水聲通信網(wǎng)基于載波偵聽多路訪問的MAC協(xié)議*

智納納，劉廣鐘，徐 明（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

水聲通信網(wǎng)基于載波偵聽多路訪問的MAC協(xié)議*

智納納，劉廣鐘，徐 明
（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

水下環(huán)境的限制，使得水聲傳感網(wǎng)絡(luò)具有一些特別的特點。針對已存在的水聲通信網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議的不足，如信道利用率低、時間槽等待空閑時間、時間同步的頭部等問題，提出了一種新型的基于載波偵聽多路訪問/無碰撞的MAC協(xié)議——CSMA/CF（Carrier Sense Multiple Access/Collision Free）。該協(xié)議通過對網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點進行排序，從而使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時具有相同的方向，從而避免沖突。也就是說，按順序的上一個節(jié)點發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，該節(jié)點立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而不必等待一個最大的傳輸延遲。仿真結(jié)果顯示，該協(xié)議在水聲環(huán)境中具有較好的網(wǎng)絡(luò)性能。

水聲傳感網(wǎng)絡(luò)；載波偵聽多路訪問協(xié)議；MAC協(xié)議

0 引言

水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)代海洋國防安全、海洋資源勘探和開發(fā)、海洋環(huán)境立體監(jiān)測和地震海嘯監(jiān)測系統(tǒng)中的重要技術(shù)組成部分。近年來，水下傳感網(wǎng)絡(luò)通信取得了很大的進展。

水聲通信是物理層技術(shù)。所有的水下通信都是利用水聲，這主要是因為無線電波在導(dǎo)電水體中只能以極低的頻率（30Hz～300 Hz）進行遠距離傳播，光學(xué)信號的傳輸需要窄帶激光束高精度瞄準(zhǔn)，所以都不適合在水下應(yīng)用［1-2］。在大多數(shù)的水下傳感網(wǎng)絡(luò)中聲波是最合適的水下通信方式。

水下傳感網(wǎng)絡(luò)具有傳播延遲長、低比特率、易出錯的特性［3-4］。水聲通信的傳播速度是1 500m/s，是陸上傳播延遲的5的數(shù)量級，這種大傳播延遲（0.7s/km）可降低系統(tǒng)的通道吞吐量?？捎脦捰蓚鬏敺秶皖l率決定，當(dāng)前聲通信的性能粗略限制在40km/（kb/s）。水聲信道由于路徑傳輸損耗大、海洋環(huán)境噪聲強、多途徑效應(yīng)嚴(yán)重、多普勒效應(yīng)嚴(yán)重等特點使信道具有易錯性。

本文首先列舉了大量的水下傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議和多址接入技術(shù)，然后提出了新型的載波偵聽多路訪問/無碰撞的MAC協(xié)議——CSMA/CF，最后進行了仿真實驗。通過與Slotted FAMA、TDMA相比較，得出該協(xié)議在吞吐量和傳播延遲方面有很大的提高。

1 相關(guān)工作

MAC協(xié)議是多用戶共享信道的基礎(chǔ)，是分組在信道上發(fā)送和接收的直接控制者，因此MAC協(xié)議能否高效、公平地利用有限的信道資源，對網(wǎng)絡(luò)性能起著決定性作用。陸上的MAC協(xié)議已經(jīng)得到了很好的研究，然而水下聲傳感網(wǎng)絡(luò)的研究由于其水下傳感網(wǎng)絡(luò)的特性的限制遇到了很大的困難。水下傳感網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議可以粗略地分為競爭類的MAC協(xié)議和分配類的MAC協(xié)議［5］。在分配類的MAC協(xié)議中，F(xiàn)DMA（頻分多址）、CDMA（碼分多址）和TDMA（時分多址）是最常用的協(xié)議。

TDMA是在一個無線載波上把時間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙，每個時隙就是一個通信信道，分配給一個用戶［6］。不同的用戶在各自分配到的不同時隙上發(fā)生信號。由于TDMA特別簡單，因此經(jīng)常被應(yīng)用于水下傳感網(wǎng)絡(luò)。然而，TDMA有3個缺點：信道利用率低、時間槽等待空閑時間和時間同步的頭部問題。

為了避免沖突，TDMA在水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中要求每個節(jié)點傳輸完成后必須等待很長一段時間（保護時間），直到完成整個網(wǎng)絡(luò)信號的傳播。如圖1所示，信道利用率是很低的。這是因為保護間隔的大小與傳播時延和多徑擴展的大小成正比。由于水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳播延遲長，因此浪費在時間保護上的時間導(dǎo)致極低的信道利用率。尤其當(dāng)節(jié)點密度增加時，這個問題更加嚴(yán)重。低信道利用率限制了水聲網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和規(guī)模。

圖1 具有保護時間和空閑時間槽的TDMA數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)一個節(jié)點沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就空閑出來這個時間槽，其他的節(jié)點也不能用這個時間槽，這導(dǎo)致信道利用率低，傳播延遲長。在水下傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，傳播延遲長是個很嚴(yán)重的問題。最后，TDMA還要求時間同步，但是頭部的時間同步在水下傳感網(wǎng)絡(luò)中是非常昂貴的。

