基于自適應(yīng)變速因子的水聲通信網(wǎng)MAC退避算法

張鵬程，徐志京，李 進(jìn)

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海201306）

0 引 言

水下無線傳感網(wǎng)絡(luò) （UWSN）是由布放于海底的傳感器、水下機(jī)器人及表面站等組成，通過聲信號建立起來的一種無線通信網(wǎng)絡(luò)［1］。目前國內(nèi)外UWSN 研究主要集中在調(diào)制方式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、水聲通信同步以及數(shù)據(jù)處理等問題。設(shè)計(jì)高效的節(jié)點(diǎn)接入退避協(xié)議是提高數(shù)據(jù)傳輸效率、保證水聲網(wǎng)絡(luò)正常工作的基礎(chǔ)。由于UWSN 領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的不完整，在協(xié)議中每一層尤其是數(shù)據(jù)鏈路層中，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對共享信道的接入設(shè)計(jì)任務(wù)艱巨。

作為數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，MAC子層主要完成對共享信道的正確接入，對上層提供可靠的通信連接服務(wù)。協(xié)議設(shè)計(jì)的核心問題是：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競爭信道時(shí)，如何充分利用信道資源同時(shí)避免沖突發(fā)生。對于UWSN 而言，需要注意以下4點(diǎn)［2］：

（1）受限的帶寬。目前水聲通信所用的頻帶主要是在5～20 KHz 之間。Sea Web［1］項(xiàng)目使用的帶寬也僅為5KHz。

（2）傳播時(shí)延高。水聲信道中聲波的傳輸速度僅為1500m／s，相較電磁波，低了5 個(gè)數(shù)量級，每公里傳輸時(shí)延高達(dá)650ms。

（3）能量受限。水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)一般靠電池供電，收發(fā)機(jī)的功耗將影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存周期。

（4）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化。由于水下節(jié)點(diǎn)常布放于海水中，移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化。另外，信號選擇性衰落、信道多徑干擾等因素均將造成水下通信網(wǎng)絡(luò)誤碼率高、鏈路中斷等問題。

1 UWSN 中節(jié)點(diǎn)MAC層接入機(jī)制

1.1 MAC層節(jié)點(diǎn)接入機(jī)制

UWSN 中的多址接入?yún)f(xié)議一般是基于單信道的MAC協(xié)議，即所有的數(shù)據(jù)幀和控制幀都在同一信道同一頻率上發(fā)送和接收。只有當(dāng)信道空閑且保持一定的退避時(shí)間，節(jié)點(diǎn)方可發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖同時(shí)接入信道時(shí)，必須有節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出以避免碰撞；同時(shí)也應(yīng)當(dāng)有節(jié)點(diǎn)可以順利接入信道，以提高信道利用率。節(jié)點(diǎn)接入、退避過程如下：

（1）監(jiān)聽信道、計(jì)算退避時(shí)間值。退避時(shí)間值t從（0，CW）中選擇隨機(jī)數(shù)；

（2）減小退避時(shí)間。節(jié)點(diǎn)會(huì)一直監(jiān)聽信道，若信道空閑且保持一個(gè)時(shí)隙，則t值減1，否則t值不變；

（3）t值為0，發(fā)送數(shù)據(jù)。若退避時(shí)間t值為0，代表信道空閑，節(jié)點(diǎn)可以選擇發(fā)送數(shù)據(jù)。其中CW 為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前競爭窗口值，取值為最小窗口值與最大窗口值之間的一個(gè)整數(shù)。若Random 為取0～1之間隨機(jī)數(shù)函數(shù)，int表示取整，Slot Time為時(shí)隙函數(shù)，則上述計(jì)算退避時(shí)間可表述如下

競爭窗口值決定退避時(shí)間Backoff Time取值。一般而言，節(jié)點(diǎn)CW 值越大則節(jié)點(diǎn)接入信道的概率越低，這將導(dǎo)致信道利用率低、網(wǎng)絡(luò)整體時(shí)延增大及吞吐量下降；反之，若CW 偏小，則節(jié)點(diǎn)成功接入概率增大，但沖突概率也將隨之增大。因此，合理調(diào)整節(jié)點(diǎn)競爭窗口值，將有利于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低數(shù)據(jù)幀發(fā)送碰撞概率。

