RIM-MAC：一種適用于水下傳感網接收者發起的多會話MAC協議

李超，徐勇軍，刁博宇，王峰，王琪

(1. 中國科學院 計算技術研究所，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100190；3. 海軍裝備研究院，北京100161)

1 引言

隨著世界各國對海洋權益的日益重視、發展海洋經濟熱潮的興起和陸地無線傳感器網絡（TWSN，terrestrial wireless sensor networks）研究的迅速發展并逐步走向應用[1,2]，水下傳感網（UWSN，underwater sensor network）的研究和應用已經成為新的熱點。世界上的超級大國都是海洋強國，但人類對覆蓋地球大部分面積的海洋的認知還很不夠，水下傳感網作為認知海洋的重要手段，已得到世界各國政府部門、工業界、學術界和科研機構的極大關注[3,4]。MAC（media access control）層位于水下傳感網的物理層和路由層之間，主要負責水聲信道的訪問機制、合理高效地使用水聲信道的帶寬資源等。MAC協議設計對網絡性能具有重要的影響，尤其是對低帶寬、長延遲的水聲信道系統[5]。

但是在水下傳感網中設計MAC協議過程中，存在以下問題和挑戰[6,7]。

1) 聲速長延遲的挑戰。聲波在水下的傳輸速度很慢，通常僅有1 500 m/s，而且水下介質的密度、溫度及水質等不均勻，導致聲速不穩定[8]，這導致水下通信的傳播延遲很長。

2) 水聲信道帶寬低。水下的通信環境非常的惡劣，網絡的信號很不穩定且容易造成信號的中斷，這導致水聲信道可利用帶寬很低。另外，隨著傳輸距離的增大，可利用帶寬會進一步降低，例如傳輸距離在1～10 km之間的網絡，帶寬只有10 kHz；傳輸距離為 0.1～1 km的水聲通信網絡的帶寬大約為20～50 kHz。

因此，對水下傳感網的MAC協議展開研究，以降低網絡延遲，提高網絡吞吐量是非常重要的。在長延遲的水聲信道中，為了提高系統的吞吐量，必須增加同時在信道中傳輸的數據分組的數目，提高信道復用率。為了克服水聲信道長延遲和低帶寬帶來的挑戰，實現接收和發送兩端的時空復用，提高信道利用率和網絡吞吐量，本文提出一種基于握手的接收者發起的多會話MAC協議——RIM-MAC（receiver initiated multi-session MAC protocol）。與一般信道預留類協議不同的是RIM-MAC是接收者發起握手的協議，這可以通過一次握手過程完成多個數據分組的傳輸，降低了控制分組傳輸比例。RIM-MAC基于RIPT[9]改進，在RIPT的基礎上本文做了以下貢獻。

1) 它通過偵聽到的本地信息建立鄰居延遲圖，根據延遲圖和鄰居節點的傳輸調度信息，有效地避免了信道沖突。

2) 在避免信道沖突的前提下，它允許每個節點同時發起多個會話，實現在接收和發送兩端的時空復用，提高了網絡吞吐量。

3) 為了保證網絡的穩定性與公平性，本文提出一種基于自適應數據輪詢策略的網絡負載公平算法（FTA, fair traffic algorithm），它通過控制分配給節點的可用帶寬，保證網絡中所有節點都能公平的訪問信道，避免某些節點不公平使用信道的情況出現。