CDMA是一種無沖突的多址技術(shù)，多個站同時發(fā)送用不同的擴頻碼。接收器可以過濾掉噪聲和信號的擴頻碼，并接收正確的信號［7］。其缺點是每個用戶必須在整個擴頻碼碼源上連續(xù)不斷地掃描以發(fā)現(xiàn)相應(yīng)擴頻碼的發(fā)送端發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)。在CDMA中，網(wǎng)絡(luò)要求每個用戶的接收功率必須是相等的，如果每個站的接收功率不完全相同，遠端節(jié)點的微弱信號將被近處節(jié)點的較強信號所干擾，這就是所謂的遠近效應(yīng)問題［8］。因此需要引入功率控制算法來盡量減少這一問題帶來的系統(tǒng)性能的惡化。

Slotted FAMA是水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于競爭的協(xié)議的代表［9］。Slotted FAMA是在FAMA的基礎(chǔ)上提出來的，時隙FAMA主要基于信道偵聽，節(jié)點終端總是在對信道進行偵聽，當(dāng)終端沒有數(shù)據(jù)包需要傳輸或者不能對信道進行載波偵聽時就處于空閑狀態(tài)。當(dāng)一個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包并且沒有偵聽到任何載波時，它將發(fā)送一個RTS數(shù)據(jù)包，然后在兩個時隙內(nèi)等待CTS包，如果在此等待期間沒收到CTS，該節(jié)點會認為沖突，然后轉(zhuǎn)為退避狀態(tài)等待幾個時隙，等待的時間隨機決定，如果在退避周期內(nèi)沒有聽到載波，終端會再次發(fā)送RTS包，并直到成功接收CTS之后才在下一個時隙傳遞DATA數(shù)據(jù)包，如圖2所示。時隙FAMA也存在3個缺點：（1）水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)在源節(jié)點和目的節(jié)點進行控制包交換具有很大的傳播延遲；（2）與TDMA類似，時隙FAMA需要較長的時間槽等待空閑時間；（3）時間同步成本較大并且很難實現(xiàn)。

圖2 采用S-FAMA協(xié)議節(jié)點的A和B兩節(jié)點的一次成功握手

2 CSMA/CF

如上面提到的，對于UWA當(dāng)前MAC協(xié)議有幾個缺點。非常長的端到端時延嚴(yán)重影響了UWA網(wǎng)絡(luò)的性能。TDMA避免碰撞的保護時間使等待下一次發(fā)送有較大的傳播延遲問題。Slotted FAMA使得傳播延遲問題更為嚴(yán)重。此外，長的傳輸延遲使得難以實現(xiàn)在TDMA和Slotted FAMA協(xié)議中的同步機制。在CDMA中使用的解決遠近問題的快速功率控制是難以在高延遲的環(huán)境中實現(xiàn)的。下面將設(shè)計一個方案來解決這些問題。

當(dāng)信號混合在一起時，接收機無法解調(diào)數(shù)據(jù)包沖突發(fā)生?？紤]到發(fā)送的分組的時間，傳輸?shù)臅r間可以分為以下兩種情況。

情況A，另一個載波到達之前（如圖3所示）節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，兩個相反的數(shù)據(jù)幀將會發(fā)生碰撞。

圖3 傳輸時間在載波通過之前

情況B是載波通過之后節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀（如圖4所示），兩個具有相同方向的數(shù)據(jù)幀不會發(fā)生碰撞。

然而TDMA和Slotted FAMA并沒有考慮多載波沒有碰撞的共享信道。TDMA和Slotted FAMA需要等待載體傳播到整個網(wǎng)絡(luò)傳輸才能傳輸數(shù)據(jù)。按照情況B，具有相同方向的數(shù)據(jù)幀不會發(fā)生碰撞，對網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點進行排序，所有節(jié)點按照一個固定的順序進行傳輸，這樣節(jié)點就會具有相同方向的載波從而不會發(fā)生碰撞。

圖4 傳輸時間在載波通過之后

2.1 傳輸順序

對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行排序，靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲中節(jié)點的位置可知，可以自己構(gòu)造最短路徑的順序。在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點位置不可知，構(gòu)造最短路徑有一定的困難。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置信息通過水聲節(jié)點定位技術(shù)實現(xiàn)，該技術(shù)目前已被廣泛研究，可以采用多邊定位算法、DV-Hop方法、密度感知的跳數(shù)定位、基于區(qū)域的定位等［10］。

獲得每個節(jié)點的相對位置之后，在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中要建立一個節(jié)點傳輸順序列表σ，找出一個最短路徑能夠減少傳播延遲并具有較高的傳輸效率。

