劉海洋，姜勝明

（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，水聲網(wǎng)絡(luò)（Underwater Acoustic Net?works）[1-4]受到越來越多專家的關(guān)注，因為它得到了廣泛的應(yīng)用支持。雖然水聲網(wǎng)絡(luò)的吸收率相對較低，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、高傳播延遲和時延方差等問題。一個較好的介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議在水下網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中具有重要的意義，因為MAC協(xié)議的目標(biāo)是協(xié)調(diào)多個節(jié)點(diǎn)訪問共享信道，以確保高吞吐量和數(shù)據(jù)可靠性。

陸地上的MAC協(xié)議的傳播媒介是無線電波，具有可用帶寬范圍廣，傳播時延極小，幾乎可以忽略不計的特點(diǎn)。然而由于在水下，無線電波具有高吸收率的特點(diǎn)，傳播的距離比較短，光也會在水中發(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)，忙信號信道發(fā)送忙信號以及基于握手機(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爭式的接收端控制并且由接收端決定接收計劃的方法來解決數(shù)據(jù)傳輸時在水下無線網(wǎng)絡(luò)通信過程中的沖突問題，這樣不僅沒有產(chǎn)生握手機(jī)制所帶來的非常大的傳播時延，而且利用帶有接收節(jié)點(diǎn)的接收計劃的非常短小的數(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)訪問協(xié)議，叫做“基于接收端控制的水下介質(zhì)訪問協(xié)議”。該協(xié)議的具體設(shè)計以及具體的實現(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：其中的一類屬于競爭式的MAC協(xié)議;另一類屬于節(jié)點(diǎn)調(diào)度的MAC協(xié)議［5］。類屬于競爭式的MAC協(xié)議需要發(fā)送節(jié)點(diǎn)利用偵聽的方式，通過競爭獲取信道的使用，在競爭的過程中數(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，這個協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)RTS信號在發(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信號到達(dá)時等待一段時間再回復(fù)一個CTS信號，握手的最大時間相當(dāng)于一個往返時間的最大值。發(fā)送方在發(fā)送 RTS信號后最大等待時間為 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傳輸時間,rx代表接收方接收到RTS幀的時間。實驗數(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)傳輸速率變大的時候，PCAP的吞吐量優(yōu)勢不再明顯。

Order CSMA[7]是一種水下無沖突的水聲網(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。在這個協(xié)議當(dāng)中，每個節(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那樣在等待一個最大的傳播延遲。這個協(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)都要不停歇地對信道和所有收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行偵聽，這樣就會造成能量的浪費(fèi)，而且，只有輪詢到一個節(jié)點(diǎn)的時候，這個節(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，告知鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時刻不要發(fā)送數(shù)據(jù)，此協(xié)議很大程度上解決了隱藏終端帶來的吞吐量等問題；但是由于每次接收完成一個數(shù)據(jù)信息時都需要進(jìn)行等待，廣播短小信號對網(wǎng)絡(luò)吞吐量，信道的利用率以及時延等特性仍有進(jìn)一步的提升空間。

2 協(xié)議設(shè)計

2.1 協(xié)議概述

本文提出的協(xié)議是在競爭的基礎(chǔ)上，基于接收端發(fā)送接收計劃表進(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)處定義一個數(shù)據(jù)幀，此數(shù)據(jù)幀中攜帶著接收節(jié)點(diǎn)此時的接收計劃信息，即數(shù)據(jù)幀為（Receiving Schedule,RS）,再定義一個短小的脈沖信號（Notice Signal，NS）。此協(xié)議不需要像非競爭式的握手機(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)送一個攜帶接收計劃表的數(shù)據(jù)幀RS，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到此數(shù)據(jù)幀時，根據(jù)接收計劃表中的接收計劃進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。接收節(jié)點(diǎn)在接收完成一個數(shù)據(jù)幀時，如果此數(shù)據(jù)幀不在接收計劃的最后一個數(shù)據(jù)幀，那么返回一個NS告知鄰居節(jié)點(diǎn)此時節(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)議的一個主要的作用就是利用攜帶有接收計劃表的數(shù)據(jù)幀和一個脈沖信號來解決隱藏終端的問題，接收節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送僅攜帶接收計劃表的數(shù)據(jù)幀和非常短小的脈沖信號，來減少數(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層的輸出隊列中，節(jié)點(diǎn)的發(fā)送隊列根據(jù)接收計劃來執(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)送幾個連續(xù)的數(shù)據(jù)幀，并且接收計劃中的最后一個數(shù)據(jù)幀仍在此連續(xù)數(shù)據(jù)幀中間，那么對這幾個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行從小到大編號，并在數(shù)據(jù)幀的幀頭里對這些連續(xù)隊列的編號進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收到計劃表中最后一個數(shù)據(jù)幀時，根據(jù)此時數(shù)據(jù)幀的編號決定接收節(jié)點(diǎn)是返回NS進(jìn)行繼續(xù)接收還是返回一個ACK確認(rèn)幀。如果接收節(jié)點(diǎn)接收到的最后一個數(shù)據(jù)幀編號不是1，返回NS并繼續(xù)接收下一個數(shù)據(jù)幀，否則返回ACK確認(rèn)幀。