2 相關工作

文獻[10]提出劃分時隙的MAC協議——S-FAMA（slotted floor acquisition multiple access），它將時間劃分成時隙，所有的報文必須在每個時隙的開始進行傳送，因此，時隙的長度必須能夠避免發生沖突。該協議必須保證節點在發送數據分組之前首先獲得信道使用權，從而能夠實現數據分組的無沖突傳輸。S-FAMA協議避免了數據分組的碰撞，但是，由于水聲信道的長傳播延遲特性，該握手機制會導致較低的系統吞吐量。由于水下聲波的傳播延遲非常大，文獻[11]提出一種傳播延遲容忍碰撞避免的水下MAC協議——PCAP(propagation-delay-tolerant collision avoidance protocol)。接收端接收到RTS(request to send)之后，不是立刻回復CTS(clear to send)，而是等待一段時間再發送CTS，并且PCAP規定其RTS/CTS握手的時間為固定值，因此可以允許發送端在發送完RTS后到接收到CTS的時間段內去完成其他任務，這提高了網絡的吞吐量。但是對于異構要求的應用程序，PCAP并沒有提供一種靈活的解決方案。此外，Liao等[12]為了解決空間訪問的公平性問題提出了SF-MAC（spatially fair mac protocol）協議，采用握手機制有效解決了隱藏終端問題，利用RTS競爭周期接收所有RTS請求分組，并使用概率準則來判斷可能最先發送 RTS分組的節點，保證空間的公平性，但是SF-MAC協議為了避免信道沖突，采用較長時長的RTS競爭周期，增加了信道競爭的握手時長，降低了信道利用率。

文獻[9]在水下傳感網中首次提出接收者發起數據傳輸MAC協議RIPT（receiver-initiated reservation-based protocol），接收者根據它與鄰居節點的延遲通過調度實現多個數據分組的接收，并且保證數據分組在接收端順序排列，提高信道利用率。但是在RIPT中，每個節點和鄰居節點同時只能建立一個握手過程，在長傳播延遲的水下場景中，這種通信機制限制了信道利用率的提高。此外，其信道復用僅發生接收端，并沒有實現發送端的信道復用。文獻[13]提出的DOTS（propagation delay-aware opportunistic MAC protocol）協議代表了基于握手機制的MAC協議的最新進展，其主要的改進是充分利用水聲信道傳播延遲大這一特點，化劣勢為優勢，通過建立系統的并行傳輸，增加了系統的吞吐量。DOTS是一個發送者發起的MAC協議，在避免信道沖突的前提下，貪心地發送更多的數據分組，但是它的時空復用僅發送在接收端，信道利用率還有進一步提升的空間。

3 RIM-MAC協議

3.1 基本原則

RTS/CTS方案被廣泛用于緩解隱藏終端和暴露終端問題，但它在應用于水下傳感網過程中主要有2個缺點。首先，由于長傳播延遲，在數據分組發送之前需要多輪完整的雙向控制分組交換，這為每一個數據分組的發送引入了相當大的延遲，從而導致低吞吐率和低信道利用率。此外，RTS/CTS握手機制中節點需要耗費更多的時間從鄰居節點接收RTS和CTS分組，從而延長了沖突周期。長傳播延遲嚴重影響了 RTS/CTS解決隱藏終端問題的能力，從而導致低吞吐量和高沖突率。對于第一個缺點，RIM-MAC通過節點間建立多個會話，增加數據分組在信道中的數量，從而提高了吞吐量。對于第二個缺點，因為接收者準確地知道自己的當前狀態，接收者發起握手的信道預留協議能夠在長傳播延遲的情況下更好地在避免信道沖突[9]。

與典型的3次握手（RTS/CTS/DATA）機制不同，RIM-MAC協議利用接收者主動發起握手的 4次握手（RTR/SIZE/ORDER/DATA）機制，本文把2個節點進行4次握手的過程統稱為一個“會話”，如圖 1所示。為了避免混淆，“接收者”是指接收數據分組的節點，“發送者”指的是有數據分組發送給接收者的節點。RTR(ready-to-receive)控制分組負責通知所有鄰居節點，準備作為一個接收者。一旦接到RTR分組，一系列SIZE控制分組將被發送給接收者，以此標識鄰居節點想要發送給接收者的數據分組的數目。在3.3節介紹了避免SIZE控制分組沖突的策略。接收者然后發送一個ORDER控制分組來通知其鄰居節點的數據分組發送相對順序。最后，各自的鄰居節點按照順序發送數據分組給接收者。