找到一個最短路徑是一個遍歷旅行商問題［11］。有很多算法可以解決該類問題，例如貪心算法、遺傳算法、蟻群算法。圖5是利用遺傳算法求得的最短路徑。

圖5 節(jié)點傳輸順序列表

2.2 數(shù)據(jù)包傳輸

首先，建立好傳輸?shù)难h(huán)順序。各站遵循這一順序以一個循環(huán)的方式進行傳輸。當(dāng)一個站要發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀時，它必須等待輪到它。每個站上一個站的數(shù)據(jù)幀傳輸之后立即傳輸數(shù)據(jù)，而不是等待一段最大傳播延遲或保護時間。當(dāng)完成傳輸時，節(jié)點立即返回到監(jiān)聽信道狀態(tài)。如圖6所示，節(jié)點A、B、C、D、E5個節(jié)點建立好傳輸順序，依次進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖6CSMA/CF數(shù)據(jù)傳輸過程

當(dāng)接收節(jié)點正確接收數(shù)據(jù)幀以后，不是立即發(fā)送確認幀ACK，而是等到下次循環(huán)輪到自己的傳輸時間將ACK和數(shù)據(jù)幀一起傳輸。當(dāng)發(fā)送者完成了一輪之后沒有收到ACK，它會觸發(fā)幀的重傳。

在CSMA/CF中是通過正確的數(shù)據(jù)幀觸發(fā)的。如果一個節(jié)點在緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，循環(huán)傳輸即將停止。因此為每個節(jié)點配置空閑超時計數(shù)器，首次數(shù)據(jù)傳輸，每個節(jié)點的計時器記錄上一節(jié)點到達該節(jié)點的時間作為空閑超時的初始值。傳輸順序為最后的節(jié)點的計時器記錄上一節(jié)點的數(shù)據(jù)幀到達該節(jié)點的時間，并將該時間廣播給所有節(jié)點，該時間作為空閑超時計數(shù)器的最大值。以后的傳輸如果節(jié)點在該閾值內(nèi)收到節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，每個站點仍然發(fā)送自己的數(shù)據(jù)幀。

3 仿真

為了評估CSMA/CF的性能，選取MATLAB作為仿真工具進行仿真，并與先前提到的在UWA網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用的MAC協(xié)議（即TDMA和Slotted FAMA）相比較。

模擬環(huán)境是2km×2km，每個節(jié)點被隨機分布在模擬環(huán)境。為了評估的公平性，盡可能地縮小協(xié)議之間的差異。設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點間最大距離不超過100m，那么任意兩點間的傳播時延可以認為在5ms～70ms之間，一般取傳播時延為0.67ms/m（水中聲音的傳播速率1500m/s）。網(wǎng)絡(luò)帶寬大小是10kb/s，數(shù)據(jù)包大小為4 000bit，ACK數(shù)據(jù)包大小100bit，Slotted FAMA的RTS/CTS數(shù)據(jù)包大小為100bit，Slotted FAMA的沖突窗口大小為7。

3.1 端到端延遲

在該仿真中，測量了平均的端至端延遲。端至端延遲是指自一個數(shù)據(jù)包到達發(fā)送器的緩沖器中，直到成功地由一個接收機接收的持續(xù)時間。如圖7所示，CSMA/CF具有最低的端到端延遲，其次是TDMA、Slotted FAMA。

圖7 3種協(xié)議傳播延遲對比

3.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

在該仿真中，對網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量進行了調(diào)查。如圖8所示，CSMA/CF協(xié)議整體的吞吐量比TDMA和Slotted FAMA高出很多，主要是因為節(jié)點按序進行數(shù)據(jù)傳輸，消除了部分控制信息的傳輸，降低了端至端的傳播延遲。

4 結(jié)論

本文提出了一個新的水下傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議并進行了仿真實驗，CSMA/CF通過對網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點進行排序，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀時具有相同的方向，從而避免沖突。此外，CSMA/CF減少傳播時延，從等待整個網(wǎng)絡(luò)的傳播時延減少到只等待鄰節(jié)點的傳播時延。不同于TDMA，CSMA/CF可避免等待保護時間和空閑時隙并且不需要時間同步。仿真結(jié)果表明，CSMA/CF在吞吐量、時延和公平性方面比TDMA和Slotted FAMA有很大的提高。在未來的工作中，將進一步研究CSMA/CF協(xié)議在大規(guī)模的多跳式拓撲結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

A MAC protocol of underwater acoustic sensor networks based on carrier sense multiple access

Zhi Nana，Liu Guangzhong，Xu Ming
（College of Information Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

Due to limitation of the underwater environment，the underwater acoustic sensor networks（UWASN）has some unique features.Regarding the deficiency of the existing MAC protocol for UWASN，low utilization of channel，the time slot idle time waiting，head of time synchronization and other issues，a MAC protocol of UWASN based on Carrier Sense Multiple Access/Collision Free is raised in this paper.By sorting all station in the network，the station transmits data with the same direction to avoid collision.In other words，after sending data by a sequence of nodes，the nodes send data immediately，instead of waiting for the longest transmission delay.The simulation results show that the protocol in UWASN has better network performance.

the underwater acoustic sensor networks（UWASN）；CSMA；MAC protocol

TN929.3

A

1674-7720（2015）18-0062-03

智納納，劉廣鐘，徐明.水聲通信網(wǎng)基于載波偵聽多路訪問的MAC協(xié)議［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（18）：62-64，68.

國家自然科學(xué)基金項目（ 61202370 ） ；上海市教委科研創(chuàng)新項目（ 12ZZ151 ）