基于規(guī)則與感知的水聲網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議

李沖，杜秀娟,3,4，王麗娟，田曉靜

（1.青海師范大學(xué)計算機學(xué)院，青海 西寧 810008；2.青海師范大學(xué)青海省物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室，青海 西寧 810008；3.藏語智能信息處理及應(yīng)用國家重點實驗室，青海 西寧 810008；4.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海 西寧 810008）

0 引言

媒體訪問控制（MAC,medium access control）協(xié)議、路由協(xié)議及物理層技術(shù)是水聲網(wǎng)絡(luò)（UAN,underwater acoustic network）的關(guān)鍵技術(shù)。MAC 協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配信道資源，是UAN 可靠傳輸及通信的關(guān)鍵協(xié)議[1-4]。受水下環(huán)境影響，UAN 采用聲波通信，然而水聲通信為MAC 協(xié)議的設(shè)計帶來一系列的問題，如時空變特性、能量受限、低帶寬等[5-8]。針對UAN的特性，研究人員提出了大量的用于水下的MAC 協(xié)議，這些協(xié)議可分為3 種類型：基于競爭的MAC 協(xié)議、無競爭的MAC 協(xié)議和混合MAC 協(xié)議[9-13]。

無競爭的MAC 協(xié)議通常將信道按照時間、頻率或擴頻碼進(jìn)行劃分，將信道分割成互不干擾的子信道分配給不同的節(jié)點。根據(jù)子信道劃分原則，無競爭的MAC 協(xié)議分為時分多址（TDMA,time division multiple access）協(xié)議、頻分多址（FDMA,frequency division multiple access）協(xié)議和碼分多址（CDMA,code division multiple access）協(xié)議。水聲信道的窄頻帶特性使基于FDMA的MAC 協(xié)議并不適用于UAN。TDMA 要求節(jié)點的時鐘精確同步，這對于UAN 來說是個難題。UAN的遠(yuǎn)近效應(yīng)給基于CDMA的MAC 協(xié)議在UAN的應(yīng)用帶來很大的挑戰(zhàn)。

在基于競爭的MAC 協(xié)議中，文獻(xiàn)[14]提出了第一個隨機訪問的Aloha 水下MAC 協(xié)議。Aloha協(xié)議在處理數(shù)據(jù)時，不關(guān)注節(jié)點狀態(tài)，而是直接發(fā)送，因此容易造成沖突。文獻(xiàn)[15]提出的Slotted FAMA 協(xié)議將載波偵聽與RTS/CTS（request to send/clear to send）進(jìn)行結(jié)合，通過劃分時隙，并規(guī)定所有報文在時隙開始時發(fā)送，來避免沖突，在一定程度上提高了能量效率，但時鐘的精確同步對UAN 本就是個難題；較長的時隙和只能在時隙開始時發(fā)送的機制浪費了UAN原本就有限的帶寬資源，降低了信道利用率。文獻(xiàn)[16]提出的R-MAC 協(xié)議采用基于預(yù)約的方式，避免了在水下采用握手機制的RTS/CTS 報文過長的問題，也避免了包碰撞問題。然而，ND、ACK-ND 和SYN 報文增加了R-MAC協(xié)議的控制開銷，并且R-MAC 沖突避免機制較復(fù)雜，受節(jié)點運動影響，傳播時延的估計誤差較大，因此只適用于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點移動較慢的場景，且仍存在公平性問題。

當(dāng)前基于競爭的媒體訪問控制協(xié)議多采用RTS/CTS 握手的傳輸控制機制。在UAN 中，優(yōu)化的數(shù)據(jù)包長度為100～200 B，而RTS/CTS 控制包的長度為幾十字節(jié)。與優(yōu)化的數(shù)據(jù)包長度相比，RTS/CTS 幀的長度不能忽略[17]。使用RTS/CTS 握手機制不會帶來更好的收益，而且考慮到水聲信道帶寬低、時延長等特性，使用RTS/CTS 握手反而降低了信道的利用率，從而降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增加了端到端時延[18]。因此，本文提出基于規(guī)則與感知的水聲網(wǎng)絡(luò) MAC（RP-MAC,rule and perception-based MAC）協(xié)議，避免了RTS/CTS 握手在低帶寬、長時延的UAN 導(dǎo)致的信道利用率低下問題，在避免沖突的同時提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

