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(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(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(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(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(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(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(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(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?！　?/p>

　　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(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(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)拓撲結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓撲中，任意節(jié)點隨機分布在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。

　　（1）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)。

　?。?）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(jié)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(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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