基于MACAW的分簇輪轉調(diào)度式水聲傳感網(wǎng)MAC協(xié)議*

鮑萬松，劉廣鐘

(上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)

基于MACAW的分簇輪轉調(diào)度式水聲傳感網(wǎng)MAC協(xié)議*

鮑萬松，劉廣鐘

(上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)

針對當前水聲傳感器網(wǎng)絡長時延和低信道利用率的特點，改進傳統(tǒng)的水聲通信網(wǎng)MAC協(xié)議MACAW協(xié)議，設計出一種新型的分簇輪轉調(diào)度式MAC協(xié)議CRD-MACAW協(xié)議。該協(xié)議通過網(wǎng)絡初始化和網(wǎng)絡動態(tài)更新對部署在網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點按照一定機制進行分簇，網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸則分為簇內(nèi)傳輸和簇間傳輸。簇內(nèi)傳輸采用分簇時網(wǎng)絡管理節(jié)點所分配的輪轉順序進行，節(jié)點與節(jié)點之間無需發(fā)送RTS幀和CTS幀；簇間傳輸則是通過各個簇首節(jié)點之間采用MACAW協(xié)議來進行的，最終網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)絡管理節(jié)點供分析使用。仿真結果表明，該協(xié)議與傳統(tǒng)的MACAW協(xié)議相比，在網(wǎng)絡節(jié)點增多、節(jié)點整體分布較為分散時，能夠有效降低傳輸時延，提高信道利用率。

水聲傳感網(wǎng)；MAC協(xié)議；分簇；輪轉調(diào)度；CRD-MACAW協(xié)議；MACAW協(xié)議

0 引言

近年來，隨著海洋探索的不斷發(fā)展，水聲傳感器網(wǎng)絡的研究成為熱點和前沿[1-2]。水聲傳感器網(wǎng)絡是部署在水下環(huán)境當中的無線傳感器網(wǎng)絡[3]。由于水下通信環(huán)境極其復雜，與陸上無線電通信相比，水聲通信存在著傳輸帶寬有限、誤碼率高、傳輸時延長、信道利用率低、噪聲等多種問題，這些問題對水聲傳感器網(wǎng)絡傳輸協(xié)議的設計和實現(xiàn)構成挑戰(zhàn)。

在水下通信中，水聲通信是唯一可行的技術[4]。聲波的傳輸速率約為1 500 m/s，比陸上無線電波傳輸速率低五個數(shù)量級。加上復雜的水下通信環(huán)境，現(xiàn)階段基于競爭的MAC協(xié)議有較好的研究前景。本文在基于競爭的MAC協(xié)議MACAW協(xié)議基礎上提出了一種分簇輪轉調(diào)度式水聲傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議：CRD-MACAW(Clustering Rotation Dispatching MACAW)協(xié)議。該協(xié)議很好地解決了在復雜水聲通信環(huán)境中傳感器網(wǎng)絡規(guī)模較大并且節(jié)點分布局部集中、整體分散情況下的長傳輸時延問題，能夠更好地適用于海底勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋生物種群分布、海底導航等領域。

1 相關工作

在研究CRD-MACAW協(xié)議之前，首先分析目前性能較優(yōu)的水聲傳感網(wǎng)MAC協(xié)議，主要是基于競爭的MAC協(xié)議，有文獻[5]和文獻[6]中提到的ALOHA協(xié)議以及文獻[7]提到的CSMA協(xié)議。由于上述協(xié)議是基礎協(xié)議，這里不做過多介紹。主要介紹以下兩種協(xié)議：MACA協(xié)議和MACAW協(xié)議。

MACA協(xié)議是一種基于握手機制的水聲傳感網(wǎng)MAC協(xié)議[8-9]。當發(fā)送節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送時，不是立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是先發(fā)送RTS包作為握手信號給接收節(jié)點，接收節(jié)點收到RTS包時給發(fā)送節(jié)點返回一個CTS包，發(fā)送節(jié)點收到CTS包時才開始發(fā)送DATA包。MACA協(xié)議一定程度上減少了數(shù)據(jù)包的沖突，提高了信道利用率。但是繁瑣的控制包傳輸消耗了大量的時間，增加了網(wǎng)絡時延，并且數(shù)據(jù)傳輸完畢時，該協(xié)議沒有設置確認機制，也影響了數(shù)據(jù)傳輸準確率。

