周曉東　張文柱　李克

摘 要：協(xié)作通信可以有效提高無線通信質(zhì)量，這在物理層已取得不少成果。由于媒質(zhì)接入控制（MAC）協(xié)議對于無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作十分重要，因而協(xié)作MAC協(xié)議已成為研究熱點(diǎn)。目前已提出不少協(xié)作MAC，但尚未有研究者對已有成果進(jìn)行全面總結(jié)。文中對目前關(guān)于協(xié)作MAC的研究進(jìn)行了較為全面的綜述，并按照協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇方法和數(shù)量對已有協(xié)作MAC 分類并作出簡要介紹。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)；協(xié)作通信；媒質(zhì)接入控制；協(xié)作MAC

中圖分類號：TP393.04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-00-05

0 引 言

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，無線通信的應(yīng)用越來越廣泛。然而，無線信道的衰落嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量，如何抵抗衰落以提高傳輸可靠性是無線通信中的一個(gè)重要課題。實(shí)現(xiàn)分集的方法有時(shí)間分集、頻率分集和空間分集?？臻g分集來源于MIMO系統(tǒng)[1]，通過在發(fā)射端/接收端安裝多根天線來實(shí)現(xiàn)。多根天線在物理空間上要分開一定的距離，以保證信道的獨(dú)立性?？臻g分集中，信號副本以空域冗余的形式到達(dá)接收端。然而由于多天線的局限性，A.Sendonaris等人提出了協(xié)作分集[2]，它的基本思想是系統(tǒng)中的每個(gè)移動(dòng)終端都有一個(gè)或多個(gè)合作伙伴，合作伙伴之間有責(zé)任在傳輸自己信息的同時(shí)，幫助其伙伴傳輸信息。這樣每個(gè)終端在傳輸信息的過程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空間信道，從而獲得空間分集增益。與非協(xié)作系統(tǒng)相比，采用協(xié)作方式能獲得明顯的性能增益。雖然協(xié)作分集在物理層可以提高性能，但如果上層協(xié)議設(shè)計(jì)不當(dāng)，也無法利用物理層的優(yōu)勢來提高網(wǎng)絡(luò)性能，所以如何設(shè)計(jì)高層協(xié)議顯得十分關(guān)鍵[3]。物理層的分集增益能直接被MAC層利用，故協(xié)作MAC的設(shè)計(jì)尤為重要。文獻(xiàn)[4]總結(jié)了設(shè)計(jì)協(xié)作MAC協(xié)議時(shí)需要考慮的一些重要問題，如是否協(xié)作，若協(xié)作，誰是協(xié)作節(jié)點(diǎn)，又如何選擇，如何解決協(xié)作場景下的隱藏終端和暴露終端等問題。文獻(xiàn)[5]也闡述了在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用協(xié)作中繼時(shí)需要考慮的問題，諸如協(xié)作伙伴選擇、速率自適應(yīng)、業(yè)務(wù)自適應(yīng)和多跳協(xié)作等。這些問題還有待于更深入的研究，又因?yàn)閰f(xié)作MAC協(xié)議相比傳統(tǒng)MAC協(xié)議可以大大改善性能，故關(guān)于協(xié)作MAC協(xié)議的研究目前已經(jīng)引起很多研究者的極大興趣。

