高性能水下傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道MAC協(xié)議

蘇毅珊，金志剛，2，竇飛

(1.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072;2.廣西信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西桂林541004)

近年來，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(underwater sensor networks，UWSNs)受到日益廣泛的關(guān)注［1］。由于水下信道帶寬窄、延遲具有時(shí)變特性及多徑傳播等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議不直接適用于水下環(huán)境。近年來，隨著水下應(yīng)用的擴(kuò)展，對(duì)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的研究也越來越多［2-4］。但是，大多數(shù)水下MAC協(xié)議通過優(yōu)化調(diào)度機(jī)制最大化吞吐量，這些MAC協(xié)議大多基于單信道條件。然而，當(dāng)考慮到水下聲信號(hào)的長(zhǎng)延遲特性時(shí)，傳統(tǒng)的 RTS/CTS類協(xié)議的效率將大大降低，如SFAMA［5］。同時(shí)，由于近年來高速水下OFDM的研制成功［6］，使得水下多信道通信有了技術(shù)上的支持。為了更好地利用水下帶寬資源，將總帶寬劃分為若干個(gè)子信道，讓數(shù)據(jù)在子信道上并行傳輸是一個(gè)有效的解決方法。

文獻(xiàn)［7］分析了基于多信道ALOHA以及RTS/CTS的水下MAC協(xié)議，指出在水下環(huán)境中，相比于單信道機(jī)制，多信道機(jī)制能夠獲得更高的吞吐量以及能量利用率。而多信道RTS/CTS機(jī)制有相對(duì)較高的能量效率，更適合于業(yè)務(wù)量較大的網(wǎng)絡(luò)。但是，文中假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少有2個(gè)收發(fā)器。文獻(xiàn)［8］利用CDMA作為多址接入技術(shù)，每個(gè)信道在數(shù)據(jù)傳輸前利用RTS/CTS握手機(jī)制進(jìn)行預(yù)約。文獻(xiàn)［9］針對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一種利用合作機(jī)制解決信道沖突問題的多信道MAC機(jī)制，但是該協(xié)議需要一種特殊的硬件設(shè)備來發(fā)送合作信息。然而，水下多信道MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)仍然面臨一系列的挑戰(zhàn):1)由于水下信道的長(zhǎng)延遲引起的時(shí)空不確定性，導(dǎo)致空間不公平問題。2)水下特有的隱藏終端問題，包括:長(zhǎng)延遲隱藏終端和多信道隱藏終端。3)水下收發(fā)器造價(jià)昂貴，這使得基于多個(gè)收發(fā)器的MAC協(xié)議成本耗費(fèi)巨大。4)當(dāng)前水下網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)受限于聲信號(hào)非直線傳播特性等影響，精度不高，導(dǎo)致部分基于同步網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議失效。因此在多信道長(zhǎng)延遲的水下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，水下多信道MAC協(xié)議急需新的解決方法。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種避免使用網(wǎng)絡(luò)同步信息旨在解決公平性問題與水下隱終端問題的多信道水下MAC協(xié)議:SFM-MAC(spatial fair mutichannel MAC protocol)。結(jié)合定位信息，通過RTS/CA/CL/CTS握手機(jī)制，SFM-MAC能夠?qū)崿F(xiàn)空間公平性，并能有效減輕水下隱終端問題。

1 UWSN中公平性與多信道隱藏終端問題

1.1 公平性問題

UWSN中，由于聲信號(hào)傳播速度只有1 500 m/s，比空氣中電磁波信號(hào)的傳播速度(3×108m/s)低了5個(gè)數(shù)量級(jí)，使得水下聲通信傳播延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地?zé)o線通信的傳播延遲，因此必須考慮收發(fā)端以及潛在干擾節(jié)點(diǎn)的位置。不同于傳統(tǒng)的陸地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，水下傳感器節(jié)點(diǎn)收發(fā)包的調(diào)度不僅與包的發(fā)送時(shí)間有關(guān)，而且與收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的歐式距離有關(guān)。如圖1所示。