圖1 MACAW協(xié)議傳輸流程

MACAW(MACA-Wireless)協(xié)議[10]是在MACA協(xié)議基礎上提出的改良協(xié)議。它在MACA協(xié)議的基礎上通過增加ACK包實現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀確認功能，提高了網(wǎng)絡傳輸可靠性和吞吐量，圖1給出了MACAW協(xié)議的傳輸流程。但是，當水下傳感器網(wǎng)絡規(guī)模變大、節(jié)點增多并且節(jié)點分布不均勻時，大量的RTS、CTS和ACK包將會消耗更多的傳輸時延，從而增加了網(wǎng)絡傳輸整體時延。本文所提出的CRD-MACAW協(xié)議在MACAW協(xié)議的基礎上進行了改進，以更好地解決上述問題。

2 CRD-MACAW協(xié)議設計

CRD-MACAW協(xié)議的基本思想是：將分布在水下傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點按照特定機制進行分簇，數(shù)據(jù)傳輸隨之分為簇內(nèi)傳輸和簇間傳輸。簇內(nèi)傳輸采用輪轉調(diào)度機制，簇間傳輸采用MACAW協(xié)議。

2.1 網(wǎng)絡初始化與分簇

首先，在網(wǎng)絡初始化之前預先設定一個網(wǎng)絡管理節(jié)點。網(wǎng)絡管理節(jié)點擁有三方面功能，第一是對網(wǎng)絡采取一定機制進行分簇；第二是作為整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點；第三是負責網(wǎng)絡動態(tài)更新。

網(wǎng)絡初始化時，網(wǎng)絡中各個節(jié)點廣播自己的發(fā)送時間和節(jié)點標識。管理節(jié)點根據(jù)各個節(jié)點的發(fā)送時間與廣播信息的接收時間來計算管理節(jié)點與網(wǎng)絡中各個節(jié)點的距離l，并根據(jù)l和信號到達的角度α來對網(wǎng)絡中的節(jié)點進行分簇。分簇時l和α的值選取范圍根據(jù)網(wǎng)絡部署現(xiàn)狀進行隨機設定。例如間距在、信號到達角度在<α1，α3>之間的節(jié)點為一個簇，間距在、信號到達角度在<α2，α5>之間的節(jié)點為另外一個簇。這里需要強調(diào)的是，l和α的取值上限預先給定。

分簇完成后管理節(jié)點為每個簇設置一個簇號N，同時結合節(jié)點標識為各個節(jié)點設置標號。這個標號是由簇號N和l來確定的，并且按照l由小到大依次排列，即N1、N2、N3…Ni。這里將每個簇中標號為N1的節(jié)點指定為該簇的簇首節(jié)點。簇首節(jié)點的功能就是本簇內(nèi)數(shù)據(jù)匯聚以及簇間通信。分簇完成后，管理節(jié)點把節(jié)點標號廣播出去，使網(wǎng)絡中的各個節(jié)點都能得知自己的標號、自己所在簇的簇號、簇內(nèi)成員節(jié)點的個數(shù)和簇首節(jié)點，同時也能夠區(qū)分出其他簇中的節(jié)點。各個節(jié)點都會記錄下自己的標號。圖2和圖3顯示出網(wǎng)絡初始化之前的原始狀態(tài)和網(wǎng)絡初始化之后的分簇狀態(tài)。

圖2 網(wǎng)絡原始狀態(tài) 圖3 網(wǎng)絡初始化之后的分簇狀態(tài)