1 協(xié)作MAC的基本思想

文獻(xiàn)[4]中提出的協(xié)作MAC是一種主動(dòng)協(xié)作方式，即試圖通過協(xié)作節(jié)點(diǎn)（本文提到的協(xié)作伙伴和中繼節(jié)點(diǎn)等與協(xié)作節(jié)點(diǎn)是同一概念）中繼來完成兩跳傳輸。而文獻(xiàn)[6-8]則采用協(xié)作ARQ的思想，即只有在目的節(jié)點(diǎn)不能正確接收數(shù)據(jù)的情況下，才啟用協(xié)作，讓中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作重傳數(shù)據(jù)。這兩種方式并不沖突，所以有時(shí)也會(huì)綜合到一個(gè)協(xié)議中。文獻(xiàn)[7]提出了一般性的協(xié)作ARQ思想，在這個(gè)思想基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]利用目的節(jié)點(diǎn)不同的回復(fù)區(qū)分接收失敗是由碰撞還是衰落造成的，只有在衰落情況下才協(xié)作重傳，文獻(xiàn)[8]則將數(shù)據(jù)分成若干等長數(shù)據(jù)段，只重傳發(fā)生錯(cuò)誤的那部分，文獻(xiàn)[9]的重傳階段提供多個(gè)時(shí)隙供正確收到分組的潛在協(xié)作節(jié)點(diǎn)競爭，目的節(jié)點(diǎn)反饋競爭結(jié)果，成功的節(jié)點(diǎn)則在下一幀數(shù)據(jù)段重傳分組，而每幀的數(shù)據(jù)段都介于競爭時(shí)隙段與目的節(jié)點(diǎn)反饋段之間。潛在協(xié)作節(jié)點(diǎn)一直重復(fù)該過程，直到目的節(jié)點(diǎn)正確收到數(shù)據(jù)。

協(xié)作節(jié)點(diǎn)（Relay，Helper或Partner）的選擇是協(xié)作MAC設(shè)計(jì)的重要問題，因?yàn)閰f(xié)作節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量（信道好壞、剩余能量多少、負(fù)載水平等）直接影響協(xié)作增益，選擇不當(dāng)很可能導(dǎo)致性能降低。文獻(xiàn)[10]提出的協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇方法是在網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)過程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取一個(gè)GI（Group Identifier），并向周圍節(jié)點(diǎn)廣播，確保任何兩個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的GI不同。節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組時(shí)，先隨機(jī)獲取一個(gè)GI放入分組頭，與該GI匹配的鄰節(jié)點(diǎn)則成為中繼節(jié)點(diǎn)。但是要成為中繼節(jié)點(diǎn)，還必須經(jīng)過鏈路狀態(tài)評估。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)鏈路狀態(tài)表，保存與所有鄰節(jié)點(diǎn)之間的信道狀態(tài)。中繼節(jié)點(diǎn)通過接收信號強(qiáng)度衡量信道狀態(tài)，只有協(xié)作傳輸信道狀態(tài)好于直接傳輸時(shí)，才參與協(xié)作，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。文獻(xiàn)[11]則基于多徑路由信息從鄰節(jié)點(diǎn)中選擇四個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并在MRTS中按照最短路徑或最少分組數(shù)，抑或最少錯(cuò)誤數(shù)設(shè)定四個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級。四個(gè)節(jié)點(diǎn)若成功收到MRTS，則按照優(yōu)先級次序回復(fù)CTS，最早回復(fù)的則作為接收節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)退避。

當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)被選擇后，如何接入信道參與協(xié)作也是設(shè)計(jì)協(xié)作MAC的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[12]中提出了一種協(xié)作節(jié)點(diǎn)堅(jiān)持接入策略，多個(gè)候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)執(zhí)行退避接入，最先完成的成為最終協(xié)作節(jié)點(diǎn)。若失敗，則重新退避后接入，直到成功。文獻(xiàn)[13]介紹了一種基于簡單的on/off衰落模型的等概中繼方法，處于on狀態(tài)的信道無衰落，而處于off狀態(tài)的信道深度衰落，并且每個(gè)信道處于兩種狀態(tài)的概率是固定的。若直傳信道處于off狀態(tài)，則需要中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。每個(gè)偵聽到數(shù)據(jù)分組的節(jié)點(diǎn)都以固定概率τ轉(zhuǎn)發(fā)。使成功傳輸?shù)母怕首畲蠡?，可以求得中繼節(jié)點(diǎn)最佳轉(zhuǎn)發(fā)概率τ，并且能得到中繼節(jié)點(diǎn)的最佳個(gè)數(shù)K。

