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　?。ㄉ虾：Ｊ麓髮W(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(shí)延長(zhǎng)的特點(diǎn)，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(diǎn)發(fā)送短信號(hào)告知鄰居節(jié)點(diǎn)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(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí)，向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送短信號(hào)通知其當(dāng)前時(shí)刻不要發(fā)送數(shù)據(jù)，解決了隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題，并提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量；除此之外，使用短信號(hào)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(hào)；接收端；水聲網(wǎng)絡(luò)；MAC協(xié)議

0引言

　　對(duì)于共享媒介網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)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(wèn)題導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量大大降低。陸地上的無(wú)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(guò)發(fā)送忙信號(hào)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(wú)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(jì)是以無(wú)線電波作為傳播媒介，傳播時(shí)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(wú)線通信傳播時(shí)延長(zhǎng)、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(wú)線網(wǎng)絡(luò)。水下通信主要是通過(guò)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(zhǎng)的傳播時(shí)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(hào)信道，就會(huì)降低信道利用率，所以利用忙信號(hào)信道發(fā)送忙信號(hào)解決數(shù)據(jù)沖突不適用于水聲信道。又由于水聲傳播時(shí)延長(zhǎng)，對(duì)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(hào)解決數(shù)據(jù)沖突的問(wèn)題，就會(huì)避免基于握手機(jī)制帶來(lái)的長(zhǎng)時(shí)延，同時(shí)使用非常短的聲波信號(hào)作為控制信號(hào)，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(hào)”的MAC協(xié)議（RSSP）。該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)將在本文第2節(jié)闡述。

1相關(guān)工作

　　當(dāng)前，對(duì)于水下MAC協(xié)議的研究并沒(méi)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(dú)特的特點(diǎn)，使得水下MAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。

　　順序式CSMA［6］協(xié)議是一種無(wú)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(gè)節(jié)點(diǎn)都以固定的順序發(fā)送數(shù)據(jù)，不需要等待一個(gè)最大的傳播時(shí)延。該協(xié)議有效減少了數(shù)據(jù)包的沖突。但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　TLohi［7］是一種在發(fā)送節(jié)點(diǎn)基于聲調(diào)競(jìng)爭(zhēng)信道的水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。在該協(xié)議中，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間被分成兩個(gè)部分，信道預(yù)定時(shí)間（RP）和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間。信道預(yù)定時(shí)間又被分成了許多競(jìng)爭(zhēng)環(huán)（CR）。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)想要發(fā)送數(shù)據(jù)簽時(shí)，在CR期間先發(fā)送一個(gè)聲調(diào)給鄰居節(jié)點(diǎn)，如果沒(méi)有收到來(lái)自鄰居的聲調(diào)，則該節(jié)點(diǎn)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(shí)空不確定性和高時(shí)延特性，檢測(cè)沖突和競(jìng)爭(zhēng)信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)，來(lái)提高信道利用率，并降低能量損耗。但是該協(xié)議需要在競(jìng)爭(zhēng)環(huán)內(nèi)處于空閑狀態(tài)監(jiān)聽信道，并且對(duì)于水聲信道的長(zhǎng)時(shí)延特點(diǎn)，一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)的時(shí)間太長(zhǎng)。

　　在RIPT［8］協(xié)議中，提出了一種在接收節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)傳播時(shí)延特點(diǎn)，在接收節(jié)點(diǎn)調(diào)度多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)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(shí)也減緩了隱藏終端的問(wèn)題。這個(gè)協(xié)議也有一些不足之處，采用接收節(jié)點(diǎn)調(diào)度多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(cè)算法，同時(shí)對(duì)于水下信道長(zhǎng)的傳播時(shí)延，四路握手機(jī)制相對(duì)降低了信道的利用率。

2協(xié)議設(shè)計(jì)

　　2.1協(xié)議概述

　　本文提出的RSSP協(xié)議是一種基于競(jìng)爭(zhēng)式的水下MAC協(xié)議。該協(xié)議是在接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送一個(gè)不攜帶任何信息的短小信號(hào)，即通知信號(hào)（Notification Signal, NS）, 通知鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)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(guò)發(fā)送RTS/CTS控制包預(yù)定信道，而是在接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí)，向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送NS通知鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)前正在接收數(shù)據(jù)，當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)接收到NS后不會(huì)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。從而解決了隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題，并提高了信道利用率。該協(xié)議的一個(gè)主要特點(diǎn)是通過(guò)信號(hào)解決隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題，發(fā)送信號(hào)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(shí)還降低了能量損耗，減小數(shù)據(jù)間的干擾。另外一個(gè)特點(diǎn)是由接收節(jié)點(diǎn)決定鄰居節(jié)點(diǎn)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(guò)程