圖1中，A先于B向R發(fā)送預(yù)約請(qǐng)求包(RTS)，但是由于A與R之間的距離大于B與R之間的距離，導(dǎo)致B發(fā)送的RTS先于A到達(dá)節(jié)點(diǎn)R。在傳統(tǒng)的握手機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)R會(huì)立刻給節(jié)點(diǎn)B應(yīng)答一個(gè)預(yù)約確認(rèn)包(CTS)。由此B成功預(yù)約信道，而距離接收節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)(A)則難以接入信道，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在訪問信道上的不公平，即“先預(yù)約不一定先服務(wù)”。情況嚴(yán)重時(shí)甚至可能出現(xiàn)單個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)占信道帶寬資源而其他節(jié)點(diǎn)完全處于“饑餓”的狀態(tài)，這就是空間公平性問題。而目前水下網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)隙類MAC協(xié)議，如SFAMA，由于各節(jié)點(diǎn)的RTS包需要同步發(fā)送，由此導(dǎo)致距離目的節(jié)點(diǎn)近的發(fā)送節(jié)點(diǎn)一直有優(yōu)先接入的權(quán)利，這就導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的不公平。

圖1 水下時(shí)空不確定性示意圖Fig.1 Spatial-temporal uncertainty in underwater

1.2 多信道隱蔽終端

對(duì)于只有一個(gè)收發(fā)器的傳感器節(jié)點(diǎn)，它在某一時(shí)刻只能工作在一個(gè)子信道上(控制信道或數(shù)據(jù)信道)，這就會(huì)導(dǎo)致多信道隱藏終端問題。如圖2所示，當(dāng)A與B在控制信道進(jìn)行握手時(shí)，C與D在某個(gè)數(shù)據(jù)信道(假設(shè)為“數(shù)據(jù)信道 2”)上進(jìn)行通信。因此，由于C與D監(jiān)聽不到A與B選擇哪個(gè)數(shù)據(jù)信道(假設(shè)選擇的是“數(shù)據(jù)信道1”)。此后，當(dāng)節(jié)點(diǎn)C需要向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)再次在控制信道上初始化一個(gè)握手過程。由于節(jié)點(diǎn)D不知道數(shù)據(jù)信道1此時(shí)已被節(jié)點(diǎn)A和B占用，所以節(jié)點(diǎn)D可能會(huì)選擇數(shù)據(jù)信道1，因此可能會(huì)造成沖突。

圖2 多信道隱蔽終端Fig.2 Multi-channel hidden terminal problem

針對(duì)上述2個(gè)主要問題，本文將提出一種提高網(wǎng)絡(luò)公平性和避免隱終端問題的多信道水下MAC協(xié)議，SFM-MAC。

2 SFM-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)模型

網(wǎng)絡(luò)中劃分為N+1個(gè)信道，其中一個(gè)作為控制信道，其余N個(gè)為數(shù)據(jù)信道。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)監(jiān)聽控制信道，并周期性更新定位信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)收發(fā)器，可動(dòng)態(tài)切換到不同的信道。設(shè)節(jié)點(diǎn)間的通信距離為r，聲信號(hào)的傳播速度為v。

對(duì)于水下MAC協(xié)議，各發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送調(diào)度的前提是時(shí)空信息已知。SFM-MAC利用位置信息與時(shí)間的轉(zhuǎn)換，獲取節(jié)點(diǎn)時(shí)空信息。對(duì)于位置信息的獲取本文采用E-UPS［10］算法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。

2.2 協(xié)議設(shè)計(jì)

協(xié)議主要分為2個(gè)階段，即信道預(yù)約階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候，切換到控制信道向接收端發(fā)送RTS控制包，包內(nèi)包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)的位置信息。接收端收到RTS之后，并不立刻發(fā)送 CTS，而是先發(fā)送一個(gè)信道使用聲明(channel announcement，CA)，CA包含接收端選擇的數(shù)據(jù)信道，同時(shí)偵聽控制信道一段時(shí)間，稱之為等待時(shí)間(waiting time，WT)。

