMAC協(xié)議的吞吐量性能，值得注意的是隨著方向性天線的波束增加，D-CoopMAC的性能反而不如直接使用方向性天線傳輸?shù)男阅?，這由于是協(xié)同網(wǎng)絡需要利用一個空間復用度來完成協(xié)作，另外控制分組開銷也造成了網(wǎng)絡性能的損失。由此可以看出在實際網(wǎng)絡中協(xié)作的使用必須具有選擇性，否則會適得其反。

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)。

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收稿日期:2009-11-03

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。