劉海洋，姜?jiǎng)倜?/p>

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

近幾十年來(lái)，水聲網(wǎng)絡(luò)（Underwater Acoustic Net?works）[1-4]受到越來(lái)越多專家的關(guān)注，因?yàn)樗玫搅藦V泛的應(yīng)用支持。雖然水聲網(wǎng)絡(luò)的吸收率相對(duì)較低，使得聲波在水下的傳播變得普遍，但水聲通信仍然面臨著高誤碼率、高傳播延遲和時(shí)延方差等問(wèn)題。一個(gè)較好的介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議在水下網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中具有重要的意義，因?yàn)镸AC協(xié)議的目標(biāo)是協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)共享信道，以確保高吞吐量和數(shù)據(jù)可靠性。

陸地上的MAC協(xié)議的傳播媒介是無(wú)線電波，具有可用帶寬范圍廣，傳播時(shí)延極小，幾乎可以忽略不計(jì)的特點(diǎn)。然而由于在水下，無(wú)線電波具有高吸收率的特點(diǎn)，傳播的距離比較短，光也會(huì)在水中發(fā)生反射、折射以及衰減等特點(diǎn)，不適用于水下環(huán)境。由于水聲信道具有可用帶寬窄，多路徑和衰退現(xiàn)象嚴(yán)重，水下聲波的傳播延遲大，高誤碼率、遺失連通性等特點(diǎn)，忙信號(hào)信道發(fā)送忙信號(hào)以及基于握手機(jī)制的MAC協(xié)議均不適用于水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

基于水下的復(fù)雜環(huán)境以及陸地上所現(xiàn)有的MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于競(jìng)爭(zhēng)式的接收端控制并且由接收端決定接收計(jì)劃的方法來(lái)解決數(shù)據(jù)傳輸時(shí)在水下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中的沖突問(wèn)題，這樣不僅沒(méi)有產(chǎn)生握手機(jī)制所帶來(lái)的非常大的傳播時(shí)延，而且利用帶有接收節(jié)點(diǎn)的接收計(jì)劃的非常短小的數(shù)據(jù)幀作為通知鄰居節(jié)點(diǎn)是否發(fā)送數(shù)據(jù)或者進(jìn)入等待的方式，可以很大程度上地減少傳播過(guò)程中的擁塞，并且有效地提高了信道的利用率。本文在這種思想的引導(dǎo)下，提出了一種有別于傳統(tǒng)MAC協(xié)議的水下介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議，叫做“基于接收端控制的水下介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議”。該協(xié)議的具體設(shè)計(jì)以及具體的實(shí)現(xiàn)將在本文的第二節(jié)詳細(xì)描述。

1 相關(guān)工作

現(xiàn)在的水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議主要可以分為兩類：其中的一類屬于競(jìng)爭(zhēng)式的MAC協(xié)議;另一類屬于節(jié)點(diǎn)調(diào)度的MAC協(xié)議［5］。類屬于競(jìng)爭(zhēng)式的MAC協(xié)議需要發(fā)送節(jié)點(diǎn)利用偵聽的方式，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲取信道的使用，在競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程中數(shù)據(jù)發(fā)送沖突的可能性不能避免；類屬于調(diào)度的MAC協(xié)議利用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，來(lái)達(dá)到避免數(shù)據(jù)沖突的目的。

PCAP[6]是一種基于握手機(jī)制的MAC協(xié)議，這個(gè)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)RTS信號(hào)在發(fā)送方發(fā)送結(jié)束后，等待接收節(jié)點(diǎn)回復(fù)CTS之前，做其他的操作。由于接收方在RTS信號(hào)到達(dá)時(shí)等待一段時(shí)間再回復(fù)一個(gè)CTS信號(hào)，握手的最大時(shí)間相當(dāng)于一個(gè)往返時(shí)間的最大值。發(fā)送方在發(fā)送 RTS信號(hào)后最大等待時(shí)間為 Ta=2（Td-（rx-tx））,其中Td代表通信雙方間的最大傳播延遲,tx代表RTS傳輸時(shí)間,rx代表接收方接收到RTS幀的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,水聲網(wǎng)絡(luò)中PCAP數(shù)據(jù)傳輸速率低的情況下它的吞吐量要優(yōu)于Aloha,但是，數(shù)據(jù)傳輸速率變大的時(shí)候，PCAP的吞吐量?jī)?yōu)勢(shì)不再明顯。

Order CSMA[7]是一種水下無(wú)沖突的水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，它將傳統(tǒng)的CSMA協(xié)議與輪詢調(diào)度算法優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。在這個(gè)協(xié)議當(dāng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都根據(jù)自身固定的順序發(fā)送數(shù)據(jù)，不需要像RTS/CTS那樣在等待一個(gè)最大的傳播延遲。這個(gè)協(xié)議可以在一定程度上減少接收端數(shù)據(jù)包的沖突。但是，由于所有的節(jié)點(diǎn)都要不停歇地對(duì)信道和所有收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行偵聽，這樣就會(huì)造成能量的浪費(fèi)，而且，只有輪詢到一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，這個(gè)節(jié)點(diǎn)才能向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，信道的利用率較低。

