王希陽,，姜勝明,，楊愷健

　　（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,， 上海 201306）

      摘要：水聲網(wǎng)絡(luò)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(jī)制減少數(shù)據(jù)沖突，將降低信道利用率和網(wǎng)絡(luò)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(luò)MAC協(xié)議,，即當(dāng)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(dāng)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(luò)吞吐量；除此之外，使用短信號還能夠降低能量損耗,。仿真結(jié)果表明該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的,。

　　關(guān)鍵詞：信號；接收端,；水聲網(wǎng)絡(luò),；MAC協(xié)議

0引言

　　對于共享媒介網(wǎng)絡(luò)，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(luò)中的隱藏終端和暴露終端問題導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量大大降低。陸地上的無線網(wǎng)絡(luò)主要有兩種方法緩解隱藏終端,，一種是采用握手機(jī)制,，如MACA［1］協(xié)議；另一種是通過發(fā)送忙信號機(jī)制,，基于這種機(jī)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(luò)的數(shù)據(jù)沖突,，但是由于陸地上的MAC協(xié)議設(shè)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(dǎo)致這些適用于陸地上的MAC協(xié)議不能直接應(yīng)用到水下無線網(wǎng)絡(luò),。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(dǎo)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(jī)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(jī)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(luò)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(guān)工作

　　當(dāng)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(shè)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(luò)MAC協(xié)議。該協(xié)議結(jié)合了輪詢調(diào)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(diào)競爭信道的水聲網(wǎng)絡(luò)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(yù)定時間（RP）和數(shù)據(jù)發(fā)送時間,。信道預(yù)定時間又被分成了許多競爭環(huán)（CR）,。當(dāng)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(diào)給鄰居節(jié)點,，如果沒有收到來自鄰居的聲調(diào),，則該節(jié)點成功預(yù)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(nèi)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(jī)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(diào)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(diào)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(fù)雜的流量預(yù)測算法,，同時對于水下信道長的傳播時延,，四路握手機(jī)制相對降低了信道的利用率。

2協(xié)議設(shè)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(dāng)前時刻不要發(fā)送數(shù)據(jù)。RSSP協(xié)議不需要像握手機(jī)制那樣在發(fā)送數(shù)據(jù)前,，通過發(fā)送RTS/CTS控制包預(yù)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(dāng)前正在接收數(shù)據(jù),，當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)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(dāng)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(rèn),。

　　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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(rèn)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(rèn)包,?！　?/p>

　　2.2.2接收節(jié)點發(fā)送通知信號

　　當(dāng)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(rèn)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(rèn)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(dāng)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(diào)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(dāng)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(fù)上述過程,。當(dāng)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(rèn)包,；當(dāng)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(dāng)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(rèn)包,。

3仿真和結(jié)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、掉包率和時延3個方面進(jìn)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(luò)拓?fù)渲?，任意?jié)點隨機(jī)分布在1 000 m×1 000 m的范圍內(nèi),，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(jìn)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(dǎo)致,。本文使用3個指標(biāo)評價MAC協(xié)議的性能。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)吞吐量：在單位時間內(nèi)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(jié)果

　　如圖3所示,，當(dāng)負(fù)載很小時,，隨著負(fù)載的增加兩種協(xié)議吞吐量相差不大,。由于當(dāng)負(fù)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(dāng)負(fù)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(dāng)負(fù)載不斷增大時,， CSMA協(xié)議因隱藏終端而導(dǎo)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(jié)果中,，隨著負(fù)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(dāng)負(fù)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(dāng)負(fù)載很小時，特別在負(fù)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(dāng)負(fù)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(yù)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(dāng)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(dāng)負(fù)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(jié)論

　　本文針對水聲網(wǎng)絡(luò)信道長且可變的傳播時延問題,，為提高網(wǎng)絡(luò)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(dāng)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(jié)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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