2.2 輪轉調(diào)度設計

在上節(jié)所述的網(wǎng)絡初始化完成以后，網(wǎng)絡中各個節(jié)點被分在各個簇內(nèi)，而且每個節(jié)點都有自己的標號。每個簇中按照標號(Ni、Ni-1、Ni-2…N1)排列的順序，亦即l由大到小的排列就是簇內(nèi)節(jié)點的輪轉傳輸順序，而且是經(jīng)過優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸順序，網(wǎng)絡中節(jié)點收到管理節(jié)點廣播信息之后會記錄該輪轉順序。

下面討論輪轉調(diào)度設計。

第一，輪轉調(diào)度流程。輪轉傳輸在各個簇內(nèi)進行，一個輪轉順序代表一個傳輸時間。網(wǎng)絡初始化之后只有每個簇內(nèi)輪轉順序第一的節(jié)點處于激活狀態(tài)，其他成員節(jié)點均處于等待狀態(tài)。每個節(jié)點只有接收到自己上級節(jié)點的觸發(fā)指令時，才被激活，開始進行數(shù)據(jù)傳輸。當簇內(nèi)一個源節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送并且收到上級節(jié)點觸發(fā)指令時，直接將封裝有觸發(fā)指令的DATA包發(fā)送給它的下級節(jié)點，同時啟動ACK信號接收定時器。當下級節(jié)點成功收到DATA包時被激活，立即返回上級節(jié)點一個ACK包用以確認數(shù)據(jù)包成功接收，同時將自己緩存當中的DATA包傳輸給它的下級節(jié)點，以此類推，直到數(shù)據(jù)成功到達簇首節(jié)點。簇首節(jié)點會將該數(shù)據(jù)以MACAW協(xié)議傳輸給其他簇首節(jié)點或者網(wǎng)絡管理節(jié)點。同時，簇內(nèi)傳輸依然按照輪轉順序進行。如果在ACK接收時間內(nèi)源節(jié)點未收到其下級節(jié)點返回的ACK確認包，則采用時間退避算法進行數(shù)據(jù)重傳。當重傳次數(shù)達到重傳閾值時認為該節(jié)點死亡或發(fā)生錯誤，會有相應的容錯機制來進行處理，下文中將會詳述。這里需要強調(diào)的是，每個簇的DATA包中觸發(fā)指令片段包含了目的節(jié)點標號，當其他簇內(nèi)節(jié)點收到不同簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)包時，通過辨別節(jié)點標號中的簇號來選擇是否接收。當簇號不同時，直接丟棄該數(shù)據(jù)，因此不同簇內(nèi)的節(jié)點間無法進行數(shù)據(jù)傳輸。簇與簇之間只有簇首節(jié)點采用握手機制進行數(shù)據(jù)傳輸。圖4給出了CRD-MACAW協(xié)議的傳輸流程。

圖4 CRD-MACAW協(xié)議傳輸流程

第二，觸發(fā)指令設計。簇內(nèi)節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸時，如果一個節(jié)點被激活，而該節(jié)點緩存區(qū)內(nèi)無數(shù)據(jù)需要傳輸，那么此時輪轉將會停止，從而造成網(wǎng)絡陷入不必要的局部停滯狀態(tài)，這顯然是不合理的。這里，在每個節(jié)點的數(shù)據(jù)幀中加入簡短的觸發(fā)指令片段，觸發(fā)指令片段中包括較短的觸發(fā)片段和下一級節(jié)點標號等。當一個節(jié)點被激活時，如果該節(jié)點無數(shù)據(jù)傳輸，那么它將自己的觸發(fā)指令發(fā)送給它的下級節(jié)點，當它的下級節(jié)點收到該觸發(fā)指令時，立即發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，并返回ACK信息給該發(fā)送節(jié)點，從而避免了網(wǎng)絡陷入局部停滯狀態(tài)。

