基于接收端信號的水聲網(wǎng)絡MAC協(xié)議*

王希陽，姜勝明，楊愷健

(上海海事大學 信息工程學院， 上海 201306)

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基于接收端信號的水聲網(wǎng)絡MAC協(xié)議*

王希陽，姜勝明，楊愷健

(上海海事大學 信息工程學院， 上海 201306)

水聲網(wǎng)絡的信道具有數(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)絡吞吐量；除此之外，使用短信號還能夠降低能量損耗。仿真結果表明該協(xié)議能夠實現(xiàn)上述目的。

信號；接收端；水聲網(wǎng)絡；MAC協(xié)議

0　引言

對于共享媒介網(wǎng)絡，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)絡中的隱藏終端和暴露終端問題導致網(wǎng)絡吞吐量大大降低。陸地上的無線網(wǎng)絡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)絡的數(shù)據(jù)沖突，但是由于陸地上的MAC協(xié)議設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。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MAC協(xié)議。該協(xié)議結合了輪詢調(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。

圖1　RSSP協(xié)議流程圖

2　協(xié)議設計

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。

圖2　MAC層數(shù)據(jù)幀編號

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)絡拓撲結構中的網(wǎng)絡吞吐量、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。

(3)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3　RSSP與CSMA的吞吐量的比較

圖4所示為RSSP協(xié)議與CSMA協(xié)議的掉包率的比較。仿真結果中，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。

圖4　RSSP與CSMA的掉包率的比較

圖5　RSSP與CSMA的時延比較

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　結論

本文針對水聲網(wǎng)絡信道長且可變的傳播時延問題，為提高網(wǎng)絡吞吐量，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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Receiver signal based protocol for underwater acoustic networks

Wang Xiyang，Jiang Shengming，Yang Kaijian

(School of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shinghai 201306, China)

The channel of underwater acoustic networks is characterized as low data rate and long propagation delay. Using the handshaking mechanism could reduce the data conflict, it will lower the channel utilization and network throughput. Thus in this paper, we propose a receiver sending short signal based protocol abbreviated to RSSP for underwater acoustic networks. In this protocol, the receiver notifies its neighbors to stop sending by sending a short signal when the receiver receiving data, which can alleviate the hidden terminal and exposed terminal problems to improve throughput. In addition, the RSSP uses a short signal can also reduce energy consumption. The simulation results show that the proposed protocol can acquire above targets.

signal; receiver; underwater acoustic networks; MAC protocol

國家自然科學基金(61472237)

TP393

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.15.018

2016-04-15)

王希陽(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線通信網(wǎng)絡協(xié)議和算法、水下傳感網(wǎng)絡。

姜勝明(1964-)，男，博士，教授，主要研究方向：通信網(wǎng)絡結構、協(xié)議和算法等。

楊愷健(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線網(wǎng)絡協(xié)議。

引用格式：王希陽，姜勝明，楊愷健. 基于接收端信號的水聲網(wǎng)絡MAC協(xié)議[J].微型機與應用，2016,35(15)：61-64.