分布式协作通信网络中的MAC层协议

1、专题盛敏等分布式协作通信网络中的mac 层协议zte communications中兴通讯技术282010年 2月第 1 6卷第 1期f eb. 2010vol.16 no.1分布式协作通信网络中的mac 层协议mac protocolsfordistributedcooperativecommunicationnetworks盛敏/shengmin张琰/zhangyan李建东/li jiandong( 西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室，陕西西安710071 )(statekey lab of integratedservicenetworks ,xidianuniversity,xi

2、 an 710071 , china )中图分类号：t n929.5文献标 识码： a文章编号： 1 009- 6868 (2010) 01- 0028- 04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，

3、 才 能使 协同通信技术在分布式网络中得到更好应用。协作通信； 媒体接入控制；分布式； 资源分配throughcoordinationamongnodes , networkresourcecan be shared indistributedcooperativecommunicationnetworks.however,efficientmac protocolisa core issue for such networks.in this paper,the motivationof cooperationin themac layer is firstdiscussed.further

4、more, we investigatethe issuesand challengesindesigninga mac protocolfor distributedcooperativecommunicationnetworks.finally,the classic cooperativemac protocolsare introducedand analyzed.resultsshowthatthe characteristicand requirementof distributednetworksshould be fully consideredincooperativemac

5、 designto apply erativecommunications; mac;distributednetworks; resourceallocation摘要：关键词：abstract:key w ords :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(6097204

6、8)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

7、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。1mac 层的协作动机当 前 ， ieee 802.114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 ieee802.11b

8、 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 )

9、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 总是专题盛敏等分布式协作通信网络中的mac 层协议zte communications中兴通讯技术29feb. 2010vol.16 no.12010年 2月 第 16卷第 1期能够带来系统增益，

10、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：誗 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；誗 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

11、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；誗 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

12、 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coopm ac 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

13、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

14、。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 。在全连通的网络中，协作传输 所 需 要 的 3次 握 手 机 制 和 传统的 rts/cts 握手机制并没有太大 区 别，仅 仅 是 增 加 了 握 手 复杂度和握手时间。然而，在分布式多 跳 网络 中 ， 3次 握手 机 制 则更 容 易 受 到 隐 藏 终 端 的 影 响 。从图 2 中我们 可 以 看到 ： 当 源 节点发 送 cooprts时，节 点 b,c,e,f,g,m,i均为隐藏终端，其中任何节点发

15、送信息均会影 响 到 cooprts的正确接收， 而当 helper节点发送hts时，节 点 b,e,f,g仍 然 为 隐 藏 终 端 。因此，以节点 b为例，其在较长的时间内 均 可 以 干 扰 到 当 前 握 手 信 息 的 传输。由此我们可以看出隐藏终端问题严重影响到coopm ac 协议在多跳分布式网络中的性能，应该引起协议设计人员的广泛关注。(2)“ 按需 ”协同 mac协议有些研究者认为在coopm ac协议中 每 个 节 点 都 要 维 护 到 各 个 邻 节 点的协同表，不仅增大了存储的开销，而 且 由 于 节 点 的 移 动 性 以 及 信 道 的时变性， 使得协同表的更新无

16、法跟上网络状态的变化，因此他们在文献8中提出了在 “ 按 需 ” 的 协同 mac协议， 协议中节点并不维护任何协同节点 的 信 息 ， 当 有 数 据 要 发 送 时 ， 通 过源节点首先发送rts信息，目的节点收到后回复cts信息，那么潜在的协作 节 点 通 过 这 两 个 握 手 信 息 即 可 以获 得 源 节 点 到 本 节 点 以 及 目 的 到 本节点 的 信道 信 息 ： hsr和 hrd。 协 作 节点 通 过 设 置 退 避 时 间 t 来 竞 争 参 与协作，t 是 hsr和 hrd反比例函数，当退避计时器减为零时，协作节点发送同意中继帧 (rtr) 如图 3所示 。但是

17、该协议 在 预 约 协 作 节 点 的 过 程 中 可 能 会发 生 碰 撞 从 而 导 致 整 个 握 手 过 程 失败， 如图 4所示 。(3)能够 联 合解 信 号 的协 同 mac中兴通讯技术302010年 2月第 1 6卷第 1期f eb. 2010vol.16 no.1协议在最早提出的coopmac协议中仅仅 利 用 了 802.11 中 的 多 速 率 传 输 特性， 而当目的节点能够联合解分别来自源节点和目的节点的信号时，才形成 了 真 正 意 义 上 的 虚 拟 mimo系 统 。由于信号来源于不同的时间和节点，因 此 系 统 可 以 获 得 空 间 分 集 和 时 间分集

18、。f.liu 等 在 文 献 9 提 出 了 相 应 的增 强 型 coopm ac协 议 ， 其 握 手 过 程 以及 信 息 传 输 过 程 和 coopmac协 议 基本一致，如图 5所示 。 目的节点将收到的 两 个 信 息 备 份 联 合 处 理 从 而 获 得增益 。分布式多跳网 络 中 ， 其仿 真 性 能相 对 于 原 始 coopmac 协 议 能 够 获 得10%左右的吞吐量增益。然而这也给硬件设备提出了更高的要求。(4) 支持 方 向 性天 线 的 协同 mac协议在协同通信过 程 中 ， 由于 协 同 节点的引入， 从网络角度看整个网络的复用度会有所下降，如何弥补这一损