受文獻[14]的啟發，在長傳播延遲的水聲信道中，通過在控制分組傳輸的過程中加入等待時間可以減少信道的沖突。基于此，本文提出 RIM-MAC無沖突傳輸的3個條件。1）RTR等待時間：從接收者發送RTR到發送者回復SIZE響應的傳輸時間應大于最大傳播延遲（發送報文到達其最大傳輸范圍的時間）；2）SIZE的等待時間：接收者在發送RTR后等待接收鄰居節點的SIZE控制分組的時間應該大于RTR傳輸時間加上最大傳播延遲的2倍；3）ORDER等待時間：從接收者發送ORDER控制分組到發送者發送數據分組的時間大于最大傳播延遲的時間。因此，這3個條件是RIM-MAC協議避免報文沖突的基礎。

在RIM-MAC協議中，要求所有節點之間的時間同步，這對準確估計節點之間的傳輸延遲是非常必要的。在文獻[15]中，作者提出了高延遲時間同步（TSHL），并通過仿真驗證了TSHL可以通過一個可靠和有效的方式糾正時鐘偏移。因此，RIM-MAC的時間同步是可以實現的。利用節點間的時間同步以及控制/數據分組的時間戳，每個節點都可以通過監聽鄰居節點的報文來計算其鄰居節點的所有報文的傳輸和接收時間。對于每個節點來說，通過已知包括節點和其一、兩跳鄰居間的傳輸延遲和鄰居節點所有報文的發送和接收時間，可以用來避免碰撞。

根據偵聽到的報文的類型（RTR, SIZE, ORDER,DATA）和每個節點的延遲圖可以推斷出其所有鄰居節點接收和發送報文的時間。同理，根據節點目前的狀態和已知的鄰居延遲圖，一個節點可以推測出它接收報文的時間。當一個節點要發送一個報文時，它會計算所有報文的接收時間，并與鄰居節點和本地的報文接收時間進行比較，以檢測可能發生的沖突。如果預測不會發生沖突，節點開始它的傳輸，否則，進入根據二進制指數退避算法[10]進行退避等待。

3.2 鄰居延遲圖管理

一個節點通過監聽鄰居節點的通信而建立一跳和2跳鄰居節點的延遲圖，所以每個報文必須包含以下信息。

1) 源地址：報文的發送節點；

2) 目的地址：接收報文的目的節點；

3) 時間戳：報文的發送時間；

4) 源—目的延遲：估計的源和目的節點之間的傳播延遲。

通過偵聽鄰居節點發送的報文，節點能夠構建其一跳鄰居節點的傳播延遲的延遲圖，以及其一、二跳鄰居節點之間的延遲圖。結合鄰居延遲圖和偵聽到的報文類型，節點可以預測未來的所有報文的發送和接收時間。當節點要發送一個報文，它計算所有需要成功傳輸到目的節點的報文的發送和接收時間（RTR, SIZE, ORDER, DATA）。如果這些報文會與任何鄰居或本地的報文接收產生沖突，節點將放棄發送，退避等待。

在水下傳感網中，節點由于受洋流的影響會不斷處于移動的狀態，為了避免由于節點移動帶來的計算誤差，RIM-MAC將保護時間引入其報文接收和發送時間的計算中。保護時間是用來估計在報文傳播時間內，源節點和目的節點之間距離發生的偏移。因此，每個節點計算這個保護時間的方式為：2×（平均移動距離/水中聲速）。乘以2是因為源和目的節點可能會朝相反的方向移動。保護時間將與報文接收的時間相加，從而降低了節點的移動性造成的碰撞率。

由于網絡拓撲動態變化，鄰居延遲圖有可能會過期。為了適應網絡動態性，鄰居延遲圖的定時更新是必需的。每當偵聽到新的報文，每個節點都要查詢自己的延遲圖，查詢此報文的源地址和目標地址是否已經在延遲圖內。如果已經存在，節點根據最新時間戳信息更新此條記錄。否則，就在延遲圖內新增加一條記錄，每當在延遲圖中創建新的記錄時，每一項都被設置一個計時器。當計時器過期時，該項記錄從延遲記錄中移除，以保證延遲圖和傳輸時間表的大小可控。