在WT內(nèi)，接收端可能收到其他節(jié)點(diǎn)的RTS，則接收端根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的RTS包內(nèi)位置信息與自己的位置信息，計(jì)算出RTS包的傳播時(shí)延，從而將各RTS包的發(fā)送時(shí)間映射到自己的時(shí)間軸上。根據(jù)計(jì)算的時(shí)間，接收端將會(huì)判斷哪個(gè)節(jié)點(diǎn)最先發(fā)送RTS控制包。另外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTS包含有競(jìng)爭(zhēng)次數(shù)信息。接收節(jié)點(diǎn)通過RTS包的發(fā)送時(shí)間及競(jìng)爭(zhēng)次數(shù)選擇優(yōu)先級(jí)最高的接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

此后節(jié)點(diǎn)切換到選擇的數(shù)據(jù)信道，進(jìn)行信道監(jiān)聽(channel listening，CL)，監(jiān)聽這個(gè)數(shù)據(jù)信道是否忙碌。在CL階段，如果監(jiān)聽到數(shù)據(jù)信道空閑，則接收端向選定的接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)CTS包，并廣播通知所有鄰居節(jié)點(diǎn)，通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù);如果監(jiān)聽到選擇的數(shù)據(jù)信道忙碌，則接收端重新選擇一個(gè)信道，重新發(fā)送信道使用聲明及進(jìn)行信道監(jiān)聽。信道預(yù)約階段后，接收與發(fā)送節(jié)點(diǎn)均切換到選擇的數(shù)據(jù)信道傳輸數(shù)據(jù)，傳輸完成后，切換回控制信道。

圖3給出了該協(xié)議各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系。

圖3SFM-MAC協(xié)議流程圖Fig.3 SFM-MAC state machine

2.3 分析與討論

2.3.1 同步問題

在SFM-MAC協(xié)議中，由于已知節(jié)點(diǎn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)公平性時(shí)可以通過時(shí)間映射的方法將各RTS的發(fā)送時(shí)間映射到接收端的時(shí)間軸上，如圖4。

圖4 計(jì)算RTS包的時(shí)序Fig.4 Schedule of RTS

接收節(jié)點(diǎn)R在等待時(shí)間內(nèi)，收到了節(jié)點(diǎn)A、B、C發(fā)送的RTS包，RTS包內(nèi)均含有節(jié)點(diǎn)A、B、C的位置信息。設(shè)在R自己的時(shí)間軸上，節(jié)點(diǎn)A、B、C的RTS到達(dá)時(shí)間分別為tA0、tB0、tC0。R根據(jù)位置信息，分別計(jì)算出自己與節(jié)點(diǎn) A、B、C 的距離為 dAR、dBR、dCR。則R可以利用聲音傳播速度計(jì)算出3個(gè)RTS包發(fā)送的時(shí)刻，記為 tA1、tB1、tC1，則

節(jié)點(diǎn)R通過比較tA1、tB1、tC1就可以知道哪個(gè)節(jié)點(diǎn)最先發(fā)送的RTS包。

2.3.2 定位誤差分析

E-UPC定位算法的誤差中水聲信號(hào)的多徑傳輸是誤差的主要來源。由文獻(xiàn)［10］的仿真結(jié)果分析可知，其相對(duì)定位誤差約為節(jié)點(diǎn)間相互距離的0.5%。對(duì)于本文所布放的網(wǎng)絡(luò)，其絕對(duì)定位誤差約為50 m。由于該定位誤差導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間的計(jì)算誤差約為0.33 s(設(shè)水聲速度為1 500 m/s)。對(duì)于發(fā)包速率極低(5～20包/s)的水下網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景，該時(shí)間誤差并不會(huì)對(duì)公平性保障機(jī)制產(chǎn)生顯著影響。

3 協(xié)議理論吞吐量計(jì)算

基于上述多信道方案，僅控制信道上的控制幀RTS有可能因多個(gè)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)發(fā)送而產(chǎn)生沖突。對(duì)文獻(xiàn)［11］中的二維馬氏鏈模型進(jìn)行了改進(jìn)，使之包含了退避過程中的凍結(jié)狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 控制信道退避機(jī)制的Markov鏈模型Fig.5 Markov model of collision avoidance scheme incontrol channel