RP-MAC 協(xié)議通過信道訪問規(guī)則在信道公平爭用和傳輸效率最大化之間進(jìn)行了較好的折中。此外，節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)幀之前需要查看鄰居表中所有鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息。如果接收節(jié)點狀態(tài)為忙（發(fā)送狀態(tài)或接收狀態(tài)），則當(dāng)前節(jié)點推遲發(fā)送。如果接收節(jié)點狀態(tài)為閑（非發(fā)非收），但其他鄰居節(jié)點正處于接收狀態(tài)，為了不干擾鄰居節(jié)點，當(dāng)前節(jié)點也會推遲其發(fā)送。因此，使用該信道規(guī)則控制節(jié)點的傳輸能夠在不交換握手報文的前提下實現(xiàn)沖突避免，從而提高信道利用率，這對長傳播時延和帶寬資源受限的UAN 尤其重要。

1 RP-MAC 協(xié)議機制

1.1 系統(tǒng)模型

將UAN的拓?fù)淠M為一個無向圖G=(N,A)，N為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的集合，A為網(wǎng)絡(luò)中可用鏈路集合?？捎面溌分競鬏斮|(zhì)量Cij大于預(yù)定義閾值Cthr的鏈路，即Cij表示在排除干擾的情況下節(jié)點nodei與節(jié)點nodej之間鏈路上的平均交付率，它與發(fā)送功率、信號衰減、編碼方式等因素有關(guān)。對于UAN 中的節(jié)點而言，常見的狀態(tài)有接收、發(fā)送、空閑。假設(shè)在時隙slotn，節(jié)點nodei通過鏈路(i,j)向鄰居節(jié)點nodej發(fā)送一幀，該幀被成功傳輸?shù)母怕蔖ij為

其中，Ps表示節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時不發(fā)生沖突的概率；s(n) 表示目的節(jié)點在時隙slotn是否處于可用狀態(tài)，即空閑狀態(tài)或接收狀態(tài)，s(n)=0 表示節(jié)點不是可用狀態(tài)，s(n)=1 表示節(jié)點處于可用狀態(tài)。

根據(jù)UAN 信道傳輸特性，本文定義信道上的交付能力ΡiJ為在時隙slotn節(jié)點nodei發(fā)送廣播報文被鄰居節(jié)點成功接收的概率。ΡiJ計算式為

其中，W為nodei的鄰居節(jié)點集合，W?A。在此基礎(chǔ)上，本文計算了信道上單位時間內(nèi)nodei向鄰居節(jié)點成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量RiJ，用于反映信道中端到端的吞吐量，如式(3)所示。

其中，l表示幀長度，m表示slotn時隙內(nèi)nodei發(fā)送的幀數(shù)。

1.2 信道訪問規(guī)則

在RP-MAC 協(xié)議中，為避免沖突，減少重傳，同時考慮到傳輸效率和信道占用的公平性，RP-MAC 協(xié)議基于以下規(guī)則實施信道訪問控制。

1) 節(jié)點在一個數(shù)據(jù)傳輸階段中最多允許傳輸N個數(shù)據(jù)包，從而避免了信道被一個節(jié)點長時間占用。

2) 同一個節(jié)點的兩次數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐吮軙r間為Ta?？紤]到水聲調(diào)制解調(diào)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時延較大，退避時間Ta應(yīng)足夠長，通常設(shè)置退避時間Ta=2RTT，RTT 為數(shù)據(jù)包的最大往返時延。

3) 較大的數(shù)據(jù)被切分為多個塊，每個數(shù)據(jù)塊又包含多個數(shù)據(jù)幀，RP-MAC 會對每個數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)幀編序，并按序號順序傳輸。

4) 為了避免干擾鄰居節(jié)點的接收，當(dāng)前節(jié)點的鄰居節(jié)點已處于接收狀態(tài)時，當(dāng)前節(jié)點不能發(fā)送幀。

5) 為了避免干擾指定的接收節(jié)點，當(dāng)指定的接收節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)或接收狀態(tài)時，發(fā)送節(jié)點不能發(fā)送幀。

1.3 節(jié)點狀態(tài)感知

在網(wǎng)絡(luò)初始化階段完成后，每個節(jié)點都維護著一張鄰居節(jié)點狀態(tài)表，記錄了鄰居節(jié)點ID 及其狀態(tài)信息，如表1 所示。

表1 鄰居節(jié)點狀態(tài)