能量問題也是需要在協(xié)作MAC設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮的重點(diǎn)，因?yàn)閰f(xié)作節(jié)點(diǎn)不但發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，同時(shí)還轉(zhuǎn)發(fā)伙伴的數(shù)據(jù)，這就增加了自己的功耗，特別是對于以電池作為能源的移動(dòng)終端來說，節(jié)能考慮十分必要。文獻(xiàn)[14]提出了關(guān)于功率分配的OPA（Optimal Power Allocation）和EPA（Equal Power Allocation）策略。根據(jù)OPA或EPA，可以得到最大單位能量、節(jié)省單位能量與中繼節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，根據(jù)這些關(guān)系可以最佳地分配功率。文獻(xiàn)[15]也介紹了兩種功率分配的方法，分別為最小分組平均耗能和最大網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間方法。前者使每個(gè)分組傳輸消耗的能量最小，后者則使得剩余能量最小的節(jié)點(diǎn)能量最大化。潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件求出自己以及相應(yīng)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，并求得競爭退避時(shí)間。在數(shù)據(jù)傳輸階段，一般的協(xié)作模式總是把數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)作節(jié)點(diǎn)，然后由協(xié)作節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)。但也可以把數(shù)據(jù)直接發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)是通過偵聽得到的。目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí)，有些協(xié)議考慮采用合并技術(shù)[16]，從而提高信噪比，達(dá)到更好的性能。此外，針對不同網(wǎng)絡(luò)或不同應(yīng)用的不同特點(diǎn)和性能要求，需要考慮的問題也不一樣。例如，無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同于一般的無線網(wǎng)絡(luò)，其要求同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性和可靠性，并且分組基本較短，因此無控制分組的協(xié)作MAC更合理[17]。

2 典型協(xié)作MAC

以上介紹了協(xié)作MAC的基本思想，以及需要考慮的一些問題，目前已有不少研究提出了一些協(xié)作MAC，下面將對現(xiàn)有的一些協(xié)作MAC進(jìn)行歸納分類，并作出簡要介紹。

2.1 協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制類協(xié)議

發(fā)方預(yù)選協(xié)作節(jié)點(diǎn)在這類協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制的協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)需維護(hù)一個(gè)記錄作為自己協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信息表，在需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，從表中選擇最好的（可以有多種依據(jù)，如最小距離、最小干擾、最大速率等）協(xié)作節(jié)點(diǎn)，然后發(fā)出邀請。選擇的協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。

Rsh是源節(jié)點(diǎn)與協(xié)作節(jié)點(diǎn)之間的速率，Rhd是協(xié)作節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的速率，Rsd是源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的速率。節(jié)點(diǎn)若有分組發(fā)送，則在CoopTable中搜索傳輸時(shí)間最短的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送CoopRTS，其中含有協(xié)作節(jié)點(diǎn)ID、Rsh、Rhd信息。如果找不到合適的helper，則使用常規(guī)的802.11模式。協(xié)作節(jié)點(diǎn)在Rsh、Rhd仍有效時(shí)，在收到CoopRTS后發(fā)送HTS。目的節(jié)點(diǎn)收到自己MAC地址的CoopRTS，等待相應(yīng)的HTS，然后回復(fù)CTS，源節(jié)點(diǎn)成功收到CTS后以速率Rsh發(fā)送給協(xié)作節(jié)點(diǎn)，之后由協(xié)作節(jié)點(diǎn)以速率Rhd發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。

CARD（Cooperative Access with Relay's Data，CARD）協(xié)議[19]類似CoopMAC，也是通過偵聽RTS/CTS/DATA估計(jì)或獲取速率信息，用以維護(hù)一個(gè)類似CoopTable的relay-weights，記錄中繼節(jié)點(diǎn)的MAC地址以及權(quán)重值，即計(jì)算得到的可節(jié)省時(shí)間。與CoopMAC不同的是，CARD中RTS指定的中繼節(jié)點(diǎn)是在RTS/CTS成功交互后才發(fā)送RCTS參與協(xié)作。CARD中的RTS只有源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的速率，而沒有中繼節(jié)點(diǎn)的兩跳速率，并且只用2個(gè)比特表示四種速率。ACK用2比特表示成功收到源節(jié)點(diǎn)和（或）目的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)或者都沒有收到。其不同之處在于中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送完源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，可以接著發(fā)送自己的數(shù)據(jù)（必須與源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組的目的地址相同），而不用重復(fù)RTS/CTS交互。

