王希陽,，姜勝明，楊愷健

　?。ㄉ虾：Ｊ麓髮W 信息工程學院,， 上海 201306）

      摘要：水聲網(wǎng)絡的信道具有數(shù)據(jù)速率低以及傳播時延長的特點，如果采用握手機制減少數(shù)據(jù)沖突,，將降低信道利用率和網(wǎng)絡的吞吐量,。提出了一種基于接收節(jié)點發(fā)送短信號告知鄰居節(jié)點其接收狀態(tài)的水聲網(wǎng)絡MAC協(xié)議，即當接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)時,，向鄰居節(jié)點發(fā)送短信號通知其當前時刻不要發(fā)送數(shù)據(jù),，解決了隱藏終端和暴露終端的問題，并提高了網(wǎng)絡吞吐量,；除此之外,，使用短信號還能夠降低能量損耗。仿真結果表明該協(xié)議能夠實現(xiàn)上述目的,。

　　關鍵詞：信號,；接收端；水聲網(wǎng)絡,；MAC協(xié)議

0引言

　　對于共享媒介網(wǎng)絡,，節(jié)點需要媒體接入控制協(xié)議控制接入共享信道。共享媒介網(wǎng)絡中的隱藏終端和暴露終端問題導致網(wǎng)絡吞吐量大大降低,。陸地上的無線網(wǎng)絡主要有兩種方法緩解隱藏終端,，一種是采用握手機制，如MACA［1］協(xié)議,；另一種是通過發(fā)送忙信號機制,，基于這種機制的MAC協(xié)議有BTMA［2］、RIBTMA［3］和DBTMA［4］,。

　　目前已有許多MAC協(xié)議可以解決陸地上無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)沖突,，但是由于陸地上的MAC協(xié)議設計是以無線電波作為傳播媒介，傳播時延非常小,，幾乎可以忽略,，并且可用帶寬范圍很大，然而水下無線通信傳播時延長,、可用帶寬非常窄,，導致這些適用于陸地上的MAC協(xié)議不能直接應用到水下無線網(wǎng)絡,。水下通信主要是通過聲波作為通信媒介，而聲波在水中的傳播速度大約只有1 500 m/s,，這導致了非常長的傳播時延,。水聲信道的可用帶寬非常窄，只有幾到幾十千赫茲［5］,，如果再把信道劃分出一部分作為忙信號信道,，就會降低信道利用率，所以利用忙信號信道發(fā)送忙信號解決數(shù)據(jù)沖突不適用于水聲信道,。又由于水聲傳播時延長，對于基于握手機制的MAC協(xié)議也不適用于水下MAC協(xié)議,。

　　如果利用聲波信號解決數(shù)據(jù)沖突的問題,，就會避免基于握手機制帶來的長時延，同時使用非常短的聲波信號作為控制信號,，提高了信道的利用率,。本文基于這種思想提出了一種新穎的水聲網(wǎng)絡MAC協(xié)議，稱為“基于接收端信號”的MAC協(xié)議（RSSP）,。該協(xié)議的實現(xiàn)將在本文第2節(jié)闡述,。

1相關工作

　　當前，對于水下MAC協(xié)議的研究并沒有陸地上MAC協(xié)議研究成熟,，仍然處于研究的初期階段,。由于水聲信道的一些獨特的特點，使得水下MAC協(xié)議設計面臨巨大挑戰(zhàn),。

　　順序式CSMA［6］協(xié)議是一種無沖突的水聲網(wǎng)絡MAC協(xié)議,。該協(xié)議結合了輪詢調度算法和CSMA協(xié)議。在該協(xié)議中,，每個節(jié)點都以固定的順序發(fā)送數(shù)據(jù),，不需要等待一個最大的傳播時延。該協(xié)議有效減少了數(shù)據(jù)包的沖突,。但是每個節(jié)點需要一直偵聽信道和收到的所有的數(shù)據(jù)幀,，這將增加能量損耗，并且只有輪詢到一個節(jié)點時,，該節(jié)點才能發(fā)送數(shù)據(jù),。