表1 中，狀態(tài)“0”表示節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)，狀態(tài)“1”表示節(jié)點處于接收狀態(tài)，狀態(tài)“2”表示節(jié)點處于未知或空閑狀態(tài)，狀態(tài)“3”表示節(jié)點處于發(fā)送避免狀態(tài)。

為了避免沖突，RP-MAC 協(xié)議的信道訪問規(guī)則規(guī)定了節(jié)點只有滿足一定的條件時才嘗試發(fā)送一組幀鏈，即當(dāng)鄰居表中的所有鄰居節(jié)點都不處于接收（其他節(jié)點數(shù)據(jù)）狀態(tài)，且接收節(jié)點也不處于發(fā)送狀態(tài)時，當(dāng)前節(jié)點才可以嘗試發(fā)送。節(jié)點感知其鄰居節(jié)點實時狀態(tài)的方法如下。

在RP-MAC 協(xié)議中，節(jié)點“偵聽”信道中傳輸?shù)膸〝?shù)據(jù)幀或確認(rèn)幀），根據(jù)幀的頭部字段信息，進(jìn)一步結(jié)合信道訪問規(guī)則中的1)～3)來判斷發(fā)出該幀的鄰居節(jié)點的狀態(tài)，從而更新鄰居表中該鄰居節(jié)點的狀態(tài)。

為了詳述節(jié)點是如何根據(jù)偵聽到的XDATA或XACK 幀頭信息判斷來源節(jié)點的狀態(tài)，這里給出RP-MAC 協(xié)議采用的數(shù)據(jù)幀格式，如表2所示。幀類型字段用于標(biāo)識該幀的類型，“00”表示數(shù)據(jù)幀，“01”表示確認(rèn)（ACK,acknowledgement）幀。RP-MAC 協(xié)議的確認(rèn)幀用于向發(fā)送節(jié)點確認(rèn)收到了一組幀中的第一幀或最后一幀。幀序列號用于標(biāo)記該幀在這組幀鏈中的順序。立即確認(rèn)字段在數(shù)據(jù)幀中用于通知接收節(jié)點是否需要立即回復(fù)ACK 幀；在ACK 幀中用于接收節(jié)點向發(fā)送節(jié)點通告是否解碼成功，“1”表示立即回復(fù)或解碼失敗，“0”表示不回復(fù)或解碼成功。

表2 數(shù)據(jù)幀格式

節(jié)點偵聽信道中傳輸?shù)膸?，根?jù)幀首字段中幀類型（數(shù)據(jù)幀還是ACK 幀）、幀序列號、發(fā)送節(jié)點ID、接收節(jié)點ID，進(jìn)一步基于前述的信道訪問規(guī)則感知鄰居節(jié)點的實時狀態(tài)。例如，當(dāng)節(jié)點偵聽到含有如表3 所示的首部字段的幀時，結(jié)合“立即確認(rèn)字段，在數(shù)據(jù)幀中用于通知接收節(jié)點是否需要立即回復(fù)ACK 幀”這一規(guī)則，可以判斷出節(jié)點A 正在向節(jié)點B 發(fā)送幀序號為6、立即確認(rèn)字段為“0”的數(shù)據(jù)幀，，在本次傳輸階段還會陸續(xù)發(fā)送幀序號為5 到幀序號為1的5 個數(shù)據(jù)幀，因此，節(jié)點感知到鄰居節(jié)點A的實時狀態(tài)為發(fā)送，而節(jié)點B的狀態(tài)為接收。

表3 數(shù)據(jù)幀

節(jié)點通過偵聽感知鄰居節(jié)點狀態(tài)的算法如算法1 所示。

算法1節(jié)點狀態(tài)感知算法

1.4 傳輸控制

RP-MAC 協(xié)議不需要RTS/CTS 握手機制。當(dāng)節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)幀時，首先在鄰居狀態(tài)表中查找接收節(jié)點和其他鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息。為了避免在接收節(jié)點處的沖突，當(dāng)接收節(jié)點處于狀態(tài)“0”或狀態(tài)“1”時，表明接收節(jié)點正在與其他節(jié)點通信，則發(fā)送節(jié)點推遲發(fā)送，繼續(xù)偵聽信道。為了避免干擾其他鄰居節(jié)點的接收，當(dāng)其他鄰居節(jié)點處于狀態(tài)“1”（正在接收其他節(jié)點的幀）時，當(dāng)前節(jié)點也會推遲發(fā)送。只有當(dāng)接收節(jié)點的狀態(tài)為“發(fā)送避免”或“未知或空閑”，且其他鄰居節(jié)點不在“接收狀態(tài)”時，發(fā)送節(jié)點才會向接收節(jié)點嘗試發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀。當(dāng)發(fā)送的第一幀收到確認(rèn)后，發(fā)送節(jié)點才會繼續(xù)按序發(fā)送幀鏈?zhǔn)Ｓ嗟膸?。接收?jié)點對接收到的完整幀鏈回復(fù)一個立即確認(rèn)字段為“0”的ACK 幀。RP-MAC 協(xié)議的整體流程如圖1 所示。