類似CoopMAC，文獻(xiàn)[20]提出的BTAC協(xié)議只是把RTH換成一個(gè)時(shí)隙的忙音（busy tone），并且RTS/CTS預(yù)約的NAV不再是到ACK結(jié)束，而是到CTS結(jié)束。節(jié)點(diǎn)需維護(hù)CoopTable和look-up 表，look-up表記錄同一BSS或鄰節(jié)點(diǎn)地址。BTAC有非協(xié)作、協(xié)作兩種模式，控制分組分別為RTS/CTS、MRTS/MCTS，BTAC利用type、subtype 值來區(qū)分MRTS與RTS。MRTS將接收地址和發(fā)送地址異或，偵聽到的節(jié)點(diǎn)將該字段與自己的地址異或，再查詢look-up表，若存在則說明自己等待接收MCTS。

CO-MAC協(xié)議[21]也需要維護(hù)一個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)表，不同于CoopTable，該表只有協(xié)作節(jié)點(diǎn)地址、與協(xié)作節(jié)點(diǎn)間信道增益和該信息記錄時(shí)間三項(xiàng)信息。節(jié)點(diǎn)通過測量偵聽到的RTS/CTS分組信號強(qiáng)度，計(jì)算即時(shí)無線信道信息h。節(jié)點(diǎn)S有數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)D時(shí)，首先檢查中繼節(jié)點(diǎn)表，選擇節(jié)點(diǎn)S與中繼節(jié)點(diǎn)R之間信道狀態(tài)最好的中繼節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)R收到RTS后，檢查自己是否可以為節(jié)點(diǎn)S轉(zhuǎn)發(fā)信息，如果可以，則在SIFS時(shí)間后發(fā)送RC（Relay Confirmation）給節(jié)點(diǎn)S、D；若不可以，節(jié)點(diǎn)R保持空閑。目的節(jié)點(diǎn)D收到RC后，利用信道信息hs，d、hr，d計(jì)算Pf、Pr，最終計(jì)算吞吐量Tr，只有Tr>T時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)D才決定使用中繼節(jié)點(diǎn)R。完成決策后，節(jié)點(diǎn)D利用CTS告知節(jié)點(diǎn)S是否采用節(jié)點(diǎn)R作為中繼。

Pf為節(jié)點(diǎn)S發(fā)送成功的概率，t為一次完整傳輸所需時(shí)間，包括RTS、CTS等控制幀的時(shí)間。Pr為中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)成功概率，ts為直接傳輸成功的傳輸時(shí)間，tr為需要中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的傳輸時(shí)間。如果中繼節(jié)點(diǎn)R正確接收數(shù)據(jù)幀，則偵聽是否有ACK。如果兩個(gè)SIFS 時(shí)間后沒有偵聽到ACK，則說明目的節(jié)點(diǎn)D接收失敗，所以節(jié)點(diǎn)R轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)D。若偵聽到ACK則說明目的節(jié)點(diǎn)D已正確收到數(shù)據(jù)幀，中繼節(jié)點(diǎn)R無需轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，刪除收到的數(shù)據(jù)幀。

2.2 潛在協(xié)作節(jié)點(diǎn)競爭

這類協(xié)作MAC協(xié)議不像上述MAC協(xié)議那樣通過協(xié)作節(jié)點(diǎn)在發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸時(shí)指定選擇的一個(gè)或多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)，而是潛在協(xié)作節(jié)點(diǎn)通過偵聽節(jié)點(diǎn)對的傳輸，通過一定的判斷算法判斷自己是否能夠?yàn)檫@對通信節(jié)點(diǎn)提供協(xié)作，如果可以則按照相應(yīng)方式競爭成為協(xié)作節(jié)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[22]以802.11協(xié)議為基礎(chǔ)，提出了CMAC-ARS（Automatic Relay Selection）協(xié)議。潛在協(xié)作節(jié)點(diǎn)通過偵聽RTS、CTS幀獲取源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)之間的目標(biāo)速率Rd以及與源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量SNRsr、SNRrd，根據(jù)下式判斷是否可以作為中繼節(jié)點(diǎn)：