3.3 單會話

當網絡中某個節點想成為一個接收者，它通過向周圍鄰居發送RTR報文來發起一個由4次握手過程組成的會話。RTR報文中包括本節點的 ID、它與鄰居間的延遲和 SIZE報文的順序。任何一個節點根據延遲圖可以獲知其與鄰居節點的延遲及其鄰居節點與鄰居節點間的延遲。SIZE報文的順序由接收者與鄰居間的延遲決定，延遲越大的節點則越優先發送 SIZE報文。因此，根據延遲圖，可以通過調度保證鄰居間的SIZE報文不會發生沖突。

如圖1所示，RIM-MAC的單個會話由4次握手過程組成。當一個鄰居節點接收到RTR報文，在保證不與其他鄰居節點的 SIZE報文沖突的前提下發送SIZE報文給接收者。接收者接收完鄰居節點的SIZE報文，接收者根據轉發報文優先的策略給鄰居分配發送數據分組的順序。由于轉發報文到達中間節點時，已經消耗了網絡的資源，為了有效地增加網絡資源利用率，轉發報文的優先權比新產生報文的優先權高。此外，為了保證網絡中競爭節點的公平性，短報文的優先權比長報文優先權高。根據以上的原則，接收者通過ORDER報文把數據分組的發送順序發送給鄰居節點。一旦鄰居節點收到 ORDER報文，它需要計算其數據分組的發送時間，在保證不沖突的前提下，使數據分組在接收者端形成鏈狀，以提高信道的利用率。

3.4 沖突避免調度

在網絡中的節點時間同步的前提下，報文中時間戳為網絡中的每個報文提供了時序信息。節點可以通過提取接收到的報文的時間戳信息獲知接收者和發送者的延遲。通過這些延遲信息，節點可以通過偵聽到的報文信息，針對某個會話推測出自己及鄰居何時可以偵聽到其未來的通信報文。當一個節點發起一個會話或者偵聽到RTR/SIZE報文，它就根據延遲圖的延遲信息和報文中的時間戳計算未來所有報文發送與接收的時間。根據這些時間信息，節點在延遲圖中創建一個新的記錄。如果節點想發起一個新的會話，那么它必須滿足以下2個條件：1）鄰居沖突避免：保證此會話的通信報文（RTR/SIZE/ORDER/DATA）不會影響到鄰居的接收；2）本地沖突避免：保證其他節點發送的SIZE和DATA報文不會干擾到自己的報文接收。

圖1 RIM-MAC會話的4個階段

如圖2所示，節點C偵聽到一個節點B發送給節點 A的 SIZE報文，節點 C預估節點 B收到ORDER報文的時間為SIZE報文時間戳+最大傳播延遲+節點B與A的傳播延遲。同理，節點C可以預估它收到節點B發送的數據報文的時間為節點B的SIZE報文時間戳+2×最大傳播延遲+ ORDER×SIZE數據分組傳輸時間+節點B與節點C的傳播延遲。如果節點C想要和鄰居節點建立新的會話，那么它需要根據自己的延遲圖和鄰居的通信過程，保證自己的報文傳輸能滿足鄰居和本地沖突避免這 2個條件。如果能滿足，就發送RTR報文建立新的會話，否則就隨機退避一段時間，然后在重新進行沖突避免調度計算。

3.5 多會話調度

在接收者創建新的會話前，節點需確認此會話產生的接收和發送調度不會與現存的調度產生沖突。如果根據沖突避免策略預見到沖突，節點會根據二進制指數退避算法隨機退避一段時間再重新發起此會話。否則，節點會發送RTR報文建立新的會話。對于發送者，一旦收到RTR報文，即建立了發送者會話。發送者會話建立之后，節點會把此會話帶來的發送和接收調度與現存的調度進行比較，如果根據沖突避免策略預見到沖突，發送者就不回復接收者SIZE報文。否則，發送者就回復SIZE報文，并等待接收ORDER報文，并根據分配的時隙發送數據分組。根據圖3所示，節點間同時會話的數目會隨著傳播延遲與數據分組傳輸時間的比例的增大而增大。在避免沖突的前提下，節點可以和鄰居節點發起多個會話，這可以大大增加網絡的吞吐量。