1.2 退避算法相關(guān)研究

目前廣泛使用的退避算法包括二進(jìn)制指數(shù)退避算法BEB、乘倍增加／線性遞減算法MILD 及乘倍增加／乘倍線性遞減算法MIMLD［3］，計(jì)算時(shí)依據(jù)式 （1）計(jì)算CW，算法差異在于CW 取值，見表1。

表1 不同退避算法競爭窗口值取法

3種算法中，MIMLD 算法最為特殊，增加一個(gè)門限參數(shù)用于判斷信道競爭激烈程度。若當(dāng)前CW 值大于CWbasic時(shí)，判斷信道競爭激烈，反之則表明信道競爭較輕。該算法對CWbasic的選取非常關(guān)鍵，是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素［4］。另外，MIMLD 算法和MILD 算法可以在一定程度上降低BEB算法中不公平性問題，但都沒有考慮到產(chǎn)生不公平性的根本原因在于不同節(jié)點(diǎn)的退避計(jì)數(shù)器相差較大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間接入信道的概率不同。

2 自適應(yīng)變速接入、退避算法 （AVAB）

2.1 AVAB算法總述

本文提出的AVAB （adaptive variable speed access backoff algorithm）算法利用CWbasic將網(wǎng)絡(luò)的競爭程度劃分為競爭激烈區(qū)域和競爭緩和區(qū)域，并在這2個(gè)區(qū)域采用不同的變速因子計(jì)算節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞后的累加因子及成功發(fā)送后遞減因子。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送發(fā)生碰撞后，在競爭激烈區(qū)域，采用較大的倍乘因子提高CW 值，降低二次發(fā)送碰撞概率，在CWbasic附近設(shè)置一段緩沖區(qū)域，采用定常倍乘因子，緩速提高CW 值，平衡網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)概率，在競爭最緩和區(qū)域，由于CW 值非常大，采用累加方式計(jì)算窗口更新值；當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送后，在競爭最激烈區(qū)域采用較大的倍除因子快速降低CW 值，提高節(jié)點(diǎn)再次接入信道概率，在CWbasic附近選取一段緩沖區(qū)域，采用定常倍除因子，防止窗口值過低，在競爭緩和區(qū)域，由于CW 值非常低，因此采用遞減方式計(jì)算窗口更新值。

2.2 數(shù)據(jù)幀碰撞后處理機(jī)制

目前已有的退避算法都是在節(jié)點(diǎn)發(fā)送沖突后，采用一致的倍乘因子增大CW 值。但是，隨著節(jié)點(diǎn)退避次數(shù)的增多，競爭窗口CW 值將呈指數(shù)級增大，由此更多節(jié)點(diǎn)接入信道概率將顯著降低，同時(shí)增大信道的空閑度。為此，本文利用分段變速率因子曲線提出了適應(yīng)水聲信道的節(jié)點(diǎn)退避機(jī)制。首先利用CWbasic將信道退避窗口劃分為競爭激烈和競爭緩和區(qū)域；然后在位于CWbasic值附近 （即下文 （τ1，τ2）區(qū)間內(nèi)）設(shè)置一段緩沖區(qū)域，采用定常倍乘因子，緩速提高CW 值，可以平衡網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)成功接入網(wǎng)絡(luò)概率；在競爭最緩和區(qū)域，由于CW 值已經(jīng)非常大，因此采用累加方式緩速提高CW 值。

當(dāng)CW 值處于 （CWbasic，τ1）區(qū)間時(shí)，由于競爭窗口較小，節(jié)點(diǎn)成功接入網(wǎng)絡(luò)概率較大，數(shù)據(jù)幀碰撞概率高，競爭比較激烈，因此采用較大的倍乘因子，使CW 值顯著提高，減小數(shù)據(jù)幀再次發(fā)送產(chǎn)生碰撞的概率；對 （τ1，τ2）內(nèi)CW 以2 倍遞增，緩速提高當(dāng)前窗口值；對 （τ2，CWmax）區(qū)間內(nèi)，由于節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)概率較小，且CW 值非常大，采用累加方式而非倍乘方式提高CW 值。由此，本文采用三段曲線計(jì)算數(shù)據(jù)幀發(fā)送碰撞后CW 的倍乘／累加值。