　　當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí)就向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送NS，表示接收節(jié)點(diǎn)當(dāng)前處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。若鄰居節(jié)點(diǎn)偵聽到NS，則表示該鄰居節(jié)點(diǎn)的周圍存在處于接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)；若沒(méi)有偵聽到NS，則表示該鄰居節(jié)點(diǎn)的周圍沒(méi)有存在處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，如果該節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)，那么可以發(fā)送MAC層隊(duì)列的數(shù)據(jù)。從而解決了隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題。RSSP協(xié)議流程圖如圖1所示，描述了節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的過(guò)程。發(fā)送節(jié)點(diǎn)1競(jìng)爭(zhēng)到信道，向接收節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接收節(jié)點(diǎn)1接收到來(lái)自發(fā)送節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)幀后，如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)1下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的目的地址仍然是接收節(jié)點(diǎn)1，則接收節(jié)點(diǎn)1向鄰居節(jié)點(diǎn)（發(fā)送節(jié)點(diǎn)2、3）發(fā)送一個(gè)NS，發(fā)送節(jié)點(diǎn)2、3偵聽到NS后，不向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)1等待一段時(shí)間Td后(其中Td=Tns+TSIFS，Tns為發(fā)送NS的時(shí)延，TSIFS為從接收狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)所需要的時(shí)間），向接收節(jié)點(diǎn)1發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)1的下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的目的地址不是接收節(jié)點(diǎn)1時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)1向發(fā)送節(jié)點(diǎn)1返回ACK確認(rèn)。

　　2.2.1數(shù)據(jù)幀的幀頭

　　在MAC層輸出隊(duì)列里，需要將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示。隊(duì)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(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀要發(fā)送到同一目的地址，則對(duì)這幾個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)幀由大到小編號(hào)，并在數(shù)據(jù)幀的幀頭里標(biāo)識(shí)該數(shù)據(jù)幀在連續(xù)隊(duì)列中的編號(hào)。接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)幀頭中的編號(hào)決定向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送NS，還是向發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回ACK確認(rèn)包。如果數(shù)據(jù)幀頭中的編號(hào)不為1，則接收節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)NS，否則接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回ACK確認(rèn)包。　　

　　2.2.2接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送通知信號(hào)

　　當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，首先根據(jù)數(shù)據(jù)包的包頭信息中數(shù)據(jù)幀的編號(hào)，決定向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)NS還是一個(gè)ACK確認(rèn)包。如果編號(hào)為1，接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ACK確認(rèn)包，然后該節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)；如果編號(hào)不為1，則表明發(fā)送節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)數(shù)據(jù)包也是發(fā)送給當(dāng)前的接收節(jié)點(diǎn)，此時(shí)接收節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)NS，通知其鄰居節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)正在接收數(shù)據(jù)。鄰居節(jié)點(diǎn)接收到NS后，知道該節(jié)點(diǎn)正處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，此時(shí)如果鄰居節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則退避等待該節(jié)點(diǎn)接收完數(shù)據(jù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了接收節(jié)點(diǎn)調(diào)度發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　2.2.3數(shù)據(jù)的發(fā)送

　　當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)首先偵聽是否有來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)的NS，如果收到來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)的NS，則該節(jié)點(diǎn)等待一段時(shí)間 （Wait Period, WP），等待時(shí)間WP=τmax+Tns+TSIFS,其中τmax為到鄰居的最大傳播時(shí)延。如果在WP后沒(méi)有收到NS，則該節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)上述過(guò)程。如果在要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有收到來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)的NS，該節(jié)點(diǎn)需要等待一個(gè)WP時(shí)間，WP時(shí)間后如果沒(méi)有收到來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)的NS，則該節(jié)點(diǎn)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(guò)程。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的編號(hào)為1時(shí)，發(fā)送完該數(shù)據(jù)包后，等待目的節(jié)點(diǎn)返回ACK確認(rèn)包；當(dāng)數(shù)據(jù)包的編號(hào)不為1時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)等待Td后發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀，直到當(dāng)前發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的編號(hào)為1后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)等待目的節(jié)點(diǎn)返回ACK確認(rèn)包。

3仿真和結(jié)果分析

　　3.1仿真場(chǎng)景及參數(shù)

　　本文將對(duì)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(shí)延3個(gè)方面進(jìn)行分析，并與現(xiàn)有的基于CSMA的MAC協(xié)議作對(duì)比。在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校我夤?jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000 m×1 000 m的范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)度為256 B。本文的仿真是對(duì)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(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)MAC協(xié)議的性能。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)吞吐量：在單位時(shí)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(shí)間與目的節(jié)點(diǎn)接收成功的時(shí)間差的平均值。

　?。?）掉包率：接收到數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)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(shí)，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(shí)，數(shù)據(jù)包的沖突很小，所以此時(shí)兩種協(xié)議的性能差不多。但是當(dāng)負(fù)載大于0.01時(shí)，RSSP協(xié)議的吞吐量明顯比CSMA的高。這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)載不斷增大時(shí)， 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(wèn)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(shí)，RSSP協(xié)議的掉包率明顯小于CSMA協(xié)議。這也表明了通過(guò)在接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送通知信號(hào)來(lái)控制發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)送通知信號(hào)的方法能夠在很大程度上緩解隱藏終端的問(wèn)題，但是它不能完全解決隱藏終端問(wèn)題，所以RSSP協(xié)議還是有一定的掉包率。

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

4結(jié)論

　　本文針對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)信道長(zhǎng)且可變的傳播時(shí)延問(wèn)題，為提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提出了一種接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送通知信號(hào)的方式來(lái)控制發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的MAC協(xié)議。其利用通知信號(hào)來(lái)告知鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)前接收節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，鄰居節(jié)點(diǎn)收到通知信號(hào)后，等待發(fā)送數(shù)據(jù)。并且該協(xié)議解決了由于長(zhǎng)延遲所帶來(lái)的隱藏終端的問(wèn)題。在最后的仿真中，分別對(duì)比了RSSP協(xié)議與經(jīng)典CDMA協(xié)議的吞吐量、掉包率和時(shí)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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