定向接收低沖突率水聲網絡媒體接入控制協議

鄭茂醇 韓 笑 葛 威 孫 瑤 殷敬偉

①(哈爾濱工程大學水聲技術全國重點實驗室 哈爾濱 150001)

②(海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學) 工業和信息化部 哈爾濱 150001)

③(哈爾濱工程大學水聲工程學院 哈爾濱 150001)

1 引言

近年來，水聲網絡(Underwater Acoustic Network, UAN)受到日益廣泛的關注[1]。媒體接入控制(Medium Access Control, MAC)協議作為水聲網絡中重要的組成部分，負責保證將數據包正確交付到下一跳節點。如何通過優化調度機制最大化網絡吞吐量是UAN-MAC協議的研究熱點和難點[2,3]。UAN-MAC協議面臨水聲信號的長傳播時延、較低的傳輸速率和動態多變的通信環境帶來的挑戰[4]。

在法律效力上，《中華人民共和國城鄉規劃法》屬于行政法范疇，其地位僅次于憲法。《城市綠化條例》《風景名勝區條例》是法律效力低于憲法和法律的行政法規，在中國立法體制中具有重要地位，是僅次于法律的重要立法層次。部門規章作為法律和行政法規的補充形式，對它們的內容進行了細化與具體化，便于法律法規更好地實施。

而在社會經濟發展過程中，區間經濟發展的不均衡問題也較為顯著，在珠三角地區以及粵東西北地區存在顯著的差異，這樣就造成了城市旅游效率的差異等問題。

在UAN-MAC協議的研究中，競爭式訪問模式備受關注，該模式在高動態性的分布式水聲網絡拓撲場景中適用性較高。競爭式MAC協議分為基于隨機接入ALOHA類和基于請求發送(Request-to-Send, RTS)/清除發送(Clear-to-Send, CTS)的握手類協議[5]。時隙ALOHA是ALOHA協議的改進[6]，它將網絡時間劃分為相等的時隙，且節點只允許在時隙開始時發送數據。文獻[7]揭示了水下時隙ALOHA協議存在的無沖突場景下的時間耦合關系，并提出了一種低復雜度的啟發式調度算法，在星型網絡中提升了水下時隙ALOHA的網絡性能。而在隨機分布的拓撲場景中，基于握手模式的MAC協議具有更好的適應性[3]。該模式在發送數據前進行信道預約，以滿足無沖突或低沖突網絡通信。時隙地面多址接入(Slotted Floor Acquisition Multiple Access, Slotted-FAMA)[8]和沖突避免多址接入(Multiple Access Collision Avoidance for Underwater, MACA-U)[9]是UAN中兩種典型的基于握手機制的MAC協議。Slotted- FAMA協議通過分時隙預約發送機制,以最大傳輸距離作為劃分時隙的依據，很好地解決了節點通信隱藏終端問題。但是，最大的時隙長度將導致大量的空閑信道資源。因此，Slotted-FAMA協議的信道利用率和網絡吞吐量相對較低。MACA-U協議采用基于狀態轉移的節點決策模式，節點隨網絡狀態的轉移而采取不同的策略，因此信道利用率較高。在全向通信技術背景下，握手機制雖然可以減少沖突的發生，但是仍存在空閑信道浪費和空間復用度較低的問題。

由于水聲定向通信技術的發展，定向通信的MAC協議受到研究者的日益關注。與全向收發網絡不同，基于定向通信的UAN通過較高網絡資源的空間復用度提升協議的網絡吞吐量[10]。文獻[11]分析了定向通信下UAN的理論中斷概率，推導了淺海多徑效應下定向通信網絡容量。文獻[12]針對鄰居節點發現機制存在的問題，提出了基于定向收發的鄰居節點發現機制，克服“聾”節點問題，提高了鄰居節點的發現效率。文獻[13]提出一種全雙工定向碰撞避免MAC協議，利用在不同的工作頻帶下的定向通信技術解決“聾”節點問題，抑制“暴露終端”的問題。

文獻[11-13]中均采用基于多模態水聲換能器的定向收發技術。而近年來聲矢量傳感器的偶極子指向性及指向性電子旋轉技術備受關注[14]。在水聲通信中利用聲矢量傳感器聲壓和振速聯合加權處理帶來的空間增益，有效抵消各向同性干擾、提高解碼信噪比和降低誤碼率[15]。若將聲矢量傳感器應用于UAN中，可以利用其空間指向性實現定向接收某個方向上的信號，即利用其空間復用的優勢進行通信[15,16]。