參考相關(guān)文獻(xiàn) ［5，6］的建議，取CWmin、CWbasic及CWmax值分別為4、64及1024。τ1、τ2取值如下式

第1段、第2段倍乘因子計(jì)算曲線如圖1所示。

圖1 倍乘因子計(jì)算曲線

圖1中，橫坐標(biāo)表示競爭窗口CW 值 （取對數(shù)），縱坐標(biāo)r表示數(shù)據(jù)幀碰撞后的倍乘因子。T1及T2線段分別表示 （CWmin，τ1）、 （τ1，τ2）內(nèi)的AVAB 倍乘因子計(jì)算曲線。方程表示如下

此區(qū)間下，CW 采用倍乘方式計(jì)算；在 （τ2，CWmax）區(qū)間內(nèi)，采用累加方式計(jì)算，更新方程如下

對于曲線設(shè)計(jì)主要基于以下3點(diǎn)：

（1）倍乘曲線第一段即區(qū)間 （CWmin，τ1）內(nèi)，曲線設(shè)計(jì)為凸型下降，CW 值越小，采用越大的倍乘因子式，使其顯著提高。

（2）倍乘曲線第2段即區(qū)間 （τ1，τ2），采用恒定倍乘因子2。由于此時(shí)CW 值相對較大，緩速提高窗口值，避免較大倍乘因子造成節(jié)點(diǎn)再次接入概率過低。

（3）累加曲線段即區(qū)間 （τ2，CWmax）內(nèi)，采用累加方式提高CW 替換倍乘方式提高CW 值。由于此時(shí)CW 值非常大，節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)的概率較低，這時(shí)需要平衡節(jié)點(diǎn)CW值，防止節(jié)點(diǎn)一直無法接入網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致信道利用率不升反降。

2.3 數(shù)據(jù)幀成功發(fā)送處理機(jī)制

節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)后，應(yīng)將CW 值減小，提高節(jié)點(diǎn)二次接入信道概率，由于水聲信道的長時(shí)延性，若采用BEB處理機(jī)制中將CW 置最小值，將使信道碰撞幾率大大提高。據(jù)此，研究使用的AVAB 算法中，數(shù)據(jù)成功傳輸采用倍除／遞減方式分段處理。當(dāng)CW 處于 （CWmin，τ1）時(shí)，采用遞減CW 計(jì)算更新值，這里考慮到CW 非常小，防止CW 值降速過快引起碰撞；區(qū)間 （τ1，τ2）內(nèi)T3線段采用定常倍除因子，給予當(dāng)前窗口值的兩倍降速，可以起到在CWbasic附近窗口緩速降低，不至太高或太低；區(qū)間 （τ2，CWmax）內(nèi)，采用T4曲線段計(jì)算倍除因子，將CW 值快速降低，提高節(jié)點(diǎn)再次接入網(wǎng)絡(luò)概率，同時(shí)提高信道利用率。倍除因子計(jì)算曲線如圖2所示。

圖2 倍除因子計(jì)算曲線

圖2中，橫坐標(biāo)表示競爭窗口值 （取對數(shù)），縱坐標(biāo)為倍除因子。當(dāng)數(shù)據(jù)幀分送成功后，節(jié)點(diǎn)將根據(jù)倍除曲線計(jì)算倍除因子r，然后將CW／r作為節(jié)點(diǎn)下次競爭信道CW值。T3、T4曲線方程如下式

上式為區(qū)間 （τ1，CWmax）內(nèi)節(jié)點(diǎn)采用倍除因子式；若CW 值在 （CWmin，τ1）區(qū)間內(nèi)，采用遞減方式計(jì)算。更新方程如下