3.6 網絡負載公平算法

在RIM-MAC協議中，接收者通過發送RTR報文發起會話，因此，RTR報文的時序是一個很重要的問題。此外，由于所處的位置及負載的特點，在網絡中某些節點會長時間占用信道，導致信道的不公平訪問。保證網絡中所有節點都能公平的訪問信道是另一個需要解決的問題。因此，本文提出了網絡負載公平算法FTA，它保證了RIM-MAC協議的公平性。對于FTA算法，它需要解決2個問題：1）接收者何時可以發起新的會話。2）對于發送者來說，每次需要發送多少數據分組。對于第一個問題，借助于文獻[16]，RIM-MAC可以保證接收者在最合適的時間發起新的會話。對于第二個問題，本文基于帶寬平衡模型[17]，控制節點發起會話的數目和每次傳輸的數據分組數目，保證協議的公平性。

RIM-MAC利用延遲圖避免節點間的信道沖突，但是為了增加系統吞吐量，它貪心地發起了多個會話，在此過程中，協議的公平性很難保證。本文提出 FTA算法用來保證網絡帶寬在節點間的公平分配。每個節點發送完 RTR報文后會進入偵聽狀態，在其收到SIZE報文前，其記錄偵聽到的RTR的報文個數β，此報文個數表示目前競爭信道的節點數目。

圖2 沖突避免調度

圖3 RIM-MAC多會話

網絡中的每個節點i可以測量網絡中的剩余帶寬Bi

其中，Ci是節i的信道帶寬，此帶寬對于網絡中的節點是一致的。Tm代表的測量時間，定義為8倍的最大傳播延遲。Ti是測量的節點i空閑時間。分配給節點i可使用的帶寬

其中，φi為節點i上次被分配的可使用帶寬。μ的值如果取得太小，能更好地保證網絡公平性，但是會造成帶寬資源的浪費；μ取得太大接近于1，能充分利用帶寬資源，但是網絡公平性容易受到影響。μ在本文的仿真實驗中，μ取值通過第4節的仿真實驗，FTA算法能有效避免網絡擁塞，保證協議的公平性和穩定性。

4 仿真與性能評估

4.1 仿真場景及參數

本文的仿真實驗是在 Aqua-Sim[18]平臺上進行的，Aqua-Sim是基于NS-2研發專用于水下傳感網的仿真平臺。本文的仿真實驗是在以下3種網絡中進行。

1) 星型網絡。如圖4所示，星型網絡是一個單跳網絡，由4個發送節點和一個接收節點組成，發送節點與接收節點的距離是最大傳播范圍。本文用星型網絡展示RIM-MAC利用多會話實現數據并行傳輸對網絡吞吐量的影響。

圖4 星型網絡

2) 移動ad-hoc網絡。20個節點被均勻的部署在以最大傳播范圍為直徑三維區域內，整個網絡是個單跳網絡。網絡的所有節點是隨機移動的，移動的模式基于MCM模型[19]，最大移動速度是0.3 m/s。

3) 樹形網絡。如圖5所示，樹形網絡由15節點組成，這些節點被部署1 500 m×1 500 m×1 500 m的區域內，它們的最大傳輸范圍為750 m，這樣樹形網絡形成了一個兩跳的多跳網絡。樹形網絡是水下傳感網中的一種典型網絡[20,21]。網絡中所有數據分組都由位于網絡底部的源節點產生，路由節點只負責把源節點產生的數據分組轉發給漂浮在水面的目的節點。本文用樹形網絡展示RIM-MAC在多跳網絡下的性能。

