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摘要:分布式协作网络通过节点间的相互合作来达到网络资源的共享，然而如何设计高效的媒体访问控制(MAC)层协议是分布式协作通信网络中的核心问题之一。文章基于MAC层协作的动机，探讨了分布式协作网络中MAC层协议设计所面临的问题和挑战，基于近年来涌现的典型协作MAC协议和协议性能的分析，得出结论：只有全面考虑分布式网络的特点和需求，合理地设计协议的各个环节，才能使协同通信技术在分布式网络中得到更好应用。
关键字:协作通信；媒体接入控制；分布式；资源分配
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.
英文关键字:cooperative communications; MAC; distributed networks; resource allocation
基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)课题(2009CB320404)；国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题(2007AA01Z217)；国家自然科学基金课题(60972048)
近年来，由于分布式网络布设方便、组网灵活而越来越受到人们的关注。然而，这给其多址接入协议的设计带来了巨大的挑战。另一方面，协同通信作为一种新兴通信形式得到了国内外学者的广泛关注。协同通信技术充分利用了无线传输的全向传播特性，使得多个节点协同工作来达到网络资源的共享，从而有效地提高了整个网络的性能。早期关于协同通信技术的研究大都集中在物理层[1-3]，但是协同思想对上层协议的影响，尤其是媒体访问控制(MAC)层协议并没有得到充分深入地研究。然而，MAC层协议本身是决定资源使用权的技术，并且协同通信技术的重点也是如何优化系统的资源分配，因此如何设计分布式协同通信系统中的MAC层协议是体现和发挥协同技术优势的重中之重。
1 MAC层的协作动机
当前，IEEE 802.11[4]系列的多址接入协议是最为流行的无线局域网接入标准，并且在大多数分布式网络的测试及仿真平台中也得到了广泛的应用。802.11系列协议能够支持多个物理层的传输速率，并根据信道条件的不同来进行调整。以IEEE 802.11b为例，支持1 Mbit/s、2 Mbit/s、5.5 Mbit/s、11 Mbit/s这4种不同的传输速率。当节点间的距离较远、信道条件较差时，只能使用较低的速率(即1或2 Mbit/s)来完成信息传输，在分布式网络中，这不仅影响到本节点的传输性能，而且使得周围邻节点需要等待较长的时间才有机会进行传输，从而降低了整个系统的性能。因此我们需要通过节点间的相互协作来提高网络的性能。一种简单有效的方法是：通过引入一个邻节点(称之为Helper节点)来协助源节点到目的节点的传输。该Helper节点到源节点和目的节点的信道条件均比较理想，因此可以支持高速率协作传输，从而提高了整个网络的饱和吞吐量。然而，随着协作的引入，分布式网络的MAC协议设计也变得更加复杂并且要面临许多新问题与挑战。
2 分布式协作多址协议中的问题与挑战
2.1 “协作”还是“不协作”
从信息论的角度出发，协作总是能够带来系统增益，如分集增益等。然而在实际系统中，为了实现节点间的协作，MAC层协议需要引入额外开销(如：协议开销和空间开销等)，从而导致协作性能的下降甚至完全抵消协作带来的增益，对系统带来负面影响。因此在设计时考虑根据不同的系统参数(如包长、传输速率等)来综合考虑是否引入协作。
2.2 如何选择协作节点
在分布式网络中，协作节点的选择需要考虑多重因素：
提高传输速率，即在引入协作节点后要能够显著提高信息的传输速率；
降低干扰，由于协作的引入从而增加了对网络中其他节点的干扰，那么在协作节点选择时应尽量减少对其他数据流的干扰，进而增加网络的空间复用度；
公平性，协作节点消耗了自身的能量来帮助源节点完成通信，因此在协作节点选择时应充分考虑到网络的公平性，尽量避免某些节点的过分使用。
2.3 隐藏终端和暴露终端
隐藏终端和暴露终端是分布式网络中的重要问题，由于协作需要增加节点间的握手信息，因此在引入协作后隐藏终端和暴露终端问题变得更加严峻，这会大大降低协作的成功概率，因此如何减少、避免隐藏终端和暴露终端的影响是分布式协作协议中需要重点考虑的问题，其主要手段有：协议优化，智能天线的应用等。
3 典型的分布式协作多址协议
(1)CoopMAC协议
基于IEEE802.11协议，P.Liu等人首先提出了一种CoopMAC协议[5-7]，该协议使高速节点帮助低速节点完成传输，这不仅大大提高了网络的吞吐量，减小了节点的接入时延，同时还降低了各个节点的总能量消耗。在CoopMAC协议中每个节点将维护一张协同表，其中包括源节点到中继节点的速率，中继节点到目的节点速率，该表项更新的时间等，当有数据要传输时首先查找该协同表来判断是否有可以利用的协同节点从而决定是否使用协同传输。当需要协作时，源节点S首先发送请求协作发送帧(CoopRTS)；Helper节点H在正确收到CoopRTS后，判断是否能够支持源节点所期望的传输速率，如果可以即发送协作节点确认发送帧(HTS)；最后目的节点D回复确认发送帧(CTS)，从而静默了周围其他的邻节点，成功预约到信道的使用权，完成了协作握手过程。此后，源节点以高速将数据发送给Helper节点，并由它高速地转发给目的节点。而当源节点和目的节点不需要协作传输以及不存在协作节点时，则使用传统的802.11b协议。CoopMAC协议的握手过程如图1所示。
