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，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。

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（6字節(jié)/byte,1byte=8bits），16進制的數(shù)字組成。0-23位叫做組織唯一標志符（organizationally unique,是識別LAN（局域網(wǎng)）節(jié)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(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），它存儲的是傳輸數(shù)據(jù)時真正賴以標識發(fā)出數(shù)據(jù)的電腦和接收數(shù)據(jù)的主機的地址。

也就是說，在網(wǎng)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(wǎng)卡，其物理地址是48bit（比特位）的整數(shù)，如：44-45-53-54-00-00,以機器可讀的方式存入主機接口中。以太網(wǎng)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(xié)會）將以太網(wǎng)地址，也就是48比特的不同組合，分為若干獨立的連續(xù)地址組，生產(chǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)卡的廠家就購買其中一組，具體生產(chǎn)時，逐個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碼，具有全球唯一性。

二、MAC層的協(xié)作動機

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)。

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、選擇協(xié)作節(jié)點方法

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。

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。

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(zhuǎn)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。

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。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。

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。

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?qū)誓康墓?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)男阅埽@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。

五、總結

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)。