圖5 樹形網絡

本文中用到的水聲通信的參數基于一種商用的水聲通信調制解調器UWM1000[22]設計，網絡帶寬是10 kbit/s，發送功耗為2 W，接收功耗為0.1 W，空閑功耗為0.01 W。在網絡中，本文假設所有節點的最大傳播范圍是750 m，數據分組的長度固定為256 byte，控制分組的長度固定為16 byte。節點發送數據分組的速率相互獨立且服從泊松分布。本文在仿真中把節點的數據分組發送速率以0.1 packet/s的間隔由0.1 packet/s增加到0.6 packet/s，所有實驗每輪的持續時間是1 h，每個實驗重復進行50次，然后把實驗結果以置信區間95%取平均值。本文用以下3個指標來評價協議的性能。

1) 網絡吞吐量：在仿真時間內所有收到的數據分組的字節數與仿真時間的比值。

2) 端到端延遲：所有數據分組產生的時間與被目的節點接收成功的時間差的平均值。

3) 平均功耗：在仿真時間內所有節點消耗的功耗與收到的數據分組數目的比值。

4.2 仿真結果及分析

本部分展示了 RIM-MAC、不帶 FTA的RIM-MAC、RIPT[9]、DOTS[13]和 S-FAMA[10]仿真的性能結果，并針對仿真結果進行了分析。

4.2.1 星型網絡

根據圖6～圖8的結果，可以看出隨著網絡負載增大，RIM-MAC與不帶FTA的RIM-MAC的吞吐量快速增長到最高值，RIM-MAC比不帶 FTA的RIM-MAC的吞吐量最高值要高出15%以上。當吞吐量達到最大值后，RIM-MAC的吞吐量不再隨著網絡負載增加而增加；不帶FTA的RIM-MAC的吞吐量到最大值后，會隨著網絡負載的增加急速下降，原因就是當網絡負載增大后，控制分組的沖突率增大。另外，網絡某些節點可能會一直占用信道，導致網絡中的其他節點無法有效的發送數據分組，會進一步加大控制分組的沖突，造成網絡擁塞，導致網絡吞吐量下降。

圖6 星型網絡中協議的吞吐量

在星型網絡中，4個發送節點發送數據分組給位于網絡中心的接收節點。RIM-MAC是一個接收者發起握手的協議，在這種拓撲下，通過一次握手過程，可以接收所有鄰居節點的數據分組，這提高了網絡吞吐量。此外，發送節點還可以與接收節點建立多個會話，這進一步提高了吞吐量。RIPT也是接收者發起握手MAC協議，雖然其僅與DOTS一樣都是僅在接收端實現了時空復用，但是在這種網絡中，RIPT通過一次握手過程，可以接收所有鄰居節點的數據分組，所以其網絡吞吐量比 DOTS和S-FAMA高。DOTS和S-FAMA都是發送者發起握手的MAC協議，它們都需要3次握手過程才能接收完所有鄰居的數據分組，所以它們吞吐量比RIM-MAC和RIPT低。

如圖6所示，當數據分組發送速率到0.4 packet/s時，RIM-MAC的吞吐量比RIPT高出約50%，比DOTS高出約162%，比S-FAMA高出約536%。

4.2.2 移動ad-hoc網絡

如圖7所示，當數據分組發送速率到0.3 packet/s時，RIM-MAC的吞吐量比RIPT高出約53%，主要原因是RIM-MAC在避免沖突的前提下，在發送接收節點間建立的多個會話，同時傳輸數據分組，實現了網絡的并行傳輸，增加了吞吐量。但是在RIPT中，發送與接收節點間同時只能建立一個會話，在長傳播延遲的場景下，沒有充分地實現空間復用。

圖7 移動ad-hoc網絡中協議的吞吐量

如圖7所示，RIM-MAC的吞吐量比DOTS高出36%。DOTS是一個發送者發起的MAC協議，它通過增加時空復用來實現數據并行傳輸，提高網絡的吞吐量，但是它的時空復用僅發生在接收端，其信道利用率還有進一步提高的空間。RIM-MAC利用本地信息避免了信道沖突，同時在節點間建立多會話，同時在接收和發送兩端實現的時空復用，明顯的提高的信道利用率。