RSSP[8]協(xié)議利用不攜帶任何信息的短小信號(hào)，告知鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻不要發(fā)送數(shù)據(jù)，此協(xié)議很大程度上解決了隱藏終端帶來(lái)的吞吐量等問(wèn)題；但是由于每次接收完成一個(gè)數(shù)據(jù)信息時(shí)都需要進(jìn)行等待，廣播短小信號(hào)對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量，信道的利用率以及時(shí)延等特性仍有進(jìn)一步的提升空間。

2 協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 協(xié)議概述

本文提出的協(xié)議是在競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)上，基于接收端發(fā)送接收計(jì)劃表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸控制的水下MAC協(xié)議。該協(xié)議是在接收節(jié)點(diǎn)處定義一個(gè)數(shù)據(jù)幀，此數(shù)據(jù)幀中攜帶著接收節(jié)點(diǎn)此時(shí)的接收計(jì)劃信息，即數(shù)據(jù)幀為（Receiving Schedule,RS）,再定義一個(gè)短小的脈沖信號(hào)（Notice Signal，NS）。此協(xié)議不需要像非競(jìng)爭(zhēng)式的握手機(jī)制那樣進(jìn)行預(yù)先預(yù)定信道，而是在接收數(shù)據(jù)前發(fā)送一個(gè)攜帶接收計(jì)劃表的數(shù)據(jù)幀RS，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到此數(shù)據(jù)幀時(shí)，根據(jù)接收計(jì)劃表中的接收計(jì)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。接收節(jié)點(diǎn)在接收完成一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，如果此數(shù)據(jù)幀不在接收計(jì)劃的最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀，那么返回一個(gè)NS告知鄰居節(jié)點(diǎn)此時(shí)節(jié)點(diǎn)正在接收數(shù)據(jù)，鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行退避等待。該協(xié)議的一個(gè)主要的作用就是利用攜帶有接收計(jì)劃表的數(shù)據(jù)幀和一個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)解決隱藏終端的問(wèn)題，接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送僅攜帶接收計(jì)劃表的數(shù)據(jù)幀和非常短小的脈沖信號(hào)，來(lái)減少數(shù)據(jù)沖突，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信流程

（1）發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式

在MAC層的輸出隊(duì)列中，節(jié)點(diǎn)的發(fā)送隊(duì)列根據(jù)接收計(jì)劃來(lái)執(zhí)行，如果某一鄰居節(jié)點(diǎn)需要向同一接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送幾個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀，并且接收計(jì)劃中的最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀仍在此連續(xù)數(shù)據(jù)幀中間，那么對(duì)這幾個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行從小到大編號(hào)，并在數(shù)據(jù)幀的幀頭里對(duì)這些連續(xù)隊(duì)列的編號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收到計(jì)劃表中最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，根據(jù)此時(shí)數(shù)據(jù)幀的編號(hào)決定接收節(jié)點(diǎn)是返回NS進(jìn)行繼續(xù)接收還是返回一個(gè)ACK確認(rèn)幀。如果接收節(jié)點(diǎn)接收到的最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀編號(hào)不是1，返回NS并繼續(xù)接收下一個(gè)數(shù)據(jù)幀，否則返回ACK確認(rèn)幀。

圖1 MAC層幀的編號(hào)

（2）接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收計(jì)劃

當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)決定接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偵聽和信道的競(jìng)爭(zhēng)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度以及時(shí)延大小決定此時(shí)的接收計(jì)劃。在接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)之前，首先發(fā)送攜帶有接收計(jì)劃的RS，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)幀接收完成的時(shí)候，如果接收計(jì)劃還有后續(xù)的數(shù)據(jù)幀需要接收，返回一個(gè)NS，告知鄰居節(jié)點(diǎn)此時(shí)處于接收狀態(tài)，鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行等待。當(dāng)接收隊(duì)列接收數(shù)據(jù)完成的時(shí)候，接收節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)ACK確認(rèn)幀，那么此接收節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，鄰居節(jié)點(diǎn)可以開始進(jìn)行信道的競(jìng)爭(zhēng)。這樣可以實(shí)現(xiàn)由接收節(jié)點(diǎn)決定發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送，從而有效地解決了隱藏終端的問(wèn)題。