第三，容錯機制。如果簇內(nèi)節(jié)點死亡之后，輪轉傳輸即將停止，也會造成局部網(wǎng)絡停滯。解決該問題的思想是：當一個源節(jié)點的下級節(jié)點死亡時，或者如上面所述該源節(jié)點在重傳閾值內(nèi)沒有收到下級節(jié)點的ACK信號時，該源節(jié)點會發(fā)送一個封裝有觸發(fā)指令的信號給簇內(nèi)其他節(jié)點，信號內(nèi)包括自己的標號和下級節(jié)點的標號。簇內(nèi)其他節(jié)點收到該信息時，比對自身標號，并且標號為源節(jié)點的下下級節(jié)點被激活，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。同時，源節(jié)點將其下下級節(jié)點作為自己新的下級節(jié)點，記錄在自己下輪數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠|發(fā)指令中；如果簇首節(jié)點死亡之后，簇首節(jié)點的上級節(jié)點將發(fā)送一個廣播信息給全網(wǎng)絡，告知簇號為N的簇首節(jié)點已經(jīng)死亡。此時，網(wǎng)絡中所有節(jié)點接收到該廣播信息后，則認為簇號為N的源簇首節(jié)點的上級節(jié)點擔任該簇的新簇首節(jié)點。至此，容錯過程完畢。

2.3 網(wǎng)絡動態(tài)更新

在水下傳感器網(wǎng)絡傳輸過程當中，節(jié)點死亡、節(jié)點流動、節(jié)點被海水腐蝕等情況造成網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸效率降低或局部停滯。針對此問題，CRD-MACAW協(xié)議中的網(wǎng)絡管理節(jié)點會定期進行網(wǎng)絡動態(tài)更新，更新過程與網(wǎng)絡初始化過程相同。更新后的網(wǎng)絡中管理節(jié)點會及時清除死亡節(jié)點，并進行時間同步，保障各個簇內(nèi)輪轉傳輸正常有序進行。

2.4 無誤包重傳時延

前文提到，CRD-MACAW協(xié)議由于分簇和輪轉調(diào)度機制而省去了繁雜的RTS包和CTS包傳輸從而節(jié)省了大量的傳輸時間，提高了網(wǎng)絡吞吐量和信道利用率。本節(jié)和2.5節(jié)著重介紹無誤包重傳時延和帶誤包重傳時延兩種情況下CRD-MACAW協(xié)議和MACAW協(xié)議對比。其中使用的參數(shù)名和意義如表1所示。

表1 文中使用的參數(shù)名和意義

首先，在MACAW協(xié)議中，n跳節(jié)點的平均傳輸時延為：

(1)

其中，Ds-d是源節(jié)點到目的節(jié)點的距離，由于每跳數(shù)據(jù)傳輸都需要RTS包、CTS包、DATA包和ACK包進行一次交換，故總傳輸距離是4Ds-d。

MACAW協(xié)議中，n跳節(jié)點的總傳輸時延是：

TW=nTeq-W

(2)

在CRD-MACAW協(xié)議中分為極端情況和一般情況。極端情況在網(wǎng)絡傳輸中出現(xiàn)的概率非常小，甚至可以忽略不計。在此要分別進行討論。

極端情況：網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸路徑只經(jīng)過每個簇的簇首節(jié)點，直到網(wǎng)絡管理節(jié)點，不在簇內(nèi)進行傳輸。此時n跳網(wǎng)絡傳輸?shù)目倳r延與MACAW協(xié)議相同：

Te-C=TW

(3)

一般情況：網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸既經(jīng)過簇首節(jié)點，又經(jīng)過簇內(nèi)節(jié)點。此時，在n跳網(wǎng)絡中經(jīng)過的節(jié)點總數(shù)為n+1個。設經(jīng)過簇首節(jié)點的個數(shù)為m+1個，其中包括網(wǎng)絡管理節(jié)點；設經(jīng)過簇內(nèi)節(jié)點的個數(shù)為g個。那么易知簇間傳輸?shù)目倵l數(shù)為m跳，簇內(nèi)傳輸?shù)目偺鴶?shù)為g跳。并且有：

m+g=n

(4)

此時，網(wǎng)絡傳輸?shù)目倳r延為：

(5)