從圖2(a)-圖2(c)可以得出，在定向接收模式下，當干擾端 TXi方位低于 90°或距離小于 0.5 km時對RX0的干擾較大，當干擾端 TXi方位大于 90°和距離大于 0.5 km 時對 RX0的干擾較小；方位范圍為[160°,180°] 時雖然處于主波束范圍外但由于 180°處存在旁瓣導致存在較大的中斷概率。從圖2(d)-2(f)中看出，在定向接收模式下，當d0較小時，接收波束范圍外的 TXi對于 RX0的干擾程度顯著小于全向接收模式；當d0超過1.4 km時，即使在定向接收模式下，其受到其它節點的干擾仍然較大。綜上所述，若采用定向接收模式可以有效降低一定方位和距離范圍內的干擾，但干擾端應根據實際的干擾方位和通信距離判斷是否對接收端產生干擾，在設計UAN-MAC協議時節點需要對定向接收鏈路的抗干擾能力進行判別。

(1) 推導了矢量水聽器指向性接收下的水聲網絡中斷概率，驗證了矢量水聽器在UAN中定向接收的有效性和可行性。

(2) 利用矢量水聽器定向接收的空間復用特性，提出一種定向接收模式下的握手機制和節點狀態轉移策略，縮小靜默節點的范圍，提升網絡的容量。

黨中央、國務院十分重視藥品標準工作，迄今已經頒布實施10版藥典，而且，國家藥品監督管理局經過多年的努力，對地方藥品標準分期分批進行了整頓，實施了地方標準上升國家標準以及國家藥品標準提高行動，為建立健全國家藥品標準體系，提高我國藥品質量水平，促進醫藥產業轉型升級，保障公眾用藥安全發揮了重要作用。但由于我國藥品品種繁多，尤其是中藥材、中成藥成分復雜，許多研究工作基礎薄弱，中藥材、中成藥質量標準提高的難度大、任務艱巨。藥品監督抽檢發現部分試行標準至今尚未轉正。

2 定向接收技術

2.1 聲矢量信號處理

矢量傳感器可以同步共點地獲得聲場的標量和矢量信息，增加了信息種類和數量，擴展了后置信號處理空間，且矢量傳感器可以實現聲壓水聽器陣才能測量的目標方位信息，具有良好的指向性[17]。

在滿足聲學歐姆定律條件下，2維矢量水聽器輸出模型為

式中，t是網絡時間，x(t) 為目標信號，p(t)為聲壓信息，vx(t)和vy(t) 是振速分量，θ為信號的水平入射角度。根據文獻[17]所述，通過電子旋轉vx和vy，引導方位為目標方位ψ，得到組合振速vc和vs：

2、拓寬資金籌集渠道。為解決土地增值收益長期“取之于農、用之于城”的問題，嚴格貫徹落實中共中央、國務院《關于實施鄉村振興戰略的意見》里提到的要將更多的土地出讓收入用于支持“三農”以及將高標準農田建設等新增耕地指標和城鄉建設用地增減掛鉤節余指標跨省域調劑收益，通過支出預算全部用于支持實施鄉村振興戰略及鞏固脫貧攻堅成果。

(2) 某個節點收到發送給其它節點的CTS包(xCTS)時，需要根據 IT值判斷是否會對該定向接收通信鏈路產生影響。若該定向通信鏈路的發送端是該節點的鄰居節點，則該節點需在τ+TDATA時間內禁止主動競爭信道。

圖1 基于單矢量水聽器的定向接收技術

2.2 定向接收下的網絡中斷概率分析

雖然矢量傳感器的指向性接收波束可以定向接收某個方位的信號，但是如圖1(a)所示，方位范圍為240°～300°內存在明顯旁瓣且指向性波束寬度較大，導致并發通信鏈路間可能存在同頻干擾。本文通過建立節點中斷概率模型分析所使用的定向接收技術的抗干擾能力，以驗證網絡化應用的可行性。