圖1 MAC層幀的編號

（2）接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收計劃

當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)決定接收數(shù)據(jù)的時候，鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偵聽和信道的競爭，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長度以及時延大小決定此時的接收計劃。在接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)之前，首先發(fā)送攜帶有接收計劃的RS，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)一個數(shù)據(jù)幀接收完成的時候，如果接收計劃還有后續(xù)的數(shù)據(jù)幀需要接收，返回一個NS，告知鄰居節(jié)點(diǎn)此時處于接收狀態(tài)，鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行等待。當(dāng)接收隊列接收數(shù)據(jù)完成的時候，接收節(jié)點(diǎn)返回一個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)行信道的競爭。這樣可以實現(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)的時候，首先需要進(jìn)行信道的競爭，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)接收計劃發(fā)送數(shù)據(jù)幀，當(dāng)接收計劃中的數(shù)據(jù)幀尚未接收完成時，接收節(jié)點(diǎn)廣播NS告知鄰居節(jié)點(diǎn)此時接收節(jié)點(diǎn)需要繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，鄰居節(jié)點(diǎn)需要等待一段時間（Wait Time,WT）,等待時間 WT=Tmax+Pmax+SSn+Tsifs+Tns；其中，Tmax為RS的最大發(fā)送時延，Pmax為ACK傳播的最大時延，SSn為接收隊列中發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀隊列發(fā)送所用時間總和，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)所用的時間,Tns為NS所用時間總和。接收節(jié)點(diǎn)將接收計劃完成后返回一個ACK，那么重新進(jìn)行信道的競爭。

3 仿真和結(jié)果分析

3.1 仿真場景及參數(shù)

本文將對此協(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、掉包率和時延這三個方面進(jìn)行一一對比分析，并與現(xiàn)有的CSMA協(xié)議進(jìn)行對比分析。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,每個數(shù)據(jù)包的大小為256 B。本文進(jìn)行的仿真是對此新的MAC協(xié)議的性能進(jìn)行分析，在仿真過程中，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。本文中使用三個指標(biāo)來評價此MAC協(xié)議的性能。

（1）網(wǎng)絡(luò)吞吐量：單位時間內(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)的平均時延：所有數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時間與目的節(jié)點(diǎn)接收成功的時間差的平均值。

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，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，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，本協(xié)議的丟包率明顯小于CSMA協(xié)議，仿真結(jié)果說明基于接收端接收計劃來控制數(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，因為不能完全解決隱藏終端的問題，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對兩個協(xié)議中節(jié)點(diǎn)傳播的平均時延進(jìn)行對比，在負(fù)載較小時，CSMA協(xié)議的時延小于本協(xié)議，這是因為低負(fù)載的時候數(shù)據(jù)包沖突較小，而本協(xié)議因為接收節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送接收計劃表浪費(fèi)了一部分時間。當(dāng)負(fù)載大于0.015的時候，本協(xié)議的時延小于CSMA協(xié)議，這是因為本協(xié)議由接收節(jié)點(diǎn)決定發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送隊列，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)的等待時間減少。

圖4 本協(xié)議與CSMA協(xié)議時延的比較

4 結(jié)語

本文為了解決復(fù)雜水下隱藏終端問題，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)送帶有接收計劃信息數(shù)據(jù)幀告知發(fā)送節(jié)點(diǎn)此時接收節(jié)點(diǎn)的接收隊列，發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的接收隊列進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收節(jié)點(diǎn)接收完成一個數(shù)據(jù)幀時，當(dāng)此數(shù)據(jù)幀不在接收計劃的最后時，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題。在EXE?AT仿真平臺上，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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