如圖7所示，RIM-MAC的吞吐量比S-FAMA高出 189%。S-FAMA協議將時間劃分成時隙，所有的分組必須在每個時隙的開始進行傳送，因此，時隙的長度必須能夠避免發生沖突。該協議必須保證節點在發送數據分組之前首先獲得信道使用權，從而能夠實現數據分組的無沖突傳輸。它避免了數據分組的碰撞，由于水聲信道的長傳播延遲特性，節點間同時只能同時建立一個握手過程。在長傳播延遲的場景下，該握手機制沒有實現時空復用，會導致信道利用率不高。

4.2.3 樹形網絡

在樹形網絡中，所有的數據流都是從網絡底部經過中間的路由節點轉發到達水面的目的節點。路由節點作為中間節點，除了要接收來自于源節點的數據分組，還要負責把這些數據分組發送給目的節點，這樣網絡容易在路由節點處出現擁塞的情況。如圖8所示，FTA算法保證了網絡吞吐量的穩定，有效地避免了信道在競爭節點間的不公平分配。在圖8中，RIM-MAC的吞吐量比RIPT高出約67%，比DOTS高出約43%，比S-FAMA高出約233%。

圖8 樹形網絡中協議的吞吐量

如圖9所示，RIM-MAC的端到端延遲低于其他3種協議。主要原因是，RIM-MAC可以允許節點間建立多個會話，中間路由節點可以在參與接收底部源節點發送數據分組的會話的同時參與水面目的節點接收數據分組的會話，把從底部源節點接收的數據分組快速的轉發給目的節點，降低了端到端的延遲。但是當網絡負載增大時，RIM-MAC的端到端延遲與其他協議的差距逐漸縮小。這是因為，網絡負載的增大會增加控制分組的沖突，當網絡吞吐量達到最大值后，繼續增大網絡負載，會引起控制分組沖突增多，增加網絡的延遲。

圖9 樹形網絡中協議的端到端延遲

如圖10所示，RIM-MAC的平均功耗高于其他3種協議，這是因為，一方面，為了避免信道沖突，節點除了發送數據外，一直處于偵聽狀態；另一方面，RIM-MAC允許節點間建立多個會話，這會發送更多的數據分組，網絡負載的增大會增加控制分組的沖突，當網絡吞吐量達到最大值后，繼續增大網絡負載，會引起控制分組沖突增多，進一步增加系統功耗。

圖10 樹形網絡中協議的平均功耗

5 結束語

本文針對水下傳感網中的長傳播延遲和低帶寬的問題，為了提高網絡吞吐量，提出了一種接收者發起的多會話MAC協議，其利用本地信息，避免信道沖突；此外，通過允許節點間建立多會話，在接收和發送兩端實現時空復用，提高信道利用率；為了保證網絡的公平性，提出了FTA算法，有效地避免了網絡擁塞。最后，通過在3種網絡拓撲下的仿真實驗結果表明，在長傳播延遲的場景下，本文提出的RIM-MAC協議取得了比其他3種典型水下傳感網MAC協議更好的吞吐量性能。

本文將來一方面要通過理論分析和仿真驗證找到網絡負載公平算法的μ的最優值；另一方面要把RIM-MAC運用到實際的水下環境，同時要從功耗、穩定性和吞吐量等方面提高它的性能。

[1] JENNIFER Y, BISWANATH M, DIPAK G. Wireless sensor network survey[J]. Computer Networks, 2008, 52(12):2292-2330.

[2] 崔莉, 鞠海玲, 苗勇, 等. 無線傳感器網絡研究進展[J]. 計算機研究與發展, 2005, 41(1): 163-174.CUI L, JU H L, MIAO Y,et al. Overview of wireless sensor networks[J]. Journal of Computer-Research and Development, 2005,41(1): 163-174.