如圖1(b)所示，若干個傳感器節點隨機分布在2維水平面內，每個節點使用Aloha協議接入網絡。設存在一對發送端 TX0和接收端 RX0， RX0的矢量水聽器接收波束極大值方向指向 TX0。以 RX0為圓心，半徑r ∈[Rmin,Rmax] ，方位角θ ∈[φmin,φmax]組成的灰色區域A內存在K個 干擾端 TXi(i=1,2,...,K)，其中，Rmin和Rmax分別為區域A內節點間最小和最大通信距離，φmin和φmax分別為區域A內節點最小和最大入射方位。

在全向接收模式下，接收端 R X0處的接收信號可以表示為

其中，ν是通信載波頻率，di是 TXi到 RX0的歐氏距離，Hi(di,ν) 是 TXi信號到達 RX0的信道增益，xi表示T Xi發送的信號；N0表示加性高斯白噪聲。

(a) 節點nq提取CTS包中的接收方位信息，結合在線測得的節點nj方位信息，利用三角關系可計算出干擾方位 ∠ijq。

在給定的區域A內，fI1|z(x|z) 為位置z時干擾功率x的概率密度，fz(z) 為位置z的概率密度，則fI1(x)為

假設干擾端 TXi與接收端 RX0接收指向方向的夾角為θi，指向性接收采用p+2vc的矢量組合模式，則干擾端 TXi發送的信號在接收端 RX0處的輸出為

根據文獻[19]可知發送端 TXi發送的水聲信號在接收端處的信道增益Hi(di,ν)服從復高斯分布，該分布的方差為

其中，α是與海洋地理環境有關的傳播系數，a(ν)-di是與距離di和頻率ν有關的吸收系數。

接收端 RX0處的信干噪比(SINR)模型表示為

其中，PTX表示發送端 TXi的發送功率，PN表示接收端RX0處的噪聲功率。設聲壓噪聲功率為，則其振速噪聲功率為/2 ，在p+2vc線性組合中噪聲功率為3，所以PN在全向和定向接收模型下的值分別為和3。θj表示發送端TXj到接收端RX0的方位與 R極大值指向方位之間的夾角，G(θj)表示該方位夾角θj產生的空間增益，G(θj)取值為式(8)所示。

假設Ik為K個干擾端在接收端 RX0處的干擾功率之和，則有

位置z可由干擾端到接收端 RX0的距離r和水平入射角θ表示，則fI1(x)變換為

其中，η0=d0αa(ν)d0，r0=G(0)PTX/PN，fIK(x)表示IK的概率密度，MIK(s) 表示IK的矩量母函數(Moment Generating Function, MGF)。根據文獻[20]可知，由于干擾信號的獨立性，fIK(x)為fI1(x)的k重卷積(如式(11)所示)，所以IK的MIK(s)與I1的MI1(s)的關系如式(12)所示。

2.1 不同惡性腫瘤疾病組血漿Hsp90α表達水平比較 各惡性腫瘤疾病組血漿Hsp90α表達水平均明顯高于健康對照組，差異有統計學意義(P<0.05)，見圖1。

由于Hj(dj,ν)服 從復高斯分布，則I1服從指數分布，即I1～E(λ) ，其中λ=dj-αa(ν)-djPTXG(θj)。為保證正確接收到發送端 TX0的信號，在接收端處的信干噪比需大于一定的解碼門限Zth。在接收端RX0處發生通信中斷的概率為

其中，fR(r)和fΘ(θ) 分別是r和θ的概率密度函數，fI1|r,θ(x|r,θ)是r和θ條件下I1的概率密度函數。根據隨機幾何原理，fR(r)與fΘ(θ)分別為

根據式(13)-式(15)且I1服從指數分布，則I1的MGF表示為

將式(16)代入式(10)可得出定向接收模式和全向接收模式下的中斷概率。設ν=15 kHz，α=1.76,PTX/PN=60 dB,Rmin=0.2 km,Rmax=2 km。基于以上參數，當干擾節點數量為0且d0為 2 km時 RX0處的接收信噪比大約為5 dB，所以Zth設置為5 dB。從圖1(a)可知指向性接收波束主瓣3dB寬度約為110°，所以干擾端在 RX0處的入射方位最大范圍設置為 [55°,305°]。在UAN場景中節點密度較為稀疏，干擾節點數量K從1 到3可滿足實際應用。當K=1時不同干擾方位范圍 [φmin,φmax] 和距離范圍[Rmin,Rmax]的網絡中斷概率如圖2(a)-圖2(c)所示，在不同d0和K條件下的全向和定向模式下的網絡中斷概率如圖2(d)-圖2(f)所示。

