分布式協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的CoopMAC層協(xié)議研究

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(guó)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騻鞑ヌ匦?，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，但是協(xié)同思想對(duì)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(shì)的重中之重。

    一、MAC地址解釋

    MAC（Medium/MediaAccess Control, 介質(zhì)訪問控制）MAC地址是燒錄在NetworkInterfaceCard（網(wǎng)卡，NIC）里的。MAC地址，也叫硬件地址，是由48比特/bit長(zhǎng)（6字節(jié)/byte,1byte=8bits），16進(jìn)制的數(shù)字組成。0-23位叫做組織唯一標(biāo)志符（organizatiONally unique,是識(shí)別LAN（局域網(wǎng)）節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)。24-47位是由廠家自己分配。其中第40位是組播地址標(biāo)志位。網(wǎng)卡的物理地址通常是由網(wǎng)卡生產(chǎn)廠家燒入網(wǎng)卡的EPROM（一種閃存芯片，通?？梢酝ㄟ^程序擦寫），它存儲(chǔ)的是傳輸數(shù)據(jù)時(shí)真正賴以標(biāo)識(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)的電腦和接收數(shù)據(jù)的主機(jī)的地址。

    也就是說，在網(wǎng)絡(luò)底層的物理傳輸過程中，是通過物理地址來識(shí)別主機(jī)的，它一般也是全球唯一的。比如，著名的以太網(wǎng)卡，其物理地址是48bit（比特位）的整數(shù)，如：44-45-53-54-00-00,以機(jī)器可讀的方式存入主機(jī)接口中。以太網(wǎng)地址管理機(jī)構(gòu)（除了管這個(gè)外還管別的）（IEEE）（IEEE:電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）將以太網(wǎng)地址，也就是48比特的不同組合，分為若干獨(dú)立的連續(xù)地址組，生產(chǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)卡的廠家就購(gòu)買其中一組，具體生產(chǎn)時(shí)，逐個(gè)將唯一地址賦予以太網(wǎng)卡。

    形象的說，MAC地址就如同我們身份證上的身份證號(hào)碼，具有全球唯一性。

    二、MAC層的協(xié)作動(dòng)機(jī)

    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(biāo)準(zhǔn)，并且在大多數(shù)分布式網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試及仿真平臺(tái)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(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2Mbit/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(zhǎng)的時(shí)間才有機(jī)會(huì)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(jiǎn)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)。

    三、分布式協(xié)作多址協(xié)議中的問題與挑戰(zhàn)

    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(duì)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(zhǎng)、傳輸速率等）來綜合考慮是否引入?yún)f(xié)作。

    2、選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)方法

    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(duì)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(duì)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。

    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(huì)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。

    四、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(qǐng)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。

    在全連通的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)作傳輸所需要的3次握手機(jī)制和傳統(tǒng)的RTS/CTS握手機(jī)制并沒有太大區(qū)別，僅僅是增加了握手復(fù)雜度和握手時(shí)間。然而，在分布式多跳網(wǎng)絡(luò)中，3次握手機(jī)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(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送CoopRTS時(shí)，節(jié)點(diǎn){B,C,E,F,G,M,I}均為隱藏終端，其中任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息均會(huì)影響到CoopRTS的正確接收，而當(dāng)Helper節(jié)點(diǎn)發(fā)送HTS時(shí)，節(jié)點(diǎn){B,E,F,G}仍然為隱藏終端。

    因此，以節(jié)點(diǎn)B為例，其在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)均可以干擾到當(dāng)前握手信息的傳輸。由此我們可以看出隱藏終端問題嚴(yán)重影響到CoopMAC協(xié)議在多跳分布式網(wǎng)絡(luò)中的性能，應(yīng)該引起協(xié)議設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注。

2、“按需”協(xié)同MAC協(xié)議

    有些研究者認(rèn)為在CoopMAC協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要維護(hù)到各個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的協(xié)同表，不僅增大了存儲(chǔ)的開銷，而且由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性以及信道的時(shí)變性，使得協(xié)同表的更新無法跟上網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，因此他們提出了在“按需”的協(xié)同MAC協(xié)議，協(xié)議中節(jié)點(diǎn)并不維護(hù)任何協(xié)同節(jié)點(diǎn)的信息，當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過源節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送RTS信息，目的節(jié)點(diǎn)收到后回復(fù)CTS信息，那么潛在的協(xié)作節(jié)點(diǎn)通過這兩個(gè)握手信息即可以獲得源節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)以及目的到本節(jié)點(diǎn)的信道信息：H SR和H RD.協(xié)作節(jié)點(diǎn)通過設(shè)置退避時(shí)間T 來競(jìng)爭(zhēng)參與協(xié)作，T 是H SR和H RD反比例函數(shù)，當(dāng)退避計(jì)時(shí)器減為零時(shí)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)發(fā)送同意中繼幀(RTR)，如圖3。但是該協(xié)議在預(yù)約協(xié)作節(jié)點(diǎn)的過程中可能會(huì)發(fā)生碰撞從而導(dǎo)致整個(gè)握手過程失敗，如圖4。

 3、能夠聯(lián)合解信號(hào)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(dāng)目的節(jié)點(diǎn)能夠聯(lián)合解分別來自源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的信號(hào)時(shí)，才形成了真正意義上的虛擬MIMO系統(tǒng)。由于信號(hào)來源于不同的時(shí)間和節(jié)點(diǎn)，因此系統(tǒng)可以獲得空間分集和時(shí)間分集。

    F.Liu等提出了相應(yīng)的增強(qiáng)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(diǎn)將收到的兩個(gè)信息備份聯(lián)合處理從而獲得增益。

    分布式多跳網(wǎng)絡(luò)中，其仿真性能相對(duì)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(shè)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(diǎn)的引入，從網(wǎng)絡(luò)角度看整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用度會(huì)有所下降，如何彌補(bǔ)這一損失是協(xié)同MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

    在節(jié)點(diǎn)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(diǎn)有數(shù)據(jù)要傳輸時(shí)首先全向廣播RTS信息，協(xié)同節(jié)點(diǎn)收到后將發(fā)射天線方向?qū)?zhǔn)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送HTS信息，目的節(jié)點(diǎn)成功收到RTS和HTS后向源節(jié)點(diǎn)方向回復(fù)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(luò)空間復(fù)用度下降的問題，當(dāng)然解決問題的同時(shí)也增加了設(shè)備的復(fù)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(luò)需要利用一個(gè)空間復(fù)用度來完成協(xié)作，另外控制分組開銷也造成了網(wǎng)絡(luò)性能的損失。由此可以看出在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作的使用必須具有選擇性，否則會(huì)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(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及不同配置，我們需要選擇不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(shí)處，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

    五、總結(jié)

    本文研究了分布式網(wǎng)絡(luò)中MAC層協(xié)作的動(dòng)機(jī)，分析給出了分布式協(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)，并介紹了近年來涌現(xiàn)的典型協(xié)作MAC協(xié)議并對(duì)其性能進(jìn)行了比較分析。

    目前，分布式網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同MAC協(xié)議研究仍然是一個(gè)開放性的問題，如何設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、高效的協(xié)同MAC協(xié)議并在理論上給出相應(yīng)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(diǎn)間的公平性問題，而該問題很有可能使得網(wǎng)絡(luò)趨于非協(xié)同狀態(tài)。