圖1 RP-MAC 協(xié)議的整體流程

為保證協(xié)議傳輸?shù)目煽啃?，發(fā)送節(jié)點會對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀鏈進(jìn)行編碼，接收節(jié)點需對接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼。若接收節(jié)點成功解碼，則向發(fā)送節(jié)點回復(fù)一個立即確認(rèn)字段為“0”的ACK 幀；若接收節(jié)點未成功解碼，則向發(fā)送節(jié)點回復(fù)立即確認(rèn)字段為“1”的ACK幀，并將幀鏈中未解碼幀的ID 通告發(fā)送節(jié)點，發(fā)送節(jié)點對未成功解碼的數(shù)據(jù)重新編碼后進(jìn)行重傳。

RP-MAC 協(xié)議是一種無RTS/CTS 握手的MAC 協(xié)議，雖然摒棄了RTS/CTS 握手機制，但保留了ACK幀，這樣既避免了RTS/CTS 握手機制帶來的降低信道利用率、增加網(wǎng)絡(luò)開銷的問題，又保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸，增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。此外，與隨機訪問MAC協(xié)議不同，RP-MAC 協(xié)議在有數(shù)據(jù)發(fā)送時，會首先判斷鄰居節(jié)點狀態(tài)，當(dāng)鄰居節(jié)點狀態(tài)正確時，才會發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣既避免了隨機訪問帶來的沖突嚴(yán)重的問題，又保留了隨機訪問MAC 協(xié)議隨來隨發(fā)的特性。

2 網(wǎng)絡(luò)性能分析

2.1 信道利用率分析

本節(jié)將RP-MAC 協(xié)議與基于時隙的采用包鏈機制的Slotted FAMA 協(xié)議在信道利用率方面進(jìn)行對比分析。為了便于分析，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇檎呅谓Y(jié)構(gòu)，如圖2 所示。位于拓?fù)渲行牡墓?jié)點ω 共有N個鄰居節(jié)點，而每個鄰居節(jié)點又有Q個相對ω 節(jié)點為隱藏節(jié)點的鄰居節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)據(jù)產(chǎn)生的概率服從泊松分布，平均每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包以的概率發(fā)送給一個給定的鄰居節(jié)點，因此，每個鄰居節(jié)點接收數(shù)據(jù)的速率為

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

使用上述模型，節(jié)點的信道利用率可表示為傳輸有效數(shù)據(jù)占用信道的時間與總時間之比，如式(4)所示。

在文獻(xiàn)[17]中，水聲網(wǎng)絡(luò)經(jīng)負(fù)載優(yōu)化后包負(fù)載長度為100～200 B，因此，在仿真與試驗床測試時，每幀的長度設(shè)置為200 B，水聲通信設(shè)備的數(shù)據(jù)率為5 kbit/s，節(jié)點傳輸范圍為1 500 m，則傳輸長度為Lpacket的幀的傳輸時延Tduar可表示為

其中，Lpacket為包長度，R為數(shù)據(jù)率。按以上設(shè)置，每幀傳輸時延約為0.32 s。水聲通信的速度約為1 500 m/s，按照1 500 m的傳輸范圍計算，需要的傳播時延約為1 s。可見幀的傳輸時延小于傳播時延。

假設(shè)UAN 中的誤碼率為Pb，那么長度為lbit的數(shù)據(jù)包的錯誤率Pp為

在Slotted FAMA 協(xié)議中，節(jié)點ω 在信道上傳輸成功的概率定義為Ps-SF，即當(dāng)拓?fù)渲械墓?jié)點ω 在時隙n發(fā)送RTS 時，ω的所有鄰居節(jié)點都不傳輸?shù)母怕省Ｔ赟lotted FAMA 協(xié)議中，鄰居節(jié)點不傳輸是指在時隙n鄰居節(jié)點既不發(fā)送RTS，也不發(fā)送CTS，其中，不發(fā)送CTS的情況等同于節(jié)點ω的隱藏節(jié)點在n-1 時隙不發(fā)送RTS的情況。因此，在Slotted FAMA 協(xié)議中，節(jié)點ω 傳輸成功的概率Ps-SF為

