分布式協作通信網絡中的CoopMAC層協議研究

由于分布式網絡布設方便、組網靈活而越來越受到人們的關注。然而，這給其多址接入協議的設計帶來了巨大的挑戰。另一方面，協同通信作為一種新興通信形式得到了國內外學者的廣泛關注。

協同通信技術充分利用了無線傳輸的全向傳播特性，使得多個節點協同工作來達到網絡資源的共享，從而有效地提高了整個網絡的性能。早期關于協同通信技術的研究大都集中在物理層，但是協同思想對上層協議的影響，尤其是媒體訪問控制（MAC）層協議并沒有得到充分深入地研究。然而，MAC層協議本身是決定資源使用權的技術，并且協同通信技術的重點也是如何優化系統的資源分配，因此如何設計分布式協同通信系統中的MAC層協議是體現和發揮協同技術優勢的重中之重。

一、MAC地址解釋

MAC（Medium/MediaAccess Control, 介質訪問控制）MAC地址是燒錄在NetworkInterfaceCard（網卡，NIC）里的。MAC地址，也叫硬件地址，是由48比特/bit長（6字節/byte,1byte=8bits），16進制的數字組成。0-23位叫做組織唯一標志符（organizatiONally unique,是識別LAN（局域網）節點的標識。24-47位是由廠家自己分配。其中第40位是組播地址標志位。網卡的物理地址通常是由網卡生產廠家燒入網卡的EPROM（一種閃存芯片，通常可以通過程序擦寫），它存儲的是傳輸數據時真正賴以標識發出數據的電腦和接收數據的主機的地址。

也就是說，在網絡底層的物理傳輸過程中，是通過物理地址來識別主機的，它一般也是全球唯一的。比如，著名的以太網卡，其物理地址是48bit（比特位）的整數，如：44-45-53-54-00-00,以機器可讀的方式存入主機接口中。以太網地址管理機構（除了管這個外還管別的）（IEEE）（IEEE:電氣和電子工程師協會）將以太網地址，也就是48比特的不同組合，分為若干獨立的連續地址組，生產以太網網卡的廠家就購買其中一組，具體生產時，逐個將唯一地址賦予以太網卡。

形象的說，MAC地址就如同我們身份證上的身份證號碼，具有全球唯一性。

二、MAC層的協作動機

IEEE802.11[4]系列的多址接入協議是最為流行的無線局域網接入標準，并且在大多數分布式網絡的測試及仿真平臺中也得到了廣泛的應用。802.11系列協議能夠支持多個物理層的傳輸速率，并根據信道條件的不同來進行調整。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，在分布式網絡中，這不僅影響到本節點的傳輸性能，而且使得周圍鄰節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的性能。因此我們需要通過節點間的相互協作來提高網絡的性能。

一種簡單有效的方法是：通過引入一個鄰節點（稱之為Helper節點）來協助源節點到目的節點的傳輸。該Helper節點到源節點和目的節點的信道條件均比較理想，因此可以支持高速率協作傳輸，從而提高了整個網絡的飽和吞吐量。然而，隨著協作的引入，分布式網絡的MAC協議設計也變得更加復雜并且要面臨許多新問題與挑戰。

三、分布式協作多址協議中的問題與挑戰

1、“協作”還是“不協作”

從信息論的角度出發，協作總是能夠帶來系統增益，如分集增益等。然而在實際系統中，為了實現節點間的協作，MAC層協議需要引入額外開銷（如：協議開銷和空間開銷等），從而導致協作性能的下降甚至完全抵消協作帶來的增益，對系統帶來負面影響。因此在設計時考慮根據不同的系統參數（如包長、傳輸速率等）來綜合考慮是否引入協作。

2、選擇協作節點方法

在分布式網絡中，協作節點的選擇需要考慮多重因素：

提高傳輸速率，即在引入協作節點后要能夠顯著提高信息的傳輸速率；

降低干擾，由于協作的引入從而增加了對網絡中其他節點的干擾，那么在協作節點選擇時應盡量減少對其他數據流的干擾，進而增加網絡的空間復用度；

公平性，協作節點消耗了自身的能量來幫助源節點完成通信，因此在協作節點選擇時應充分考慮到網絡的公平性，盡量避免某些節點的過分使用。

3、隱藏終端和暴露終端

隱藏終端和暴露終端是分布式網絡中的重要問題，由于協作需要增加節點間的握手信息，因此在引入協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作協議中需要重點考慮的問題，其主要手段有：協議優化，智能天線的應用等。

四、典型的分布式協作多址協議

1、CoopMAC協議

基于IEEE802.11協議，P.Liu等人首先提出了一種CoopMAC協議[5-7],該協議使高速節點幫助低速節點完成傳輸，這不僅大大提高了網絡的吞吐量，減小了節點的接入時延，同時還降低了各個節點的總能量消耗。在CoopMAC協議中每個節點將維護一張協同表，其中包括源節點到中繼節點的速率，中繼節點到目的節點速率，該表項更新的時間等，當有數據要傳輸時首先查找該協同表來判斷是否有可以利用的協同節點從而決定是否使用協同傳輸。

當需要協作時，源節點S首先發送請求協作發送幀（CoopRTS）；Helper節點H在正確收到CoopRTS后，判斷是否能夠支持源節點所期望的傳輸速率，如果可以即發送協作節點確認發送幀（HTS）；最后目的節點D回復確認發送幀（CTS），從而靜默了周圍其他的鄰節點，成功預約到信道的使用權，完成了協作握手過程。此后，源節點以高速將數據發送給Helper節點，并由它高速地轉發給目的節點。而當源節點和目的節點不需要協作傳輸以及不存在協作節點時，則使用傳統的802.11b協議。CoopMAC協議的握手過程如圖1所示。

在全連通的網絡中，協作傳輸所需要的3次握手機制和傳統的RTS/CTS握手機制并沒有太大區別，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：當源節點發送CoopRTS時，節點{B,C,E,F,G,M,I}均為隱藏終端，其中任何節點發送信息均會影響到CoopRTS的正確接收，而當Helper節點發送HTS時，節點{B,E,F,G}仍然為隱藏終端。

因此，以節點B為例，其在較長的時間內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協議在多跳分布式網絡中的性能，應該引起協議設計人員的廣泛關注。

2、“按需”協同MAC協議

有些研究者認為在CoopMAC協議中每個節點都要維護到各個鄰節點的協同表，不僅增大了存儲的開銷，而且由于節點的移動性以及信道的時變性，使得協同表的更新無法跟上網絡狀態的變化，因此他們提出了在“按需”的協同MAC協議，協議中節點并不維護任何協同節點的信息，當有數據要發送時，通過源節點首先發送RTS信息，目的節點收到后回復CTS信息，那么潛在的協作節點通過這兩個握手信息即可以獲得源節點到本節點以及目的到本節點的信道信息：H SR和H RD.協作節點通過設置退避時間T 來競爭參與協作，T 是H SR和H RD反比例函數，當退避計時器減為零時，協作節點發送同意中繼幀(RTR)，如圖3。但是該協議在預約協作節點的過程中可能會發生碰撞從而導致整個握手過程失敗，如圖4。