滿足以上條件的節(jié)點(diǎn)在收到RTS和CTS后發(fā)送RRTS，源節(jié)點(diǎn)收到RRTS后啟動(dòng)三方握手，RRTS通過NAV來預(yù)約周邊信道。若Ci≥γRd，則在兩個(gè)忙音時(shí)隙各發(fā)送一個(gè)忙音；若Ci<γRd，則只在第一時(shí)隙沒有忙音時(shí)才在第二個(gè)忙音時(shí)隙發(fā)送忙音。協(xié)作節(jié)點(diǎn)等概率地在忙音時(shí)隙后的N個(gè)時(shí)隙中的一個(gè)時(shí)隙發(fā)送RRTS。忙音可起到3個(gè)作用：

（1）源節(jié)點(diǎn)若沒有收到忙音則啟動(dòng)非協(xié)作傳輸，不必等到SIFS加N個(gè)時(shí)隙時(shí)間，減小了時(shí)延；

（2）協(xié)作節(jié)點(diǎn)分成兩部分，可以減小碰撞概率；

（3）忙音可以被更廣范圍的節(jié)點(diǎn)檢測到，減小潛在中繼的隱終端問題的影響。

CRABR協(xié)議[23]通過偵聽RTS/CTS可以估計(jì)與收發(fā)節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)，并且可以從CTS中提取收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的發(fā)送速率。節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道狀態(tài)信息可以得出各鏈路支持的速率，從而計(jì)算直接傳輸、簡單中繼或協(xié)作中繼所需時(shí)間，簡單中繼即接收處不合并信號，而協(xié)作中繼則需要合并信號，所以協(xié)作節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)速率必須與發(fā)送節(jié)點(diǎn)速率一致。如果通過采用簡單中繼或協(xié)作中繼可以節(jié)省時(shí)間，節(jié)點(diǎn)就將自己視為候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)。候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)在N個(gè)時(shí)隙內(nèi)采用p堅(jiān)持退避策略發(fā)送RTR（Ready to Relay），能夠達(dá)到更高傳輸速率的候選節(jié)點(diǎn)堅(jiān)持接入的概率p越大。發(fā)送節(jié)點(diǎn)若在收到CTS后M個(gè)退避時(shí)隙內(nèi)沒有協(xié)作節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTR，則采用直接傳輸。CRBAR協(xié)議采用信道預(yù)約取消機(jī)制。數(shù)據(jù)傳輸完成后，接收節(jié)點(diǎn)采用ACK取消不必要的信道預(yù)約，并通知鄰節(jié)點(diǎn)信道空閑。

文獻(xiàn)[24]基于DBTMA提出了CTBTMA，發(fā)送忙音BTt和接收忙音BTr，并增加協(xié)作節(jié)點(diǎn)忙音BTh以避免在協(xié)作節(jié)點(diǎn)處的碰撞。源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送RTS，并同時(shí)發(fā)送BTt忙音，目的節(jié)點(diǎn)D回復(fù)CTS，并發(fā)送BTr忙音，潛在協(xié)作節(jié)點(diǎn)則根據(jù)偵聽到的信道狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)長度的BTh忙音，持續(xù)時(shí)間最長的則成為最終協(xié)作節(jié)點(diǎn)，然后發(fā)送RTH分組，并發(fā)送BTh忙音直到收到ACK。節(jié)點(diǎn)S收到RTH后停止發(fā)送忙音，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，而目的節(jié)點(diǎn)D則轉(zhuǎn)而發(fā)送BTh忙音直到收到ACK，以保證數(shù)據(jù)接收。

Synergy MAC協(xié)議與前面幾個(gè)協(xié)議不太一樣[25]，每個(gè)節(jié)點(diǎn)也需要維護(hù)一個(gè)synergy Table，每欄有五個(gè)域，分別為源節(jié)點(diǎn)ID、最新偵聽到該源節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻Time、該節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)的可用速率Rsr、目的節(jié)點(diǎn)ID以及源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)速率Rsd。協(xié)作節(jié)點(diǎn)通過查表可以獲取三個(gè)信道速率，從而根據(jù)是否能節(jié)省時(shí)間來決策是否參與協(xié)作，所有滿足條件的潛在協(xié)作節(jié)點(diǎn)在RTS后一段時(shí)間內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送標(biāo)記自己地址的CTSr，選擇最小時(shí)隙的則成為最終協(xié)作節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)是否收到CTSr判斷是否采用協(xié)作，并設(shè)置CTSd中預(yù)留的More Fragments以區(qū)分協(xié)作、非協(xié)作模式。