在RP-MAC 協(xié)議中，節(jié)點ω 在信道上傳輸成功的概率用Ps-RP表示，即當(dāng)指定的接收節(jié)點狀態(tài)為“未知”或“發(fā)送避免”時，指定接收節(jié)點在接收來自節(jié)點ω的幀的持續(xù)時間Tduar內(nèi)，其他鄰居節(jié)點不向接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，并且指定接收節(jié)點在Tduar時間內(nèi)沒有幀產(chǎn)生的概率。根據(jù)RP-MAC 協(xié)議的規(guī)則，概率Ps-RP為

在式(7)和式(8)中，Tslot＞Tduar，且N+Q＞ 2。因此，Ps-RP＞Ps-SF。RP-MAC 協(xié)議中，節(jié)點ω 在信道上傳輸成功的概率遠(yuǎn)大于Slotted FAMA 協(xié)議中節(jié)點ω的傳輸成功概率。

Slotted FAMA 中，數(shù)據(jù)傳輸成功需要的時間為RTS、CTS、DATA（包括所有的重傳）及ACK 成功傳輸所用的時間之和。其中，RTS、CTS 及ACK的傳輸各需一個時隙。數(shù)據(jù)傳輸需要的傳輸時延用Tdata表示。定義Tval為節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)到成功接收ACK 所用的時間，即傳輸有效數(shù)據(jù)占用信道的時間，如式(9)所示。

Slotted FAMA 中，一次成功傳輸需要的總時間可表示為Ttol-S，即

其中，2Tslot為RTS/CTS 握手需要的時間開銷。

RP-MAC 中，一次成功傳輸需要的總時間可表示為Ttol-R，即

其中，TACK為第一個ACK的傳播時延加傳輸時延，TACK＜Tslot。

在式(10)中，對于 Slotted FAMA 協(xié)議，Tsuccess=Ttol-S；對于RP-MAC 協(xié)議，Tsuccess=Ttol-R。

在Slotted FAMA 協(xié)議中，信道沖突包含節(jié)點ω之外的其他鄰居節(jié)點在時隙n發(fā)送RTS 和CTS的2 種情況，當(dāng)節(jié)點ω 發(fā)送的RTS 幀與其他節(jié)點的控制幀沖突時，沖突時間包括當(dāng)前時隙以及下個等待接收CTS的時隙，因此，Slotted FAMA 協(xié)議中節(jié)點ω的沖突時間Tfail-SF為

RP-MAC 協(xié)議中，信道沖突時間包含發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)的傳播與傳輸時延和等待不會被回應(yīng)的ACK的時間，既然這里的傳播時延遠(yuǎn)大于傳輸時延，RP-MAC節(jié)點 ω的沖突時間Tfail-RP可近似表示為

由于TACK＜Tslot，故RP-MAC 協(xié)議的沖突時間Tfail-RP小于Slotted FAMA 協(xié)議中的沖突時間Tfail-SF。當(dāng)節(jié)點ω 偵聽到信道中存在沖突或偵聽到發(fā)送給鄰居節(jié)點的CTS 時，節(jié)點ω 會進(jìn)入退避狀態(tài)。Slotted FAMA 協(xié)議節(jié)點ω的平均退避時間Tdefer為

對于RP-MAC 協(xié)議，當(dāng)節(jié)點沒有收到目的鄰居節(jié)點對第一幀或最后一幀的ACK 時，節(jié)點會進(jìn)行退避。節(jié)點接收到發(fā)送給目的鄰居節(jié)點的第一幀ACK的概率

節(jié)點收到目的鄰居節(jié)點最后一幀ACK的概率為

此時，退避時間為2Tslot。

因此，RP-MAC 協(xié)議節(jié)點退避時間Tdefer為

無論是Slotted FAMA 協(xié)議還是RP-MAC 協(xié)議，信道閑置的平均時間為

綜合以上計算式，可以得出Slotted FAMA 協(xié)議的信道利用率SSF為式(21)，RP-MAC 協(xié)議的信道利用率SRP為式(22)。

由式(6)和式(7)可知，RP-MAC 協(xié)議不發(fā)生沖突的概率大于Slotted FAMA 協(xié)議。

由式(12)～式(20)可知，RP-MAC 協(xié)議傳輸無效數(shù)據(jù)的時間小于Slotted FAMA 協(xié)議傳輸無效數(shù)據(jù)的時間。由式(4)可知，當(dāng)傳輸有效數(shù)據(jù)的平均時間越大、傳輸無效數(shù)據(jù)的時間越小時，節(jié)點的信道利用率越大，因此，RP-MAC 協(xié)議的信道利用率SRP明顯大于Slotted FAMA 協(xié)議的信道利用率SSF。