令b(t)表示一個(gè)給定節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)間計(jì)數(shù)器取值的統(tǒng)計(jì)過程，令s(t)代表在時(shí)刻t節(jié)點(diǎn)的退避級(jí)數(shù)(0，…，m)的隨機(jī)過程，則b(t)取值范圍為(0，Wi-1)，s(t)取值范圍為(0，m)。p表示在每個(gè)時(shí)隙中，除了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)外，至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送的概率。這個(gè)Markov鏈模型中，m表示節(jié)點(diǎn)執(zhí)行退避過程的最大次數(shù)，也表示最大重傳限制次數(shù)。m'表示CW由初始競(jìng)爭(zhēng)窗口值W0到最大競(jìng)爭(zhēng)窗口值Wm'的指數(shù)增加過程中最大變化次數(shù)，一旦CW達(dá)到最大競(jìng)爭(zhēng)窗口值Wm'，CW將維持不變直到被重置成初始競(jìng)爭(zhēng)窗口大小，因此

根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，通過對(duì)該Markov鏈進(jìn)行求解，則

一個(gè)節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)選取的一個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送的概率可以表示為

假設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)為n，可用數(shù)據(jù)信道數(shù)為N，由此可得

聯(lián)立方程(7)～(9)，可以求解得到τ與p。假設(shè)Ptr為一個(gè)時(shí)隙內(nèi)至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS的概率，則

定義Ps為有RTS傳輸時(shí)，有且僅有一個(gè)RTS傳送且傳送成功的概率，則傳輸成功的概率為

由于有N個(gè)數(shù)據(jù)子信道，則某一個(gè)子信道上僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)約的概率，q為

則RTS傳輸成功，且不與其他節(jié)點(diǎn)沖突的概率為

RTS傳輸成功，且與其他節(jié)點(diǎn)沖突的概率為

定義歸一化系統(tǒng)吞吐率S為信道上成功傳輸?shù)挠行лd荷，考慮到信道空閑、沖突、RTS傳輸成功且信道預(yù)約不沖突、RTS傳輸成功但信道預(yù)約沖突的情況，一個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度的平均值可以分成4個(gè)部分:信道空閑的時(shí)間σ，概率為1-Ptr;沖突的平均時(shí)間Tc，概率為Ptr(1-Ps);成功傳輸RTS且信道預(yù)約不沖突的平均時(shí)間Ts，概率為PtrPsq;成功傳輸RTS但信道預(yù)約沖突的平均時(shí)間Ts'，概率為PtrPs(1-q)。

定義E［P］為平均有效載荷值，N'為一個(gè)時(shí)隙內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的平均子信道數(shù)目，則總吞吐量表示為

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本節(jié)將對(duì)SFM-MAC從公平性，網(wǎng)絡(luò)吞吐量及網(wǎng)絡(luò)能耗3個(gè)方面做出評(píng)價(jià)，并將其與目前經(jīng)典的水下單信道MAC協(xié)議SFAMA做出對(duì)比。在仿真網(wǎng)絡(luò)中，任意一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的分布于1 000 m×1 000 m的正方形區(qū)域中，每個(gè)區(qū)域布放一個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于該網(wǎng)絡(luò)，源節(jié)點(diǎn)為S1-S4，目的節(jié)點(diǎn)為D1-D4，發(fā)包率服從指數(shù)為λ的泊松分布。

4.1 公平性

對(duì)于公平性分析，本文給出公平性指數(shù)定義:

式中:xi為節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的順序，F(xiàn)I越大，公平性越高。FI=1表示接收數(shù)據(jù)包的順序與數(shù)據(jù)包生產(chǎn)的順序相同，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)完全公平。