　　TLohi［7］是一種在發(fā)送節(jié)點基于聲調競爭信道的水聲網(wǎng)絡MAC協(xié)議。在該協(xié)議中,，發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的時間被分成兩個部分,，信道預定時間（RP）和數(shù)據(jù)發(fā)送時間。信道預定時間又被分成了許多競爭環(huán)（CR）,。當發(fā)送節(jié)點想要發(fā)送數(shù)據(jù)簽時,，在CR期間先發(fā)送一個聲調給鄰居節(jié)點,，如果沒有收到來自鄰居的聲調，則該節(jié)點成功預定到信道,，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包,。TLohi協(xié)議利用時空不確定性和高時延特性，檢測沖突和競爭信道的節(jié)點數(shù),，來提高信道利用率,，并降低能量損耗。但是該協(xié)議需要在競爭環(huán)內處于空閑狀態(tài)監(jiān)聽信道,，并且對于水聲信道的長時延特點,，一個競爭環(huán)的時間太長。

　　在RIPT［8］協(xié)議中,，提出了一種在接收節(jié)點使用握手機制的MAC協(xié)議,。該協(xié)議根據(jù)水聲信道的長傳播時延特點，在接收節(jié)點調度多個鄰居節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的次序,。這圖1RSSP協(xié)議流程圖樣能夠獲得高的吞吐量,，同時也減緩了隱藏終端的問題。這個協(xié)議也有一些不足之處,，采用接收節(jié)點調度多個發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)順序的方法,，需要非常復雜的流量預測算法，同時對于水下信道長的傳播時延,，四路握手機制相對降低了信道的利用率,。

2協(xié)議設計

　　2.1協(xié)議概述

　　本文提出的RSSP協(xié)議是一種基于競爭式的水下MAC協(xié)議。該協(xié)議是在接收節(jié)點通過發(fā)送一個不攜帶任何信息的短小信號,，即通知信號（Notification Signal, NS）, 通知鄰居節(jié)點當前時刻不要發(fā)送數(shù)據(jù),。RSSP協(xié)議不需要像握手機制那樣在發(fā)送數(shù)據(jù)前，通過發(fā)送RTS/CTS控制包預定信道,，而是在接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)時,，向鄰居節(jié)點發(fā)送NS通知鄰居節(jié)點當前正在接收數(shù)據(jù)，當鄰居節(jié)點接收到NS后不會向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),。從而解決了隱藏終端和暴露終端的問題,，并提高了信道利用率。該協(xié)議的一個主要特點是通過信號解決隱藏終端和暴露終端的問題,，發(fā)送信號而不是發(fā)送控制包（如RTS/CTS）,，這樣不僅提高了頻帶利用率，同時還降低了能量損耗,，減小數(shù)據(jù)間的干擾,。另外一個特點是由接收節(jié)點決定鄰居節(jié)點是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，更有效地減少了數(shù)據(jù)的沖突。

　　2.2協(xié)議工作過程

　　當接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)時就向鄰居節(jié)點發(fā)送NS,，表示接收節(jié)點當前處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài),。若鄰居節(jié)點偵聽到NS，則表示該鄰居節(jié)點的周圍存在處于接收數(shù)據(jù)的節(jié)點,；若沒有偵聽到NS,，則表示該鄰居節(jié)點的周圍沒有存在處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)的節(jié)點，如果該節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù),，那么可以發(fā)送MAC層隊列的數(shù)據(jù),。從而解決了隱藏終端和暴露終端的問題。RSSP協(xié)議流程圖如圖1所示,，描述了節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程,。發(fā)送節(jié)點1競爭到信道，向接收節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)幀,，接收節(jié)點1接收到來自發(fā)送節(jié)點1的數(shù)據(jù)幀后,，如果發(fā)送節(jié)點1下一個數(shù)據(jù)幀的目的地址仍然是接收節(jié)點1，則接收節(jié)點1向鄰居節(jié)點（發(fā)送節(jié)點2,、3）發(fā)送一個NS，發(fā)送節(jié)點2,、3偵聽到NS后,，不向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送節(jié)點1等待一段時間Td后(其中Td=Tns+TSIFS,，Tns為發(fā)送NS的時延,，TSIFS為從接收狀態(tài)轉為發(fā)送狀態(tài)所需要的時間），向接收節(jié)點1發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀,，當發(fā)送節(jié)點1的下一個數(shù)據(jù)幀的目的地址不是接收節(jié)點1時,，接收節(jié)點1向發(fā)送節(jié)點1返回ACK確認。

