高性能水下传感器网络多信道MAC协议
第３６卷第７期一一一一一一一一一一一哈一尔一滨一工一程一大一学一学一报一一一一一一一
一一一Ｖｏｌ．３６?．７
２０１５年７月一一一一一一一一一一ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ一一一一一一一一一一一Ｊｕｌ．２０１５高性能水下传感器网络多信道ＭＡＣ协议
苏毅珊１，金志刚１，２，窦飞１
（１．天津大学电子信息工程学院，天津３０００７２；２．广西信息科学实验中心，广西桂林５４１００４）
摘一要：为解决水下无线传感器网络中由于水声信号传播的时－空不确定性引起的空间公平性问题，并有效实现多信道通信，提出了一种基于单收发器的水下多信道ＭＡＣ协议，即ＳＦＭ?ＭＡＣ三该协议利用水下定位信息进行时空信息转换，避免全网同步；通过ＲＴＳ／ＣＡ／ＣＬ／ＣＴＳ握手机制避免多信道隐蔽终端问题，并实现公平接入三采用马尔科夫链构建了控制信道的预约模型，理论分析并计算了考虑预约碰撞条件下的多信道ＭＡＣ协议的理论吞吐量三仿真实验表明：ＳＦＭ?ＭＡＣ的网络公平性指数较传统ＲＴＳ／ＣＴＳ类协议提高１５％；在２个业务场景下，网络有效吞吐量较单信道水下ＭＡＣ协议ＳＦＡＭＡ和多信道水下ＭＡＣ协议ＵＭＭＡＣ分别提高６０％ ７０％及１２％ １５％，证明ＳＦＭ?ＭＡＣ可以有效提高网络公平性与网络吞吐量三关键词：多信道；ＭＡＣ协议；公平性；隐藏终端；水下传感器网络ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６?７０４３．２０１４０３０９３
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．Ｕ．２０１５０５２７．１４５４．００１．ｈｔｍｌ
中图分类号：ＴＰ３９３一文献标志码：Ａ一文章编号：１００６?７０４３（２０１５）０７?０９８７?０５Ｔｈｅｍｕｌｔｉ?ｃｈａｎｎｅｌＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ
ＳＵＹｉｓｈａｎ１，ＪＩＮＺｈｉｇａｎｇ１，２，ＤＯＵＦｅｉ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＳｃｉｅｎｃｅＥｘｐｅｒｉ?ｍｅｎｔａｌＣｅｎｔｅｒｏｆＧｕａｎｇｘｉ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｍｕｌｔｉ?ｃｈａｎｎｅｌｍｅｄｉｕｍａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ｐｒｏｔｏｃｏｌｎａｍｅｄＳＦＭ?ＭＡＣｔｏｔａｃｋｌｅｔｈｅｓｐａｔｉａｌｆａｉｒｎｅｓｓｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｔｈｅｓｐａｔｉａｌ?ｔｅｍｐｏｒａｌｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙｉｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＵＷＳＮｓ）ａｎｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｍｕｌｔｉ?ｃｈａｎｎｅｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＳＦＭ?ＭＡＣｅｎａｂｌｅｓｈｏｓｔｓｔｏｕｔｉｌｉｚｅｍｕｌｔｉｐｌｅｃｈａｎｎｅｌｓｖｉａｏｎ?ｌｙｏｎｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｆａｉｒｌｙａｃｃｅｓｓｅｓｃｈａｎｎｅｌｓａｎｄａ?ｖｏｉｄｓｔｈｅｍｕｌｔｉ?ｃｈａｎｎｅｌｈｉｄｄｅｎｔｅｒｍｉｎａｌｐｒｏｂｌｅｍｂｙａＲＴＳ／ＣＡ／ＣＬ／ＣＴＳｈａｎｄｓｈａｋｉｎｇｓｃｈｅｍｅ．ＴｈｅＭａｒｋｏｖｃｈａｉｎｗａｓｕｓｅｄｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃｈａｎｎｅｌ，ａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉ?ｃｈａｎｎｅｌＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｕｎｄｅｒｔｈｅｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｄ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＲＴＳ／ＣＴＳｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＳＦＭ?ＭＡＣａｃｈｉｅｖｅｓａｂｅｔｔｅｒｆａｉｒｎｅｓｓｉｎｄｅｘｔｈａｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｂｙ１５％．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＳＦＭ?ＭＡＣｏｕｔｐｅｒｆｏｒｍｓｓｌｏｔｔｅｄＦＡＭＡａｎｄＵＭＭＡＣｉｎｔｅｒｍｓｏｆｎｅｔｗｏｒｋｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｂｙ６０％ ７０％ａｎｄ１２％ １５％ｉｎｔｗｏｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｎｅｔｗｏｒｋｓｃｅｎａｒｉｏｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｐｒｏｖｉｎｇｔｈａｔＳＦＭ?ＭＡＣｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｎｅｔｗｏｒｋｆａｉｒｎｅｓｓａｎｄｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ?ｃｈａｎｎｅｌ；ＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｆａｉｒｎｅｓｓ；ｈｉｄｄｅｎｔｅｒｍｉｎａｌ；ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ
收稿日期：２０１４?０３?２８．网络出版时间：２０１５?０５?２７．
基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１１６２００３，６１２０２３７９）；海南
省应用技术研发与适用推广专项基金资助项目（ＺＤＸＭ２０１４０８６）；广西信息科学实验中心基金资助项目（ＬＤ１５０３０Ｘ）．作者简介：苏毅珊（１９８５?），男，博士研究生；
金志刚（１９７２?），男，教授，博士生导师．
通信作者：苏毅珊，Ｅ?ｍａｉｌ：ｓｕｙｉｓｈａｎ＿ｔｊ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ．一一近年来，水下传感器网络（ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＵＷＳＮｓ）受到日益广泛的关注［１］三由于水下信道带宽窄二延迟具有时变特性及多径传播等特
点，使得传统的陆地无线传感器网络ＭＡＣ协议不直
接适用于水下环境三近年来，随着水下应用的扩展，
对水下传感器网络ＭＡＣ协议的研究也越来越
多［２?４］三但是，大多数水下ＭＡＣ协议通过优化调度机制最大化吞吐量，这些ＭＡＣ协议大多基于单信道
条件三然而，当考虑到水下声信号的长延迟特性时，
传统的ＲＴＳ／ＣＴＳ类协议的效率将大大降低，如ＳＦＡＭＡ［５］三同时，由于近年来高速水下ＯＦＤＭ的研制成功［６］，使得水下多信道通信有了技术上的支持三为了更好地利用水下带宽资源，将总带宽划分为若干个子信道，让数据在子信道上并行传输是一个有效的解决方法三文献［７］分析了基于多信道ＡＬＯＨＡ以及ＲＴＳ／ＣＴＳ的水下ＭＡＣ协议，指出在水下环境中，相比于单信道机制，多信道机制能够获得更高的吞吐量以及能量利用率三而多信道ＲＴＳ／ＣＴＳ机制有相对较高的能量效率，更适合于业务量较大的网络三但是，文中假设每个节点至少有２个收发器三文献［８］利用ＣＤＭＡ作为多址接入技术，每个信道在数据传输前利用ＲＴＳ／ＣＴＳ握手机制进行预约三文献［９］针对水下无线传感器网络提出了一种利用合作机制解决信道冲突问题的多信道ＭＡＣ机制，但是该协议需要