圖6 公平性指數(shù)對(duì)比Fig.6 Fairness comparison

圖6仿真的是SFM-MAC與SFAMA的公平性指數(shù)對(duì)比。仿真結(jié)果中，隨著節(jié)點(diǎn)通信距離增大，參加競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，產(chǎn)生多個(gè)節(jié)點(diǎn)要求接入同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的問題。此時(shí)對(duì)于沒有采取公平性保障措施的SFAMA協(xié)議，公平性指數(shù)初期隨著節(jié)點(diǎn)接入數(shù)量的增大而下降，是由于RTS/CTS類協(xié)議對(duì)于預(yù)約采取先到先服務(wù)的策略，并沒有考慮預(yù)約產(chǎn)生的時(shí)間，由此導(dǎo)致不公平性事件發(fā)生;而隨著通信半徑的增大，考慮到網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，接入節(jié)點(diǎn)數(shù)趨于穩(wěn)定，此時(shí)公平性指數(shù)也趨于平穩(wěn)。該仿真表明，SFM-MAC較RTS/CTS類協(xié)議公平性提高約15%，SFM-MAC協(xié)議可以有效的保障網(wǎng)絡(luò)的公平性，在更大程度上確保早生成的數(shù)據(jù)包被優(yōu)先服務(wù)。

4.2 吞吐量

圖7(a)、(b)比較了SFM-MAC與SFAMA及一個(gè)基于RTS/CTS的水下多信道協(xié)議UMMAC的有效吞吐量［9］。從圖7(a)可以看到SFM-MAC的有效吞吐量在包長(zhǎng)為50 B的仿真場(chǎng)景中比SFAMA提高約70%，較UMMAC提高約15%;在包長(zhǎng)為100 B的仿真場(chǎng)景中，圖7(b)，SFM-MAC較 SFAMA及UMMAC的提高比例分別為65%及12%。從以上2個(gè)有效吞吐量仿真中可以看出，SFM-MAC能更為有效的利用帶寬資源;而從2個(gè)圖對(duì)比中，可以看出SFM-MAC在短包長(zhǎng)的仿真場(chǎng)景中表現(xiàn)出更好的性能，這是因?yàn)閷?duì)于短包長(zhǎng)，現(xiàn)有的單信道協(xié)議未能充分利用已分配的帶寬資源，而SFM-MAC通過劃分子信道并在并行傳輸提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。SFMMAC較現(xiàn)有水下多信道UMMAC協(xié)議的提高是因?yàn)樾聟f(xié)議通過引入等待時(shí)間進(jìn)一步減小了多信道隱蔽終端造成的數(shù)據(jù)包碰撞問題。

圖7 有效吞吐量對(duì)比Fig.7 Goodput comparison

4.3 能耗

考慮到目前的水下節(jié)點(diǎn)大多依靠電池供電，能耗對(duì)于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。圖8給出了SFM-MAC與SFAMA的歸一化能量比較結(jié)果。

從圖8可以看到，SFM-MAC的能耗略高于傳統(tǒng)的RTS/CTS類協(xié)議，這是因?yàn)镾FM-MAC引入了CA包，并且加入了CL監(jiān)聽事件，增加了能耗。但是隨著數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的增加，兩者能量趨于相同，這是因?yàn)殡S著數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的增加，用于數(shù)據(jù)包發(fā)送的能量占據(jù)總能量的絕大多數(shù)。

圖8 相對(duì)能量比較Fig.8 Relatively energy consumption comparison

由上述分析看出，SFM-MAC以略增加的能耗為代價(jià)，換取網(wǎng)絡(luò)公平性及網(wǎng)絡(luò)吞吐量的顯著提高。

5 結(jié)束語

本文討論了由于水聲信號(hào)長(zhǎng)延遲引起的時(shí)空不確定性，導(dǎo)致空間不公平問題;以及由于長(zhǎng)延遲和多信道所帶來的多信道隱藏終端問題。為解決這2個(gè)問題，本文利用只裝備單一收發(fā)器的水下傳感器節(jié)點(diǎn)，結(jié)合水下定位信息，通過RTS/CA/CL/CTS握手機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種水下多信道MAC協(xié)議——SFMMAC。仿真結(jié)果表明:1)SFM-MAC采用RTS/CA/CL/CTS握手機(jī)制能在略微增加網(wǎng)絡(luò)能耗的情況下能有效提高公平性指數(shù)。2)通過設(shè)置不同的業(yè)務(wù)量，模擬了不同條件下SFM-MAC的吞吐量性能，證明了新的協(xié)議能有效提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。由于SFM-MAC保障網(wǎng)絡(luò)公平性依賴于定位算法的有效性，因此在未來工作中，研究更為精確的定位算法有利于提高SFM-MAC的性能。

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