其中，由于簇內(nèi)傳輸時每跳數(shù)據(jù)傳輸只需要DATA包和ACK包共兩次交換，簇間傳輸時與MACAW協(xié)議相同，需要四次交換，故源節(jié)點到目的節(jié)點傳輸總距離為(2g+4m)/n倍的Ds-d。從式(5)可知，當g=0時，也就是當網(wǎng)絡傳輸遇到上述極端情況時，兩種協(xié)議的網(wǎng)絡傳輸總時延相同。

2.5 帶誤包重傳時延

本節(jié)介紹帶誤包重傳情況下的兩種協(xié)議網(wǎng)絡時延。需要聲明的是，CRD-MACAW協(xié)議和MACAW協(xié)議在數(shù)據(jù)包需要重傳時，均采用二進制指數(shù)回退機制。CRD-MACAW協(xié)議中分為簇內(nèi)數(shù)據(jù)包重傳和簇間數(shù)據(jù)包重傳兩種情況。設第一次回退時間為t，回退次數(shù)為x；設兩個簇內(nèi)節(jié)點間的距離為L1，兩個簇間節(jié)點間距離為L2。則CRD-MACAW協(xié)議中簇內(nèi)傳輸時重傳增加時延為：

(6)

簇間傳輸時重傳增加時延為：

t·(2x-1)+xTother

(7)

那么，在CRD-MACAW協(xié)議中，重傳增加的總時延為：

(8)

在MACAW協(xié)議中，設兩個節(jié)點間距離為L，那么發(fā)生重傳時，重傳增加的時延為：

t·(2x-1)+xTother

(9)

由式(6)～式(9)可知，當傳感器網(wǎng)絡不中節(jié)點增多、節(jié)點分布較為分散時，CRD-MACAW協(xié)議由于其加入分簇和輪轉調(diào)度機制，省去了大量RTS包和CTS包的傳輸，在理論上比MACAW協(xié)議要節(jié)省重傳時延。

下面討論帶誤包重傳情況下的網(wǎng)絡總時延。在水下傳感器網(wǎng)絡中，造成誤包的主要原因是沖突和誤碼率。針對MACAW協(xié)議和CRD-MACAW協(xié)議而言，造成誤包的絕大部分原因是誤碼率。而且CRD-MACAW協(xié)議中簇內(nèi)傳輸無法產(chǎn)生沖突，故網(wǎng)絡中發(fā)生沖突的幾率很小。在此，只討論由誤碼率引起的誤包重傳。結合2.2節(jié)可知，CRD-MACAW協(xié)議與MACAW協(xié)議一樣用ACK信號作為確認信號傳輸給其上級節(jié)點，那么兩種協(xié)議的誤碼率PE=1-(1-Pe)LACK，因此，在網(wǎng)絡中存在一定誤碼率且具有重傳機制的情況下，MACAW協(xié)議的總時延為：

(10)

那么，CRD-MACAW協(xié)議的總時延為：

(11)

3 CRD-MACAW協(xié)議仿真

本文采用NS-2網(wǎng)絡平臺[11-12]基礎下的Aqua-Sim水聲傳感網(wǎng)絡模擬器[13]作為CRD-MACAW協(xié)議的仿真工具。仿真過程中重點對比CRD-MACAW協(xié)議與MACAW協(xié)議在傳輸時延上的性能。

3.1 仿真條件

本仿真實驗中重要討論傳輸節(jié)點間平均間距以及節(jié)點數(shù)量對傳輸時延的影響。仿真采用的部分參數(shù)如下：數(shù)據(jù)幀長度2 000 bit，RTS包、CTS包和ACK包的長度均為200 bit，數(shù)據(jù)傳輸速率為20 000 b/s，節(jié)點最大重傳次數(shù)為5次，誤碼率為10-5。節(jié)點間平均間距和節(jié)點數(shù)量會在仿真中給出，仿真環(huán)境為水聲環(huán)境。