翻轉課堂起源于國外，國內相關研究起步相對較晚，可以說國外的研究趨勢是國內研究的風向標，了解國外文獻研究方向，對國內研究具有重要的指導意義。我們在對翻轉課堂進行了深入細致的理論溯源之后，結合其他國外有關翻轉課堂的研究文獻，尤其是大學層面的研究，不難發現已經產生了三大主要研究趨勢：

圖2 網絡中斷概率

基于矢量水聽器(采用聲矢量傳感器為接收器的水聲換能器簡稱為矢量水聽器)的定向接收特性，本文提出一種定向接收低沖突概率UAN媒體接入控制協議(DRLCP-MAC)。本文主要工作如下：

3 協議設計

3.1 協議簡介

本文DRLCP-MAC協議定義3種數據包：請求發送包(R T S)，清除發送包(C T S)和數據包(DATA)。本文協議認為網絡數據傳輸失敗只能由數據包碰撞引起，不考慮數據在水聲信道中發生傳輸錯誤的情況。在DRLCP-MAC中，當某一個節點S需要發送數據時，需要在競爭窗口時間內偵聽信道。若未偵聽到其他節點發送CTS包，則在競爭時間結束后發送RTS包。當目的接收端節點R接收到RTS包后，通過在線測到信源節點S的方位角α，將矢量水聽器的極大值方向指向該方位。節點R將方位角α和接收功率等相關信息寫入CTS包中，全向發送該包并進入等到DATA包狀態。其它節點接收到CTS包后，提取發送節點方位角和功率等信息，計算是否會影響節點R接收數據。若不影響，則丟棄該包。若影響，則進入靜默狀態。節點S接收到CTS包后，在線測得信源方位角β，將極大值方向指向該方位。節點S全向發送DATA包。節點R接收到DATA包后完成此次數據傳輸。

3.2 定向接收模式下的握手機制設計

如圖3所示，在全向接收模式下，當節點ni一跳內的鄰居節點nc接收到其發送的RTS包時，作為節點ni的鄰居節點應保持靜默狀態。節點ni的鄰居保持靜默的原因是鄰居節點發送數據可能影響節點ni接收CTS包。由于節點nc接入信道時需要進行握手流程，節點ni接收CTS包主要受到節點nc發送的RTS或CTS包的影響。由于水聲網絡傳播時延較大而控制包長度較小，所以節點nc發送的控制包與節點ni處的CTS包發生沖突的概率較小。

圖3 RTS/CTS握手機制示意圖

當節點nj接收到RTS包后，將接收波束的極大值方向指向節點ni的方位。節點ni收到CTS包后，將接收波束的極大值方向指向節點nj方位。通過上述握手過程，節點ni和節點nj建立了定向接收的通信鏈路。若某個節點收到發送給其它節點的CTS包，則應該判斷是否會影響該通信鏈路的接收端接收DATA包。若影響接收端接收DATA包，則靜默時間設置為τ+TDATA。其中，τ是網絡的最大傳播時延，TDATA為物理層發送DATA包所需時長。通過本文第2節分析，需要根據實際的方位與干擾距離計算以獲得鄰居節點是否影響目標節點接收數據。如式(17)所示，表示節點nq對接收端nj的干擾值，∠ijq表示節點向量和之間的夾角，P和P分別表示在全向接收模式下節點nq和節點ni發送的信號在節點nj處的接收功率，G(Δθ)是式(8)所示干擾夾角 Δθ條件下的空間增益。是協議規定接收端所能容忍的干擾節點數量，即表示接收端的干擾功率容忍平均值。當I＜時，節點nq不會對nj接收數據產生干擾。

注射劑口服：①氯化鉀注射劑口服。臨床上常使用口服氯化鉀注射液補鉀[10]，認為比較直接、方便、簡單易行。缺點是口感苦澀，難以咽下，易出現惡心、嘔吐，引起消化液丟失；應稀釋于冷開水或飲料中，分次服用。②欖香稀乳注射劑口服。欖香稀乳有口服液和注射劑兩種劑型。醫師開具處方時恰逢口服劑型缺貨，于是用注射劑代替口服劑型給患者服用。欖香稀乳注射劑說明書明確載明：該劑型口服吸收差，生物利用度僅為18.8%。藥師不建議使用。