（3）發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先需要進(jìn)行信道的競(jìng)爭(zhēng)，接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送RS，發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收計(jì)劃發(fā)送數(shù)據(jù)幀，當(dāng)接收計(jì)劃中的數(shù)據(jù)幀尚未接收完成時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)廣播NS告知鄰居節(jié)點(diǎn)此時(shí)接收節(jié)點(diǎn)需要繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，鄰居節(jié)點(diǎn)需要等待一段時(shí)間（Wait Time,WT）,等待時(shí)間 WT=Tmax+Pmax+SSn+Tsifs+Tns；其中，Tmax為RS的最大發(fā)送時(shí)延，Pmax為ACK傳播的最大時(shí)延，SSn為接收隊(duì)列中發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀隊(duì)列發(fā)送所用時(shí)間總和，Tsifs為鄰居節(jié)點(diǎn)由等待狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)所用的時(shí)間,Tns為NS所用時(shí)間總和。接收節(jié)點(diǎn)將接收計(jì)劃完成后返回一個(gè)ACK，那么重新進(jìn)行信道的競(jìng)爭(zhēng)。

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)此協(xié)議在靜態(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)延這三個(gè)方面進(jìn)行一一對(duì)比分析，并與現(xiàn)有的CSMA協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析。在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，隨機(jī)選取任意個(gè)數(shù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)分布在大小為1000m×1000m的范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的發(fā)包速率以及個(gè)數(shù)服從特征值為λ的泊松分布，在水下環(huán)境中，聲音的傳播速度是大約為1500m/s,數(shù)據(jù)在水下的傳輸速率是4000bit/s,每個(gè)數(shù)據(jù)包的大小為256 B。本文進(jìn)行的仿真是對(duì)此新的MAC協(xié)議的性能進(jìn)行分析，在仿真過(guò)程中，所有的數(shù)據(jù)包的丟失都默認(rèn)為為本協(xié)議的性能不足所造成。本文中使用三個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)此MAC協(xié)議的性能。

（1）網(wǎng)絡(luò)吞吐量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所收到的數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)。

（2）丟包率：接收節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包與發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的比值。

（3）節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)延：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。

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖2所示，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，此協(xié)議與CSMA協(xié)議的吞吐量變化基本一致，當(dāng)負(fù)載大于0.85時(shí)，由于隱藏終端導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包的沖突不斷增加，本協(xié)議的吞吐量明顯比CSMA的高。本協(xié)議利用接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安排接收隊(duì)列，可以減少數(shù)據(jù)的沖突，從而提升了吞吐量。

圖2 本協(xié)議與CSMA協(xié)議吞吐量的比較

在圖3中對(duì)比節(jié)點(diǎn)的丟包率，兩者的丟包率均隨著負(fù)載的增加而變大，但當(dāng)負(fù)載大于0.005時(shí)，本協(xié)議的丟包率明顯小于CSMA協(xié)議，仿真結(jié)果說(shuō)明基于接收端接收計(jì)劃來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送在很大程度上減少了數(shù)據(jù)的沖突，從而使得丟包率降低。根據(jù)圖示，此協(xié)議雖然可以在很大程度上減少丟包率，因?yàn)椴荒芡耆鉀Q隱藏終端的問(wèn)題，所以也存在一定的丟包率。

圖3 本協(xié)議與CSMA協(xié)議的節(jié)點(diǎn)的丟包率的比較

圖4對(duì)兩個(gè)協(xié)議中節(jié)點(diǎn)傳播的平均時(shí)延進(jìn)行對(duì)比，在負(fù)載較小時(shí)，CSMA協(xié)議的時(shí)延小于本協(xié)議，這是因?yàn)榈拓?fù)載的時(shí)候數(shù)據(jù)包沖突較小，而本協(xié)議因?yàn)榻邮展?jié)點(diǎn)需要發(fā)送接收計(jì)劃表浪費(fèi)了一部分時(shí)間。當(dāng)負(fù)載大于0.015的時(shí)候，本協(xié)議的時(shí)延小于CSMA協(xié)議，這是因?yàn)楸緟f(xié)議由接收節(jié)點(diǎn)決定發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送隊(duì)列，從而數(shù)據(jù)有序的進(jìn)行發(fā)送。解決了隱藏終端的問(wèn)題，從而減少了數(shù)據(jù)包的沖突，使得鄰居節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間減少。

圖4 本協(xié)議與CSMA協(xié)議時(shí)延的比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文為了解決復(fù)雜水下隱藏終端問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低節(jié)點(diǎn)的丟包率以及減小數(shù)據(jù)傳播的時(shí)延，提出了一種基于接收端控制收發(fā)數(shù)據(jù)的MAC協(xié)議，此協(xié)議利用接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有接收計(jì)劃信息數(shù)據(jù)幀告知發(fā)送節(jié)點(diǎn)此時(shí)接收節(jié)點(diǎn)的接收隊(duì)列，發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的接收隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收節(jié)點(diǎn)接收完成一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，當(dāng)此數(shù)據(jù)幀不在接收計(jì)劃的最后時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)返回NS，鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行退避等待。此協(xié)議在一定程度上解決了隱藏終端問(wèn)題。在EXE?AT仿真平臺(tái)上，模擬分析了本協(xié)議與CSMA協(xié)議的吞吐量、丟包率以及傳播的平均時(shí)延，仿真結(jié)果表明，本協(xié)議具有更好的吞吐量以及更小的丟包率。

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