2.3 單協(xié)作節(jié)點(diǎn)的協(xié)作MAC

使用單協(xié)作節(jié)點(diǎn)的協(xié)議比較簡單，能快速選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)，并且不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)間的沖突問題，但單個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)有時(shí)可能質(zhì)量不好，或不能參加協(xié)作，這樣就會(huì)降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作性能。

基于CMAC協(xié)議和NCSW，文獻(xiàn)[26]提出了CR（Cooperative Retransmission）-MAC協(xié)議。該協(xié)議有三點(diǎn)改進(jìn)：

（1）區(qū)分協(xié)作幀和非協(xié)作幀，以避免模糊ACK/NAK問題；

（2）引入業(yè)務(wù)類別，協(xié)作幀先發(fā)送；

（3）根據(jù)即時(shí)信道狀況選擇最佳節(jié)點(diǎn)幫助發(fā)送節(jié)點(diǎn)重傳。協(xié)作節(jié)點(diǎn)收到ACK則銷毀相應(yīng)幀的副本，若收到NAK則與發(fā)送節(jié)點(diǎn)協(xié)作重傳。目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的NAK可以用來估計(jì)協(xié)作節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的信道信噪比，候選協(xié)作節(jié)點(diǎn)計(jì)算退避時(shí)間，退避最短的成為最終協(xié)作節(jié)點(diǎn)。

在rDCF協(xié)議[27]中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)偵聽網(wǎng)絡(luò)中的willing list來記錄某個(gè)節(jié)點(diǎn)對的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先給協(xié)作節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制分組，協(xié)作節(jié)點(diǎn)則將估計(jì)的與源節(jié)點(diǎn)間的信道速率通過控制分組發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)再根據(jù)自己的偵聽結(jié)果獲取相關(guān)三個(gè)信道的信息，通過CTS通知發(fā)方傳輸速率。節(jié)點(diǎn)提取CTS中的速率信息，可以知道收發(fā)方之間的信道狀態(tài)，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過偵聽RTS、CTS的信號強(qiáng)度可以判斷其與收發(fā)方之間的信道狀態(tài)。所有節(jié)點(diǎn)在偵聽過程若發(fā)現(xiàn)可以作為協(xié)作節(jié)點(diǎn)，則發(fā)送willing list，通知節(jié)點(diǎn)對更新協(xié)作節(jié)點(diǎn)表，供其在發(fā)送時(shí)選擇。由于傳輸速率是可變的，發(fā)送節(jié)點(diǎn)無法預(yù)知將要發(fā)送的分組的傳輸速率，所以發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送RTS時(shí)并非預(yù)約整個(gè)過程時(shí)間，只控制分組交互的時(shí)間，后續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送的NAV可以根據(jù)通過控制分組獲得的速率信息設(shè)置。這樣可提高信道利用率，因?yàn)榘捶菂f(xié)作方式設(shè)置NAV時(shí)間更長。

在文獻(xiàn)[28]提出的協(xié)作MAC協(xié)議中，源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送消息前需要跟目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行RTS/CTS握手以達(dá)到同步，編碼采用速率{R1， … ， Rm}的速率匹配刪余卷積碼（RCPC），R1> R2> … > Rm。節(jié)點(diǎn)開始只發(fā)送編碼序列的一個(gè)碼率為R1的子序列x1，目的節(jié)點(diǎn)若能正確解碼收到的序列y1，則無需協(xié)作，否則信道瑞利衰減系數(shù)高于門限節(jié)點(diǎn)成為潛在的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，所有中繼在K個(gè)微時(shí)隙中的每個(gè)微時(shí)隙以等概率pi發(fā)送HELLO消息給源節(jié)點(diǎn)，如果一個(gè)微時(shí)隙中只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，則競爭成功，否則失敗。源節(jié)點(diǎn)從競爭成功的中繼節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送子序列x2，x1∪x2形成碼率為R2的序列。目的節(jié)點(diǎn)結(jié)合收到的y1、y2序列進(jìn)行解碼。如果解碼錯(cuò)誤，則回復(fù)NACK，重復(fù)中繼競爭過程來選擇一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在t3時(shí)隙發(fā)送，直到成功解碼或碼率為Rm。