AVAB 算法相較于其他算法的優(yōu)越性體現(xiàn)在：當(dāng)UWSN 中節(jié)點(diǎn)競爭比較激烈時(shí)，發(fā)送成功后窗口值能夠快速降低并采取合適的CW 值作為下次競爭窗口值，提高節(jié)點(diǎn)二次接入網(wǎng)絡(luò)概率；當(dāng)競爭趨于緩和時(shí)，采用定常倍除因子，緩速降低窗口值，有利于網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)順利接入；當(dāng)窗口值偏小時(shí)，采用遞減方法計(jì)算更新窗口值，防止網(wǎng)絡(luò)陷入單個(gè)節(jié)點(diǎn)持續(xù)發(fā)送，其他節(jié)點(diǎn)一直等待發(fā)送情況。

3 AVAB算法的OPNET建模

3.1 OPNET下UWSN 的管道階段設(shè)計(jì)

本文利用OPNET［7］實(shí)現(xiàn)水聲節(jié)點(diǎn)MAC 協(xié)議建模。OPNET 14.5A 標(biāo)準(zhǔn)模型目錄提供了14個(gè)默認(rèn)的管道模型文件。但是這些模型主要針對無線電磁波而言，對于網(wǎng)絡(luò)域MAC協(xié)議仿真，需要修改以下幾個(gè)管道階段：傳播時(shí)延、接收機(jī)功率和背景噪聲。

（1）傳播時(shí)延 （Stage 5）。由于電磁波傳播速率與聲波速率相差很大，需要將模型中速率修改為聲波速率，即1500m／s。

（2）接收機(jī)功率 （Stage 7）。由于聲波在傳輸過程中將不可避免的被各種介質(zhì)吸收，因而需要計(jì)算數(shù)據(jù)包經(jīng)過信道傳輸后接收端相對接收功率。參考文獻(xiàn) ［8］，水聲信道中傳輸損耗TL的計(jì)算公式為

式中：n——傳輸因子，本文取n為1.5 表示淺海聲傳輸；r——傳輸距離，單位m；α——吸收因子，單位dB／Km，根據(jù)Thorp經(jīng)驗(yàn)公式［9］表示如下

式中：f——以kHz為單位的聲波頻率，經(jīng)計(jì)算本文取α：0.0693、TL：54.3。

（3）背景噪聲 （Stage 8）。針對水下環(huán)境的復(fù)雜多變，需要將無線電磁波噪聲模型修改為水聲通信噪聲模型。參照文獻(xiàn) ［10］的定義，以Ntur、Nship、Nwind及Nthe分別代表湍流、艦船、海面波浪及熱噪聲，則總背景噪聲Ntotal經(jīng)計(jì)算取140dB，計(jì)算如下

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型及參數(shù)設(shè)定

使用OPNET 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真建模時(shí)，需指定仿真網(wǎng)絡(luò)域及節(jié)點(diǎn)域。表2為節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及仿真參數(shù)設(shè)定。網(wǎng)絡(luò)域參考圖3，共9個(gè)節(jié)點(diǎn)，部署在范圍為5km×5km 的空間范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)通信距離1000m。

表2 節(jié)點(diǎn)參數(shù)及仿真參數(shù)設(shè)定

圖3 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分布

4 仿真與結(jié)果分析

水聲網(wǎng)絡(luò)仿真通常采用網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及網(wǎng)絡(luò)丟包率等參數(shù)作為性能衡量指標(biāo)。其中吞吐量指的是單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸完成的有效信息量，單位bit／s；網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是指數(shù)據(jù)傳輸由發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)到接收端接收數(shù)據(jù)為止的總時(shí)延，單位s；丟包率指的是網(wǎng)絡(luò)中丟失數(shù)據(jù)包占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率，單位bit／s。本節(jié)利用OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，模擬不同退避算法下，網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延及丟包率變化情況。仿真參數(shù)見表2，仿真時(shí)間210s，結(jié)果如下。

圖4 BEB、MILD、MIMLD 及AVAB算法吞吐量

由圖4 可知AVAB 算法吞吐量高于BEB、MILD 和MIMLD 算法。原因在于AVAB 算法更加合理的利用CWbasic閾值，將網(wǎng)絡(luò)競爭環(huán)境分為競爭激烈及競爭緩和區(qū)域，給予不同的變速率曲線，有利于已沖突節(jié)點(diǎn)順利退避避免二次沖突、成功接入的節(jié)點(diǎn)適度調(diào)節(jié)窗口值，提高自身接入概率；另外利用CWbasic附近設(shè)置的緩沖區(qū)間平衡網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)接入概率；整體上提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖5為不同算法下網(wǎng)絡(luò)延遲情況。結(jié)果表明AVAB 下網(wǎng)絡(luò)延時(shí)低于BEB、MILD 及MIMLD。這是由于算法提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低數(shù)據(jù)幀發(fā)送碰撞概率，使節(jié)點(diǎn)可以順利接入網(wǎng)絡(luò)，降低網(wǎng)絡(luò)延遲。