2.2 RP-MAC 協(xié)議其他性能分析

2.2.1RP-MAC 協(xié)議避免隱藏終端問題

隱藏終端是指那些位于接收節(jié)點的傳輸半徑內(nèi)，卻在發(fā)送節(jié)點傳輸半徑之外的節(jié)點，由于接收不到發(fā)送節(jié)點發(fā)送的幀，因此采用載波偵聽機制的隱藏終端可能會同時向同一接收節(jié)點發(fā)送幀，從而在接收節(jié)點處造成干擾和沖突，降低信道利用率，如圖3 所示。

圖3 隱藏終端

在圖3 中，節(jié)點B 處于節(jié)點A 與節(jié)點C的傳輸半徑內(nèi)，而節(jié)點A 與節(jié)點C 不在對方傳輸半徑內(nèi)無法進(jìn)行通信。節(jié)點A 與節(jié)點C 同時向節(jié)點B 發(fā)送信息，從而會在節(jié)點B 處發(fā)生碰撞，使源節(jié)點數(shù)據(jù)需要重傳，從而增大了網(wǎng)絡(luò)的開銷。

RP-MAC 協(xié)議能夠解決隱藏終端問題，如圖4所示。在RP-MAC 協(xié)議中，節(jié)點A 發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先會發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行探測，當(dāng)節(jié)點B 收到第一幀數(shù)據(jù)時，會向節(jié)點A 回應(yīng)ACK 幀。由于節(jié)點C 處于節(jié)點B的傳輸半徑內(nèi)，因此，節(jié)點C 會偵聽到該ACK 幀，從而學(xué)習(xí)到節(jié)點B 處于接收狀態(tài)，節(jié)點C 將不會向節(jié)點B 發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)，避免了沖突的發(fā)生，解決了隱藏終端問題。

圖4 RP-MAC 協(xié)議解決隱藏終端問題

2.2.2RP-MAC 協(xié)議解決暴露終端問題

暴露終端是指處于發(fā)送節(jié)點傳輸范圍內(nèi)，但在接收節(jié)點傳輸范圍之外的節(jié)點。暴露終端因偵聽到數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)送的信息從而認(rèn)為信道處于忙碌狀態(tài)導(dǎo)致通信被推遲。然而，暴露終端實則處于接收端的傳輸范圍之外，它的數(shù)據(jù)傳輸不會造成信道上的沖突，反而可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行傳輸。因此，這樣的推遲是沒有必要的。

暴露終端問題如圖5 所示。節(jié)點B 與節(jié)點D 處于對方的傳輸范圍之內(nèi)，且節(jié)點B 與節(jié)點A、節(jié)點D 與節(jié)點C 進(jìn)行通信。節(jié)點B 向節(jié)點A 發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點D 可以偵聽到節(jié)點B 發(fā)送的數(shù)據(jù)，此時，節(jié)點D 認(rèn)為信道處于忙碌狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點D 有數(shù)據(jù)向節(jié)點C 發(fā)送時，節(jié)點D 認(rèn)為信道處于忙碌狀態(tài)，導(dǎo)致通信被推遲，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)并行傳輸。節(jié)點D成為暴露終端。

圖5 暴露終端問題

RP-MAC 協(xié)議能夠避免暴露終端問題，提高信道利用率，如圖6 所示。在RP-MAC 協(xié)議中，節(jié)點B 向節(jié)點A 發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點D 偵聽到節(jié)點B 發(fā)送的數(shù)據(jù)，節(jié)點D 會將節(jié)點B的狀態(tài)置為發(fā)送。當(dāng)節(jié)點D 有數(shù)據(jù)發(fā)送時，若節(jié)點C的狀態(tài)可以進(jìn)行收發(fā)，則節(jié)點D 會向節(jié)點C 發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)，節(jié)點C會回復(fù)ACK 幀，節(jié)點D 可與節(jié)點C 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此時，節(jié)點B與節(jié)點D的數(shù)據(jù)會在信道上發(fā)生碰撞，但由于節(jié)點A 不在節(jié)點D的傳輸半徑內(nèi)，節(jié)點C不在節(jié)點B的傳輸半徑內(nèi)。因此，此時的碰撞并不影響通信，這樣就避免了暴露終端的問題，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的并行傳輸。