2.4 多協(xié)作節(jié)點(diǎn)的協(xié)作MAC

選擇多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以提高接收節(jié)點(diǎn)處的信噪比，確保傳輸?shù)某晒β?。如果只有一個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或者信道衰落等原因造成該單一協(xié)作節(jié)點(diǎn)無法提供協(xié)作，將會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)性能。使用多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)就可以增加有節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作的機(jī)率。

在文獻(xiàn)[29]中，提出了一種利用虛擬多入單出協(xié)作思想的協(xié)議。源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)都和多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)組成協(xié)作群，源節(jié)點(diǎn)等待CTS超時(shí)后，則啟動(dòng)協(xié)作。節(jié)點(diǎn)都先給群內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，然后一起發(fā)送，控制分組和數(shù)據(jù)分組都如此。為了能同時(shí)發(fā)送，協(xié)議采用了空時(shí)編碼。

文獻(xiàn)[30]以rDCF為基本框架提出了CODE協(xié)議，首先考慮使用兩個(gè)可用協(xié)作節(jié)點(diǎn)，如果不存在兩個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)，則退化為rDCF。當(dāng)節(jié)點(diǎn)對互相有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，引入網(wǎng)絡(luò)編碼，協(xié)作節(jié)點(diǎn)將二者數(shù)據(jù)異或后一次發(fā)送，而不需要各發(fā)送一次，這樣便節(jié)省了時(shí)間。源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)選擇兩個(gè)最好的節(jié)點(diǎn)R1、R2，發(fā)送CRTS1（Cooperative RTS），R1、R2收到CRTS1后各自產(chǎn)生新的CRTS，根據(jù)協(xié)作表的優(yōu)先級，假設(shè)R1質(zhì)量更好，則R1產(chǎn)生CRTS2，R2產(chǎn)生CRTS3，CRTS2先于CRTS3發(fā)送。D回復(fù)CCTS（Cooperative CTS），決定使用哪個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)、是否采用網(wǎng)絡(luò)編碼以及告訴S發(fā)送速率。根據(jù)不同的信道質(zhì)量，比較各鏈路可支持的速率，D可能有以下四種選擇：

（1）使用兩個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的速率比一個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)或直接傳輸都高；

（2）使用一個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)速率最高；

（3）直接傳輸速率最好；

（4）當(dāng)節(jié)點(diǎn)D也有分組要發(fā)送給節(jié)點(diǎn)S，D需要判斷是否要利用協(xié)作節(jié)點(diǎn)（1或2個(gè)）及網(wǎng)絡(luò)編碼來傳輸。

文獻(xiàn)[31]所提出的CD-MAC與文獻(xiàn)[29]的多入單出思想類似，只是CD-MAC的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)都只選用一個(gè)最好的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)A在一段預(yù)設(shè)的時(shí)間內(nèi)一直沒有發(fā)送過數(shù)據(jù)，那么節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一個(gè)HELLO消息，目的地址（address1）與源地址（address2）都為節(jié)點(diǎn)A，這樣就能及時(shí)更新其鄰節(jié)點(diǎn)中保存的關(guān)于節(jié)點(diǎn)A的信息。

3 結(jié) 語

無線系統(tǒng)的協(xié)作通信已經(jīng)引起了很多研究者的興趣，因?yàn)樗梢蕴峁┍葌鹘y(tǒng)通信性能更可靠、容量更大的通信方式。然而，如前文所述，協(xié)作MAC協(xié)議必須合理設(shè)計(jì)才能發(fā)揮協(xié)作通信的優(yōu)勢，因此針對協(xié)作MAC的研究越來越多。本文總結(jié)了目前關(guān)于協(xié)作MAC的研究工作，并對已有的協(xié)作MAC協(xié)議進(jìn)行分類討論。雖然已取得不少成果，協(xié)作MAC協(xié)議仍有許多問題有待深入研究，比如接入公平性、能量均衡等。

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