圖5 BEB、MILD、MIMLD 及AVAB算法網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

圖6為網(wǎng)絡(luò)丟包率，其中AVAB 算法優(yōu)勢明顯，可以顯著降低網(wǎng)絡(luò)丟包率，聲波信號傳輸距離遠(yuǎn)、時(shí)延大、高干擾噪聲，節(jié)點(diǎn)發(fā)送失敗均將引起數(shù)據(jù)幀沖突，造成丟包增加，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)較多時(shí)，這種情況將更加明顯。

圖6 BEB、MILD、MIMLD 及AVAB算法丟包率

5 結(jié)束語

本文提出的AVAB算法通過變速率因子計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞后競爭窗口倍乘／累加因子、成功接入網(wǎng)絡(luò)后窗口倍除／遞減因子，以調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)概率。仿真結(jié)果表明，AVAB算法可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量及降低網(wǎng)絡(luò)丟包率，時(shí)延上AVAB也低于BEB、MILD 及MIMLD 等傳統(tǒng)算法。因而，AVAB算法可以提高網(wǎng)絡(luò)的總體性能，本文也將為今后水聲網(wǎng)絡(luò)的研究提供重要參考依據(jù)。

［1］GUO Zhongwen，LUO Hanwen，HONG Feng，et al.Research progress of underwater wireless sensor networks ［J］.Journal of Computer Research and Development，2010，47（3）：377－389 （in Chinese）.［郭忠文，羅漢文，洪鋒，等.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展 ［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010，47 （3）：377－389.］

［2］Chitre M，Shahaabudeen S，Stojanovic M.Underwater acoustic communications and networking：Recent advances and future challenges［J］.Marine Technology Society Journal，2008，42（1）：103－116.

［3］Shehadeh Youssef EI HAJJ.Random backoff control to thwart malicious behavior in WLANs［C］／／IEEE Wrokshop on Local and Metropolitan Area Networks，2013：1109－1118.

［4］Stojanovic M，Preisig J.Underwater acoustic communication channels：Propagation models and statistical characterization［J］.IEEE Communications Magazine，2009，47 （1）：85－89.

［5］WANG Jianxin，KUI Xiaoyan，HUANG Jiawei，et al.Wireless LAN MAC curve of two degree［J］.Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2009，37 （4）：7－12 （in Chinese）.［王建新，奎曉燕，黃家瑋，等.基于二次曲線的無線局域網(wǎng)MAC 退避算法 ［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2009，37 （4）：7－12.］

［6］Mohammed Abd－Elnabya，Rizkb MRM，Dessoukya MI，et al.Efficient contention－based MAC protocol using adaptive fuzzy controlled sliding backoff interval for wireless networks［J］.Computers ＆Electrical Engineering，2011，37 （1）：115－125.

［7］SHI Chun.DENG Zhengjie，HE Shuqian.Adaptive wireless access mechanism and OPNET simulation ［J］.National Defense Industry Press，2013，1：15－40 （in Chinese）. ［石春，鄧正杰，何書錢.無線自適應(yīng)接入機(jī)制及OPNET 仿真 ［J］.國防工業(yè)出版社，2013，1：15－40.］

［8］HAN Jing，HUANG Jianguo，RAN Maohua.Underwater acoustic communication network based on OPNET ［J］.Journal of System Simulation，2009，21 （17）：5498－5502.

［9］HUANG Chun.Parametric array and signal processing technology research［D］.Beijing：China Ship Research Institute，2013.

［10］Jornet JM，Stojanovic M，Zorzi M.Focused beam routing protocol for underwater acoustic networks［C］／／Proc of WU WNet.New York：ACM，2008：75－82.