　　2.2.1數(shù)據(jù)幀的幀頭

　　在MAC層輸出隊列里,，需要將數(shù)據(jù)幀進行編號,，如圖2所示。隊列里的數(shù)據(jù)幀根據(jù)目的地址進行編序,，如果有幾個連續(xù)的數(shù)據(jù)幀要發(fā)送到同一目的地址,，則對這幾個連續(xù)數(shù)據(jù)幀由大到小編號，并在數(shù)據(jù)幀的幀頭里標識該數(shù)據(jù)幀在連續(xù)隊列中的編號,。接收節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)幀頭中的編號決定向鄰居節(jié)點發(fā)送NS,，還是向發(fā)送節(jié)點返回ACK確認包。如果數(shù)據(jù)幀頭中的編號不為1,，則接收節(jié)點向鄰居節(jié)點發(fā)送一個NS,，否則接收節(jié)點向發(fā)送節(jié)點返回ACK確認包。　　

　　2.2.2接收節(jié)點發(fā)送通知信號

　　當一個節(jié)點接收到數(shù)據(jù)時,，首先根據(jù)數(shù)據(jù)包的包頭信息中數(shù)據(jù)幀的編號,，決定向鄰居節(jié)點發(fā)送一個NS還是一個ACK確認包。如果編號為1,，接收節(jié)點向發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個ACK確認包,，然后該節(jié)點處于空閑狀態(tài)；如果編號不為1,，則表明發(fā)送節(jié)點的下一個數(shù)據(jù)包也是發(fā)送給當前的接收節(jié)點,，此時接收節(jié)點向其鄰居節(jié)點發(fā)送一個NS，通知其鄰居節(jié)點,，該節(jié)點正在接收數(shù)據(jù),。鄰居節(jié)點接收到NS后，知道該節(jié)點正處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài),，此時如果鄰居節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送,，則退避等待該節(jié)點接收完數(shù)據(jù)。這樣就實現(xiàn)了接收節(jié)點調度發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送,。

　　2.2.3數(shù)據(jù)的發(fā)送

　　當一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時,，該節(jié)點首先偵聽是否有來自鄰居節(jié)點的NS，如果收到來自鄰居節(jié)點的NS,，則該節(jié)點等待一段時間 （Wait Period, WP）,，等待時間WP=τmax+Tns+TSIFS,其中τmax為到鄰居的最大傳播時延。如果在WP后沒有收到NS,，則該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),，否則繼續(xù)上述過程。如果在要發(fā)送數(shù)據(jù)時沒有收到來自鄰居節(jié)點的NS,，該節(jié)點需要等待一個WP時間,，WP時間后如果沒有收到來自鄰居節(jié)點的NS，則該節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù),。如果收到鄰居的NS,，繼續(xù)重復上述過程。當發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的編號為1時,，發(fā)送完該數(shù)據(jù)包后,，等待目的節(jié)點返回ACK確認包；當數(shù)據(jù)包的編號不為1時,，發(fā)送節(jié)點等待Td后發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀,，直到當前發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的編號為1后，發(fā)送節(jié)點等待目的節(jié)點返回ACK確認包,。

3仿真和結果分析

　　3.1仿真場景及參數(shù)