3.2 仿真結果分析

圖5和圖6分別是傳感器節(jié)點平均間距和節(jié)點數(shù)量對傳輸時延的影響。由圖5可以看出，當節(jié)點數(shù)量給定為10個時，隨著節(jié)點平均間距的增大，CRD-MACAW協(xié)議和MACAW協(xié)議傳輸時延都在增大，但是CRD-MACAW協(xié)議在節(jié)點平均間距不斷增大時呈現(xiàn)出傳輸時延增長速率逐漸減緩的趨勢，而MACAW協(xié)議傳輸時延的增長速率不斷增大；同時，整個過程CRD-MACAW協(xié)議比MACAW協(xié)議傳輸時延平均小約26.4%，而且差距越來越大。這是因為，隨著節(jié)點間距的增大，采用CRD-MACAW協(xié)議時簇內(nèi)傳輸由于輪轉調(diào)度機制而省去了大量的控制幀傳輸，從而節(jié)約了時間；相反，采用MACAW協(xié)議傳輸時，隨著節(jié)點平均間距增大，大量RTS、CTS包需要不斷長距離傳輸，大幅增大了傳輸時延。

由圖6可以看出，當節(jié)點平均間距給定在1 500 m，隨著節(jié)點數(shù)量的增大，CRD-MACAW協(xié)議和MACAW協(xié)議的傳輸時延都在增長，但是前者增長速率逐漸減緩，后者增長速率持續(xù)增大。整個過程CRD-MACAW協(xié)議的傳輸時延比MACAW協(xié)議傳輸時延平均小約31.2%，而且差距越來越大。這說明，隨著節(jié)點數(shù)量的增長，采用CRD-MACAW協(xié)議傳輸時，落在簇內(nèi)傳輸?shù)母怕瘦^大，簇內(nèi)傳輸由于輪轉調(diào)度機制而節(jié)省了大量傳輸時延，采用MACAW協(xié)議時則隨著節(jié)點數(shù)量增多，控制報文的傳輸次數(shù)也相應增多，從而提高了傳輸時延。

通過圖5和圖6的對比可知，在水聲傳感器網(wǎng)絡中，當網(wǎng)絡規(guī)模變大、節(jié)點數(shù)量增多、節(jié)點分布較分散時，CRD-MACAW協(xié)議在傳輸時延上明顯優(yōu)于MACAW協(xié)議。

圖5 節(jié)點個數(shù)給定，節(jié)點間平均間距對傳輸時延的影響

圖6 節(jié)點間平均間距給定，節(jié)點數(shù)量對傳輸時延的影響

4 結論

傳統(tǒng)的水聲傳感網(wǎng)MAC協(xié)議MACAW協(xié)議在MACA協(xié)議的基礎上通過增加了ACK確認機制，在一定程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸效率和傳輸可靠性。本文提出的CRD-MACAW協(xié)議在MACAW協(xié)議的基礎上通過分簇和輪轉調(diào)度的方式使簇內(nèi)傳輸過程減少了大量RTS包和CTS包，節(jié)省了大量傳輸時間；同時保留了ACK確認機制，保持了MACAW協(xié)議的優(yōu)點。仿真結果表明，在傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量增多、節(jié)點整體分布較為分散且局部集中的情況下，與MACAW協(xié)議相比，CRD-MACAW協(xié)議明顯減少了傳輸時延，提高了信道利用率。CRD-MACAW協(xié)議更適合應用于海底導航、海洋環(huán)境監(jiān)測和災害預警等水聲通信領域。

本文未來工作應著力于網(wǎng)絡規(guī)模較大時分層協(xié)議的設計，以不斷優(yōu)化CRD-MACAW協(xié)議來研究上層路由協(xié)議，使二者能夠在通信過程中達到較高的契合度，從而加強網(wǎng)絡資源的利用，降低網(wǎng)絡時延，進一步提高信道利用率。

[1] RICE J, CREBER B, FLETCHER C, et al. Evolution of seaweb underwater acoustic networking[C]. Oceans 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, 2000:2007-2017.