19、失 是 协 同 mac 协 议 设 计 的 一 个 重 要问题，也是当前研究的热点10。在 文 献 11 中 z.f.tao 等 人 ， 在 节点配备有方向性天线的条件下，提出了一种 d- coopm ac协议 。如图 6所示，源 节 点 有 数 据 要 传 输 时 首 先 全 向 广播 rts信息，协同节点收到后将发射天 线 方 向 对 准 目 的 节 点 发 送 hts信息 ，目 的 节点 成 功 收到 rts和 hts后向源节点方向回复cts信息，此后的数据发送过程中均使用方向性传输。该 方 法 一 定 程 度 上 减 少 了 由 于 协 同带来的网络空间复用度下降的问题，当 然 解 决

20、 问 题 的 同 时 也 增 加 了 设 备的复杂度和成本。图 7给 出 了 d- coopm ac 协 议 的 吞吐量性能， 值得注意的是随着方向性天 线的 波 束 增 加 ， d- coopm ac的 性 能反 而 不 如 直 接 使 用 方 向 性 天 线 传 输的性能， 这由于是协同网络需要利用一个空间复用度来完成协作，另外控制 分 组 开 销 也 造 成 了 网 络 性 能 的 损失。由此可以看出在实际网络中协作的使用必须具有选择性，否则会适得其反 。通 过 分 析 上 述 几 种 典 型 的 协 作mac 协 议 ， 我 们 可 以 看 出 ： 针 对 不 同的网络环境以及不同配置

21、，我们需要选择不同的设计准则和方法，只有这样 才 能 使 协 作 通 信 理 论 上 的 增 益 落到实处，从而提高整个网络的性能。4 结束语本 文 研 究 了 分 布 式 网 络 中 mac层协作的动机，分析给出了分布式协作 网 络 中 mac层 协 议 设 计 所 面 临 的问题和挑战， 并介绍了近年来涌现的典 型 协 作 mac协 议 并 对 其 性 能 进 行了比较分析。目前，分布式网络中的协 同 mac协 议 研 究 仍 然 是 一 个 开 放性 的 问 题 ， 如 何 设 计 简 单 、 高 效 的 协同 mac 协 议 并 在 理 论 上 给 出 相 应 的性 能 分 析 是 未

22、 来 的 重 要 研 究 方 向 之一。 另外，现有的协同mac协议中并没有讨论节点间的公平性问题，而该问 题 很 有 可 能 使 得 网 络 趋 于 非 协 同专题盛敏等分布式协作通信网络中的mac 层协议zte communications图6 d- coopmac1 lanemanj n, tse d, wornellg w.cooperativediversityin wirelessnetworks :efficientprotocolsand outage behaviorj .ieee transactions on informationtheory,2004, 50(12):

23、 3062- 3080.2 sendonaris a, erkip e, aazhang b.user cooperationdiversity,part i: systemdescriptionj . ieee transactions oncommunications, 2003,51(11):1927- 1938.3 sendonaris a, erkip e, aazhang b.user cooperationdiversity,part ii:implementationaspects and performanceanalysis j. ieee transactions onc

24、ommunications, 2003,51(11):1939-1948.4 ansi/ieee std 802.11.ieee lan manstandard, part 11: wireless lan mediumaccess control (mac) and physical layer(phy) specifications s. 1999.5 liu p, tao z, panwar s. a cooperativemac protocol for wirelesslocal area networksc/proceedingsof ieee internationalconfe

25、renceon communications(icc05):vol5, may 16- 20 ,2005, seoul, korea.piscataway,nj, usa: ieee, 2005:2962- 2968.6 liu p, tao z, narayanans, et al.coopmac:a cooperativemac for wirelesslans j . ieee journal on selected areas incommunications, 2007,25(2):340- 354.7 zhu h, cao g. rdcf: a relay- enabledmedi

26、umaccess control protocol for wirelessad hoc networks c/proceedingsof 24thannual joint conferenceof the ieeecomputerand communicationssocieties(infocom 05): vol 1, mar 13- 17, 2005,miami,fl,usa. piscataway,nj,usa: ieee,2005: 12- 22.8 tao guo, carrasco r, wai lok woo.performanceof a cooperativerelay-

27、 basedauto- rate mac protocol for wirelessad hocnetworks c/proceedingsof the 67thvehicular technologyconference(vtc- spring 08), may 11- 14,2008,singapore. piscataway,nj, usa ieee, 2008:11- 15.9 liu feilu, korakis t, tao zhifeng, et al. amac- phy cross- layer protocol for wirelessad- hoc networks c/

28、proceedingsof wirelesscommunicationsand networkingconference(wcnc08),mar 31- apr 3, 2008, las vegas,nv, usa. new york ny,usa: ieee, 2008:1792- 1797.10 moh s, yu c, park s m, et al. cd- mac:cooperativediversitymac for robustcommunicationin wirelessad hoc networksc/proceedingsof ieee internationalconf

29、erenceon communications(icc 07),jun 24- 28,2007,glasgow ,uk. piscataway,nj,usa: ieee,2007:3636- 3641.11 tao zhifeng, korakis t, liu feilu, et al.cooperation and directionality:friends orfoes ? c/proceedingsof ieee internationalconferenceon communications(icc08),may 19- 23,2008, beijing, china.piscataway,nj,usa: ieee, 2008:4424- 4430.收稿日期：2009- 11- 03盛敏，西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室教授、 博士生导师，主要研究领域为移动通信 、 无线自组织网络、 认知无线网络等；主持和参加国家级科研项目10项；已发表论文