2012-03-01
近年來，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[1-3]，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。
MAC層的協作動機
當前，IEEE 802.11[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。
分布式協作多址協議中的問題與挑戰
如何選擇協作節點：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。
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。
“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。