[3] 郭忠文, 羅漢江, 洪峰, 等. 水下無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發展, 2010, 47(3): 377-389.GUO Z W, LUO H J, HONG F,et al. Current progress and research issues in underwater sensor networks[J]. Journal of Computer Research and Development, 2010, 47(3): 377-389.

[4] HAN G J, JIANG J F, BAO N,et al. Routing protocols for underwater wireless sensor networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2015,53(11):72-78.

[5] CHEN K, MA M, CHENG E,et al. A survey on MAC protocols for underwater wireless sensor networks[J]. Communications Surveys &Tutorials, IEEE, 2014, 16(3): 1433-1447.

[6] LIU L, ZHOU S, CUI J H. Prospects and problems of wireless communication for underwater sensor networks[J]. Wiley Wireless Communications and Mobile Computing, 2008, 8(8): 977-994.

[7] MELODIA T, KULHANDJIAN H, KUO L C,et al. Advances in underwater acoustic networking[A]. Mobile Ad Hoc Networking: Cutting Edge Directions[C]. 2013.804-852.

[8] HAN G J, ZHANG C Y, SHU L,et al. Impacts of deployment strategies on localization performances in underwater acoustic sensor networks[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015,62(3):1725-1733.

[9] CHIRDCHOO N, SOH W S, CHUA K. RIPT: a receiver-initiated reservation-based protocol for underwater acoustic networks[J]. Selected Areas in Communications, IEEE Journal, 2008, 26(9): 1744-1753.

[10] MOLINS M, STOJANOVIC M. Slotted FAMA: a MAC protocol for underwater acoustic networks[A]. OCEANS 2006-Asia Pacific[C].IEEE, 2007. 1-7.

[11] GUO X, FRATER M R, RYAN M J. A propagation-delay-tolerant collision avoidance protocol for underwater acoustic sensor networks[A]. OCEANS 2006-Asia Pacific[C]. IEEE, 2007. 1-6.

[12] LIAO W H, HUANG C C. Sf-Mac: a spatially fair mac protocol for underwater acoustic sensor networks[J]. Sensors Journal IEEE, 2012,12(6):1686-1694.

[13] NOH Y, LEE H, HAN S,et al. DOTS: a propagation delay-aware opportunistic MAC protocol for mobile underwater networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2014, 13(4): 766-782.

[14] FULLMER C L, GARCIA-LUNA-ACEVES J J. Solutions to hidden terminal problems in wireless networks[J]. ACM Sigcomm Computer Communication Review, 1997, (27):39-49.

[15] SYED, AFFAN A, JOHN S. Time synchronization for high latency acoustic networks[A]. INFOCOM[C]. 2006.1-12.

[16] LINA P, LUO Y, PENG Z,et al. Traffic estimation based receiver initiated MAC for underwater acoustic networks[A]. Wireless Mobile Applications And Services On Wlan Hotspots[C]. 2013.

[17] ZHOU C, MAXEMCHUK N. Bandwidth Balancing in Mobile Ad hoc Networks[A]. WiMob[C]. 2010.15-20.

[18] XIE P, ZHOU Z, PENG Z,et al. Aqua-sim: an ns-2 based simulator for underwater sensor networks[A]. OCEANS 2009, MTS/IEEE Biloxi-Marine Technology for Our Future: Global and Local Challenges[C]. 2009.1-7.

[19] CARUSO, ANTONIO,et al. The meandering current mobility model and its impact on underwater mobile sensor networks[A]. INFOCOM 2008, The 27th Conference on Computer Communications[C]. 2008.

[20] LEE U, KONG J, GERLA M,et al. Time-critical underwater sensor diffusion with no proactive exchanges and negligible reactive floods[J].Ad Hoc Networks, 2007, 5(6):943-958.

[21] ZHOU Z, PENG Z, CUI J H,et al. Scalable localization with mobility prediction for underwater sensor networks[J]. Mobile Computing IEEE Transactions, 2010, 10(3):335-348.

[22] Linkquest underwater acoustic modems uwm1000 specifications[EB/OL]. http://www.link-quest.com/html/uwm1000.htm, 2014.