協(xié)同通信中的分布式協(xié)作多址協(xié)議

　　近年來，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(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騻鞑ヌ匦裕沟枚鄠€節(jié)點協(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[1-3]，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(quán)的技術(shù)，并且協(xié)同通信技術(shù)的重點也是如何優(yōu)化系統(tǒng)的資源分配，因此如何設(shè)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(shù)優(yōu)勢的重中之重。

　　MAC層的協(xié)作動機

　　當(dāng)前，IEEE 802.11[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)的測試及仿真平臺中也得到了廣泛的應(yīng)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(jìn)行調(diào)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(dāng)節(jié)點間的距離較遠(yuǎn)、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(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(luò)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(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)計也變得更加復(fù)雜并且要面臨許多新問題與挑戰(zhàn)。

　　分布式協(xié)作多址協(xié)議中的問題與挑戰(zhàn)

　　如何選擇協(xié)作節(jié)點：在分布式網(wǎng)絡(luò)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(luò)中其他節(jié)點的干擾，那么在協(xié)作節(jié)點選擇時應(yīng)盡量減少對其他數(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(yīng)充分考慮到網(wǎng)絡(luò)的公平性，盡量避免某些節(jié)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(wǎng)絡(luò)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(yán)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(yīng)用等。

　　“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(dǎo)致協(xié)作性能的下降甚至完全抵消協(xié)作帶來的增益，對系統(tǒng)帶來負(fù)面影響。因此在設(shè)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。