圖6 RP-MAC 協(xié)議避免暴露終端問題

3 仿真與現(xiàn)場實驗

3.1 NS3 仿真

為了驗證RP-MAC 協(xié)議性能，本節(jié)使用NS3仿真平臺對RP-MAC、Slotted FAMA 和R-MAC 協(xié)議的性能進(jìn)行仿真與分析[20-25]。

仿真實驗在5 km×5 km×3 km的3D 區(qū)域內(nèi)隨機放置35 個節(jié)點。實驗測試了數(shù)據(jù)率（每秒發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)）為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40的情況下，不同協(xié)議的平均能耗及吞吐量。仿真實驗參數(shù)如表4 所示。

表4 仿真實驗參數(shù)

平均能量消耗（AET,average energy tax）為

平均能量消耗指一次仿真過程中總的能量消耗Et與sink 節(jié)點成功接收的包數(shù)Np和網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)Nn乘積的比值。

網(wǎng)絡(luò)吞吐量為

網(wǎng)絡(luò)吞吐量指sink 節(jié)點成功接收的包數(shù)Np和包負(fù)載長度Lp的乘積與網(wǎng)絡(luò)仿真時間Tsim的比值。

平均能耗隨數(shù)據(jù)率變化如圖7 所示。仿真結(jié)果表明，當(dāng)數(shù)據(jù)率較小時，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及沖突都較少，因此，Slotted FAMA、R-MAC 和RP-MAC 協(xié)議的能耗都較小，但由于Slotted FAMA 協(xié)議使用的RTS/CTS 握手機制增加了協(xié)議的能耗。R-MAC 協(xié)議使用預(yù)約機制，但其復(fù)雜的沖突避免機制和較多的控制報文均增加了協(xié)議的能耗，因此，Slotted FAMA 和R-MAC 協(xié)議的能耗大于RP-MAC 協(xié)議。隨著數(shù)據(jù)率的增加，網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載逐漸增加，RP-MAC 協(xié)議的能耗也會有所增加，但相對增加較少。而Slotted FAMA 和R-MAC 協(xié)議中，由競爭和信道預(yù)約等造成各種沖突導(dǎo)致能耗急劇增加，但由于R-MAC 協(xié)議采用了沖突避免機制，因此，R-MAC協(xié)議的能耗相對Slotted FAMA 協(xié)議而言增加較少。

圖7 平均能耗隨數(shù)據(jù)率變化

吞吐量隨數(shù)據(jù)率變化如圖8 所示。從圖8 可以看出，隨著數(shù)據(jù)率的增加，網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載逐步增加，RP-MAC、R-MAC 及Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量逐漸增加，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載逐漸趨于飽和時，RP-MAC協(xié)議的吞吐量會逐漸趨于穩(wěn)定；R-MAC 協(xié)議由于采用了沖突避免機制，沖突較少，因而，吞吐量逐漸趨于穩(wěn)定，但仍小于RP-MAC 協(xié)議；Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量由于沖突的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)數(shù)據(jù)率大于0.15 package/s 時，RP-MAC協(xié)議的吞吐量遠(yuǎn)高于Slotted FAMA及R-MAC協(xié)議的吞吐量。綜合圖7 和圖8 可知，RP-MAC 協(xié)議的吞吐量及能耗均優(yōu)于Slotted FAMA 和R-MAC 協(xié)議。

圖8 吞吐量隨數(shù)據(jù)率變化

3.2 現(xiàn)場實驗

3.2.1試驗床搭建

青海湖水域在線監(jiān)測試驗床被部署在青海湖西北部。該試驗床由帶4G 和Wi-Fi 模塊的工業(yè)路由器、GPS、五套節(jié)點和一臺遠(yuǎn)程服務(wù)器等組成。每套節(jié)點包含水上浮標(biāo)、水下溫鹽深傳感器、水聲調(diào)制解調(diào)器和樹莓派主控板。節(jié)點使用水下溫鹽深傳感器采集水下溫度、鹽度、深度等屬性數(shù)據(jù)，經(jīng)過水聲多跳通信傳輸至sink 節(jié)點，繼而通過4G 和互聯(lián)網(wǎng)傳輸至實驗室服務(wù)器。水上浮標(biāo)模塊主要用于承載主控板、GPS、水聲調(diào)制解調(diào)器和水下溫鹽深傳感器等設(shè)備并提供電源。圖9 為試驗床實地部署場景。