[2] 劉廣鐘, 耿偉. 水聲傳感器網(wǎng)絡分簇路由協(xié)議研究[J]. 微型機與應用, 2012, 31(8):44-47.

[3] AKYILDIZ I F, POMPILI D, MELODIA T. Underwater acoustic sensor networks: research challenges[J]. Ad Hoc Networks, 2005, 3(3):257-279.

[4] 劉文靜. 水聲傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議研究[D]. 大連:大連理工大學, 2015.

[5] Xiao Yang, Zhang Yanping, GIBSON J H, et al. Performance analysis of p-persistent aloha for multi-hop underwater acoustic sensor networks[C]. International Conference on Embedded Software and Systems, IEEE, 2009:305-311.

[6] 王毅,高翔,方世良,等.Aloha-LPD:一種用于水聲通信網(wǎng)的MAC協(xié)議[J].東南大學學報(自然科學版),2009, 39(1):12-17.

[7] Fang Dong, Li Yu, Huang Haining, et al. A CSMA/CA-based MAC protocol for underwater acoustic networks[C]. International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing, IEEE, 2010:1-4.

[8] Zhao Qichao, LAMBERT A, BENSON C R. FS-MACA: a future scheduling MAC protocol in underwater acoustic networks[C]. Proceedings of the International Conference on Underwater Networks & Systems, 2014:1-5.

[9] Guo Xiaoming, FRATER M R, RYAN M J. A propagation-delay-tolerant collision avoidance protocol for underwater acoustic sensor networks[C]. IEEE Oceans OES and MTS, 2007:1-6.

[10] BHARGHAVAN V, DEMERS A, SHENKER S, et al. MACAW: a media access protocol for wireless LAN’s[J]. ACM Sigcomm Computer Communication Review, 2000, 24(4):212-225.

[11] KANTHIMATHI N, DEJEY. Balanced and multi-objective optimized opportunistic routing for underwater sensor networks[J]. Wireless Personal Communications, 2016:1-24.

[12] 石為人, 黃河, 鮮曉東,等. OMNET++與NS2在無線傳感器網(wǎng)絡仿真中的比較研究[J]. 計算機科學, 2008, 35(10):53-57.

[13] Liu Tongqing, Han Guangjie, Zhu Chuan, et al. Application research on aqua-sim for underwater acoustic sensor networks[J]. Advanced Materials Research, 2012, 605-607:1046-1049.

Clustering rotation dispatching MAC protocol for underwater acoustic sensor network based on MACAW

Bao Wansong, Liu Guangzhong

(College of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Aiming at the long delay but low utilization rate of channels of the present underwater acoustic sensor network, traditional underwater acoustic communication network MAC protocol MACAW has been improved into a new clustering rotation dispatching MAC protocol, CRD-MACAW. This protocol rotates the sensor nodes in the network with certain mechanism through the network initialization and network dynamic updating. And the data transmissions in the network are divided into transmissions in cluster and transmissions between clusters. Transmissions in cluster are done according to the rotating order matched by the managing node in network when clustering. RTS frame and CTS frame need not be sent between nodes, while transmissions between clusters are done using the MACAW protocol between the first nodes of every cluster, and finally the data in the network will be gathered at the managing node in network to be analyzed. The simulated result shows that this protocol can decrease the transmission delay effectively and improve the utilization rate of channels if nodes in the network are increasing and the node distribution is decentralized totally when comparing with the traditional MACAW protocol.

underwater acoustic sensor network; MAC protocol; clustering; rotation dispatching; CRD-MACAW protocol; MACAW protocol

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

TN929.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.021

鮑萬松，劉廣鐘.基于MACAW的分簇輪轉調(diào)度式水聲傳感網(wǎng)MAC協(xié)議[J].微型機與應用，2017,36(16)：73-77.

2017-02-22)

鮑萬松(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：分布式計算與傳感器網(wǎng)絡。

劉廣鐘(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：分布式數(shù)據(jù)庫、分布式人工智能、計算機網(wǎng)絡技術、網(wǎng)絡計算、CIMS技術、物流信息化技術等。