節點ni的 鄰居節點可能受到節點ni發送的DATA包的干擾，導致鄰居節點握手失敗。節點ni的鄰居節點收到發送給節點ni的CTS包時說明節點ni和節點nj已成功握手，為了避免被節點ni干擾，所以節點ni的鄰居節點此時不應主動進行競爭信道。如圖3所示，若節點處于灰色區域E內時將無法收到nj發送給ni的CTS包，區域E內節點無法判斷節點ni和節點nj是否已成功握手，所以協議容忍節點ni對區域E處節點產生的干擾問題。

學生出示按要求變化后的圖形(圖略)，教者結合圖形用動畫演示，引導同學們后得出相關結論仍然成立．(詳細過程略)

綜上所示，在應用矢量水聽器定向接收模式的場景中，DR-UAMC協議的定向接收握手機制設計模式如下：

(1) 某個節點收到發送給其它節點的RTS包(xRTS)時，不需要進入靜默狀態。

利用在線測得的信源方位信息即可通過聲壓和振速線性加權組合來調整矢量水聽器的單邊指向性，使其指向期望用戶，進而屏蔽波束范圍外的干擾源。為保證接收端獲得最大信噪比，本文采用p+2vc的矢量組合[18]，其指向波束如圖1(a)所示。

3.3 協議狀態轉移策略

RTS, CTS和DATA包的結構中，“包類型”、“源地址”和“目的地址”是各類包的基礎字段。在CTS包中設置“接收方位”和“干擾功率平均容忍值”字段使得鄰居節點可以根據式(17)判斷是否干擾該定向接收鏈路。“DATA”包中設置“數據包號”和“數據”字段記錄本次握手需要發送的實際數據。本文協議中節點狀態為空閑(IDLE)、競爭(CONTEND)、靜默(QUIET)、競爭靜默(QUIET_CTD)、等待CTS包(WFCTS)和等待DATA包(WFDATA)。協議節點具體的狀態轉移策略如下：

(1) 當節點需要發送數據且狀態為IDLE時，將狀態切換CONTEND狀態，該狀態保持時間為TCTD， 其中，TCTD=Random(0,WCTD)， Random(a,b)表示取a與b之間的隨機數，WCTD表示最大競爭窗口時間(WCTD=τ+TCTS)。當TCTD結束后，節點將當前時間寫入RTS包的時間戳中并廣播該包。

(2) 當節點收到RTS包時，若節點狀態是IDLE、CONTEND或QUIET_CTD，首先根據RTS包的接收功率和本節點處環境噪聲功率按照式(17)計算本次接收的δth值，然后將本次接收到RTS包的接收方位和δth值寫入CTS包中并廣播該包。最后，本節點切換為WFCTS狀態(狀態保持時長為 2τ+TCTS，其中TCTS是物理層發送CTS包所需的時長)。若節點狀態為QUIET、WFCTS或WFDATA，則保持原狀態，并丟棄該包。

(3) 當節點收到xRTS包時將該包發送地址存入本節點鄰居節點表中，保持原有狀態不變并丟棄該包。

(4) 當節點收到CTS包時，若節點狀態是WFCTS，則立即發送DATA包，發送完畢后檢測緩存中是否存在數據包未發送，若存在待發送的數據包，則節點狀態切換為CONTEND，進入新一輪的信道競爭階段；若沒有待發送的數據包，則節點狀態切換為IDLE。

(5) 當節點收到xCTS包時，若節點為IDLE,CONTEDN, QUIET或QUIET_CTD，則需根據以下步驟判斷是否在影響接收端接收DATA包。

如圖3所示，假設本節點為nq，該CTS包由節點nj發送給節點ni。

近年來，國家開始重視產教融合，特別是產教融合平臺的建立，初步搭建了產業與教育融通的渠道。各地方院校也紛紛推出產教融合的新舉措，拓寬了產教融合的渠道。尤其是在職業教育與產業對接、人才培養模式等方面成效顯著。