圖9 試驗床實地部署場景

試驗床拓?fù)淙鐖D10 所示。36 號節(jié)點和5 號節(jié)點將水聲圖片信息經(jīng)65 號節(jié)點和8 號節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，最后到達(dá)sink 節(jié)點（即1 號節(jié)點），之后由裝有4G模塊的sink 節(jié)點接收，并經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)中心，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及可視化處理。

圖10 試驗床拓?fù)?/p>

3.2.2試驗床測試

基于該試驗床，本文分別在單數(shù)據(jù)源節(jié)點與sink 節(jié)點通信和多數(shù)據(jù)源節(jié)點與sink 節(jié)點通信的網(wǎng)絡(luò)場景中將RP-MAC 與Slotted FAMA 協(xié)議進(jìn)行了對比。實驗參數(shù)設(shè)置如表5 所示。圖11 和圖12 給出了部分試驗床的調(diào)試信息截圖。圖11為接收節(jié)點未成功恢復(fù)塊中所有原始包時，發(fā)送節(jié)點重傳第一幀的調(diào)試信息截圖。圖12 為發(fā)送節(jié)點收到接收節(jié)點回復(fù)的成功解碼所有原始包的ACK 后，進(jìn)入發(fā)送避免階段的調(diào)試信息截圖。圖13 和圖14 為RP-MAC 與Slotted FAMA 協(xié)議在單數(shù)據(jù)源與多數(shù)據(jù)源場景中不同數(shù)據(jù)率下的吞吐量對比。

圖11 發(fā)送節(jié)點重傳第一幀

圖12 成功發(fā)送數(shù)據(jù)包后發(fā)送節(jié)點進(jìn)入退避狀態(tài)

表5 實驗參數(shù)設(shè)置

由圖13 可知，當(dāng)數(shù)據(jù)率較小時，隨著數(shù)據(jù)率的增加，網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載逐漸增加，RP-MAC和Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量都會有所增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載飽和后，RP-MAC 協(xié)議的吞吐量基本保持在500 bit/s左右，不會有顯著的變化。而Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量由于沖突增加而出現(xiàn)下降的趨勢，Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量從數(shù)據(jù)率為0.15 package/s 時開始，逐漸下降到140 bit/s。由圖14 可知，多個數(shù)據(jù)源的情況下，與單數(shù)據(jù)源時變化相似，當(dāng)數(shù)據(jù)率較小時，隨著數(shù)據(jù)率的增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載會有一定的增加，協(xié)議的吞吐量也有小幅增加。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載基本飽和后，隨著數(shù)據(jù)率的增加，多數(shù)據(jù)源場景下RP-MAC 協(xié)議吞吐量基本穩(wěn)定在550 bit/s，不會有顯著的增加。Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載迅速增加的情況下，會從數(shù)據(jù)率為0.1 package/s時開始迅速下降，直至下降到120 bit/s。

圖13 單數(shù)據(jù)源場景中的吞吐量

圖14 多數(shù)據(jù)源場景中的吞吐量

4 結(jié)束語

本文提出了基于規(guī)則與感知的RP-MAC 設(shè)計，并將該協(xié)議與Slotted FAMA 等協(xié)議的性能進(jìn)行分析對比，進(jìn)一步通過NS3 和青海湖水域在線監(jiān)測試驗床對2 種協(xié)議進(jìn)行了大量實驗測試，實驗表明，RP-MAC 協(xié)議的吞吐量基本穩(wěn)定在500 bit/s，不會有顯著的增加。R-MAC 協(xié)議的吞吐量基本穩(wěn)定在300 bit/s。Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載迅速增加的情況下，會從數(shù)據(jù)率為0.1 package/s 時開始迅速下降，直至下降到120 bit/s 左右。未來將會進(jìn)一步進(jìn)行融合路由機制與MAC 協(xié)議的研究工作，給出改進(jìn)效果。此外，由于青海湖水域在線監(jiān)測試驗床實地部署時的難度較大，試驗床的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)相對較少，未來仍需進(jìn)一步進(jìn)行大量的實地測試。