　　本文將對RSSP在靜態(tài)網(wǎng)絡拓撲結構中的網(wǎng)絡吞吐量,、掉包率和時延3個方面進行分析，并與現(xiàn)有的基于CSMA的MAC協(xié)議作對比。在靜態(tài)網(wǎng)絡拓撲中,，任意節(jié)點隨機分布在1 000 m×1 000 m的范圍內,，節(jié)點的發(fā)包率服從λ的泊松分布，水聲傳播速度為1 500 m/s,，數(shù)據(jù)傳輸速率為4 000 b/s,，數(shù)據(jù)包的長度為256 B。本文的仿真是對MAC協(xié)議的性能進行分析,，所以所有數(shù)據(jù)包的丟失都是由于MAC協(xié)議性能所導致,。本文使用3個指標評價MAC協(xié)議的性能。

　?。?）網(wǎng)絡吞吐量：在單位時間內所收到的數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù),。

　　（2）端到端延遲：所有數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時間與目的節(jié)點接收成功的時間差的平均值,。

　?。?）掉包率：接收到數(shù)據(jù)包個數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)的比值。

　　3.2仿真結果

　　如圖3所示,，當負載很小時,，隨著負載的增加兩種協(xié)議吞吐量相差不大。由于當負載很小時,，數(shù)據(jù)包的沖突很小,，所以此時兩種協(xié)議的性能差不多。但是當負載大于0.01時,，RSSP協(xié)議的吞吐量明顯比CSMA的高。這是因為當負載不斷增大時,， CSMA協(xié)議因隱藏終端而導致的數(shù)據(jù)包的沖突數(shù)量不斷增加,。RSSP協(xié)議利用NS極大程度地減緩了隱藏終端的問題，使得吞吐量有了很大的提高,。

　　圖4所示為RSSP協(xié)議與CSMA協(xié)議的掉包率的比較,。仿真結果中，隨著負載的增加,，RSSP協(xié)議與CSMA協(xié)議的掉包率也隨之增加,。但是當負載大于0.01時，RSSP協(xié)議的掉包率明顯小于CSMA協(xié)議,。這也表明了通過在接收節(jié)點發(fā)送通知信號來控制發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)很大程度上減少了數(shù)據(jù)的沖突,，降低了掉包率。雖然RSSP協(xié)議采用接收節(jié)點發(fā)送通知信號的方法能夠在很大程度上緩解隱藏終端的問題,，但是它不能完全解決隱藏終端問題,，所以RSSP協(xié)議還是有一定的掉包率。

　　在圖5對比了RSSP協(xié)議與CSMA協(xié)議的時延。當負載很小時,，特別在負載小于0.005時,，RSSP協(xié)議的時延要比CSMA協(xié)議大，這是由于當負載很小時,，數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的量很少,，同時RSSP協(xié)議的發(fā)送節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要等待一段時間預定信道，并且發(fā)送節(jié)點發(fā)送連續(xù)編號的數(shù)據(jù)幀時,，當發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀時,，需要等待一段時間才能發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀，所以RSSP協(xié)議的時延要比CSMA協(xié)議的時延大,。但是當負載比較大時,，RSSP協(xié)議的時延要比CSMA協(xié)議的時延小，這是由于RSSP協(xié)議利用接收節(jié)點發(fā)送通知信號能夠極大地減少數(shù)據(jù)幀的沖突,，使得其時延比CSMA協(xié)議的時延小,。

4結論

　　本文針對水聲網(wǎng)絡信道長且可變的傳播時延問題，為提高網(wǎng)絡吞吐量,，提出了一種接收節(jié)點發(fā)送通知信號的方式來控制發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的MAC協(xié)議,。其利用通知信號來告知鄰居節(jié)點當前接收節(jié)點的狀態(tài)，鄰居節(jié)點收到通知信號后,，等待發(fā)送數(shù)據(jù),。并且該協(xié)議解決了由于長延遲所帶來的隱藏終端的問題。在最后的仿真中,，分別對比了RSSP協(xié)議與經(jīng)典CDMA協(xié)議的吞吐量,、掉包率和時延，比較結果表明RSSP協(xié)議能夠獲得比較高的吞吐量和比較低的掉包率,。

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