對于預應力混凝土連續鋼構橋梁施工質量而言，決定施工質量的關鍵因素之一便是施工材料，因為施工結構的特殊性，對于材料的質量要求也比較苛刻[3]。對此，在橋梁施工之前需要先根據施工項目的具體情況做好施工材料的采購方案設計，并對所需要的材料進行采購，尤其是材料類型、數量以及費用等進行估算評價，并安排有責任心、具備一定工作經驗的人員進行采購，采購時需要落實一定的質量監督管理措施，保障采購的材料能夠有效地滿足橋梁施工的質量要求，規避以次充好的現象發生。所采購的材料必須具備出廠合格證、批號、化學成分檢測報告、質量保障書等，并在入場時進行適當的抽查，在確保質量無誤之后才能夠進行施工，提高施工質量。

(b) 由于每個節點的發送功率相同，根據節點nj在節點nq處的接收功率P，可估計出節點nq信號在節點nj處的接收功率P，即P≈P。

(6) 當節點收到DATA包時，則將本節點狀態切換為IDLE。當節點收到發送給其它節點的DATA時，均保持原狀態。

(7) 當WFCTS狀態保持時間結束時，將狀態切換為QUIET。本文協議中QUIET狀態的保持時間計算方法與MACA-U協議相同，采用二進制指數退避算法。

(8) 當節點QUIET、QUIET_CTD或WFDATA狀態保持時間結束后，檢測緩存中是否存在數據包未發送，若存在待發送的數據包，則節點狀態切換為CONTEND，進入新一輪的信道競爭階段；若沒有待發送的數據包，則節點狀態切換為IDLE。

4 仿真驗證

在NS-3平臺的水聲網絡UAN仿真模塊上對DRLCP-MAC協議進行仿真，水聲信號的傳播損失采用Thorp模型[21]，定向與全向接收的信干噪比模型采用式(7)所示。與MACA-U協議和Slotted-FAMA協議在隨機拓撲場景對比信道接入成本、網絡吞吐量和端到端時延性能。為保證實驗公平性，對MACA-U協議和Slotted-FAMA協議進行修改，即在握手成功后均切換為定向接收模式。發射換能器的聲源級為 135 dB ， 解碼信噪比門限為 6 dB，有效通信距離為 2 km ，載波頻率為 15 kHz，通信速率為 2 kpbs。由于文獻[11-13]協議場景均采用多模態換能器定向收發技術，而本文協議采用矢量水聽器定向收信技術并驗證該技術的網絡應用可行性。基于應用場景和物理層通信硬件設備的不同，本文協議不與現有定向通信類協議進行量化對比。

（2）若CurrentLayerDepth 等于CurrentSampleDepth，則算法終止，此時，CurrentTexcoords 就是最終要輸出的紋理坐標toff；

圍繞學科用戶對文獻資源建設的共性與個性化需求分析，筆者認為在“雙一流”背景下的學科化資源體系（見表1）建設，不僅要涵蓋基礎性文獻資源和系統化的學科專業資源［9］，還要結合不同層次學科的特點與發展定位，提供評估及應用型資源保障，從而滿足用戶多層次的信息需求。在資源載體選擇上，一方面可以遵循e-first的訂購原則，同時也要適當結合學科特點與資源屬性綜合考慮。

網絡拓撲范圍為 4 km×4 km的海域，為保證網絡覆蓋率，將網絡劃分為16個 1 km×1 km的網格。本文進行100次隨機實驗，每次仿真時間為1000 s，取全部仿真結果的平均值。每個網格內隨機部署一個水聲通信節點。在16個節點中隨機選擇5個節點作為發送端，每個發送端隨機選擇某個鄰居節點作為接收端。每個節點裝配有矢量水聽器，接收模式可在全向與定向之間切換，定向接收模式采用p+2vc組合指向性。DRLCP-MAC中的參數取3。

4.1 協議接入信道成本

利用仿真時間內發送RTS包的數量與成功接收到的DATA包數量之間的比值驗證不同協議接入信道的成本，即每成功傳輸一個DATA包，需要發送多少個RTS包。仿真結果如圖4所示。從圖4中可以看出Slotted-FAMA的RTS/DATA比值最高，MACA-U和DRLCP-MAC的信道接入成本低于Slotted-FAMA。由于在Slotted-FAMA協議中，節點如果偵聽到任意目的地址非本節點的控制包均需要進入靜默退避狀態。而在MACA-U和DRLCP-MAC中根據其狀態轉移策略進行選擇性退避操作。DRLCP-MAC協議的信道接入成本低于MACAU協議，根據DRLCP-MAC的握手規則，節點收到xCTS時進行選擇性靜默進而允許多對通信鏈路存在，而在全向接收模式下的MACA-U協議中，節點若收到xCTS包，為防止發生數據碰撞則需要保持靜默狀態。

圖4 不同發包率下的信道接入成本對比

4.2 協議網絡吞吐量性能

利用仿真時間內成功傳輸的數據量衡量協議的網絡吞吐量。仿真結果如圖5 所示，協議的吞吐量與發包率呈現正比關系，當發包率增大到一定程度時，吞吐量增長緩慢達到協議性能極限。由于Slotted-FAMA將網絡時間劃分為固定的時隙，其吞吐量性能受到固定時隙的影響，導致吞吐量在不同網絡負載下相似。MACA-U協議采用基于狀態轉移的機制，其對網絡負載的變化適應性較強，但是由于握手機制導致的沉默區域影響，其效率低于基于定向接收機制的DRLCP-MAC。DRLCP-MAC協議利用矢量水聽器的定向接收特性，建立一種基于定向收信的節點狀態轉移策略，縮小了沉默區域的范圍，提高了網絡資源的空間復用率。當發包率小于0.08時，DRLCP-MAC與MACA-U的吞吐量相似。這是因為當網絡負載較小且在相同的網絡時間內，DRLCP-MAC和MACA-U均可將產生的負載數據交付到下一跳節點。在高網絡負載下，DRLCP-MAC的吞吐量性能明顯高于MACA-U協議，這是因為隨著網絡負載的增加，網絡數據碰撞加劇，DRLCPMAC采用基于定向接收的狀態轉移機制提高數據鏈路的并行度，減弱了網絡擁塞的影響。在數據包長度為500 Byte的仿真場景中，DRLCP-MAC協議性能比數據包為250 Byte更為優良，由此可見，在高負載高數據量的情況下，DRLCP-MAC具有更高的吞吐量性能優勢。

圖5 不同發包率下的吞吐量對比

4.3 協議網絡端到端時延性能

圖6為不同發包率下端到端時延對比，可以看出信道的競爭程度隨發包率的增長而加劇，導致協議的端到端時增加。Slotted-FAMA 在時隙開始時發送數據，并且每發送一個數據包需要消耗3個時隙進行握手和確認，所以Slotted-FAMA的端到端時延遠大于DRLCP-MAC和MACA-U協議。MACA-U和DRLCP-MAC協議在發包率較小時端到端時延性能接近。這是由于當發包率較小時信道競爭度較低，所以定向接收的性能發揮的作用較少。隨著網絡負載的增加，DRLCP-MAC協議的端到端時延性能優于全向模式下的MACA-U協議。較高的網絡負載會造成較為嚴重的網絡擁塞問題，導致節點接入信道的時間成本增加。在定向接收模式下干擾范圍被縮小，DRLCP-MAC的狀態轉移策略可建立多個并行的定向接收通信鏈路，所以DRLCP-MAC緩解了網絡擁塞問題，保證了網絡較低的端到端時延。

[36] Kane Jane, The South China Sea Dispute: Prospects for Preventive Diplomacy, The United States Institute for Peace, March 1996.

圖6 不同發包率下的端到端時延對比

5 結論

本文闡述和利用矢量水聽器的定向接收性能，驗證了定向收信特性在水聲網絡中的適用性，推導了定向接收模式下網絡中斷模型。利用定向收信的理論，提出了定向接收低沖突率水聲網絡MAC協議，建立了一種基于定向收信的握手機制，設計了定向接收模式下的節點狀態轉移策略。在NS3平臺上進行了仿真驗證，仿真結果表明本文提出的DRLCPMAC協議在高網絡負載的情況下比MACA-U和Slotted-FAMA協議擁有更低的信道接入成本、更高的網絡吞吐量和更低的端到端時延，且可有效提升水聲網絡的性能。因此，在裝配矢量水聽器的水下組網場景中有著較高的適用性。