水聲通信網(wǎng)絡(luò)S-MAC協(xié)議的研究?

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

水聲通信網(wǎng)絡(luò)是一種由計算、通信等不同功能節(jié)點組成的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它在海洋環(huán)境監(jiān)測、資源勘探與開發(fā)、海洋災(zāi)難預(yù)警以及援助導(dǎo)航等方面有著廣泛的應(yīng)用［1］。由于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)形式特殊，同時水下通信面臨長延時、衰落快以及能量有限等問題，所以它的MAC層協(xié)議的設(shè)計要求與陸地?zé)o線網(wǎng)有所區(qū)別。在水聲通信網(wǎng)絡(luò)中，在兼顧吞吐量、時延的情況下，節(jié)約能量成了水聲通信網(wǎng)絡(luò)需要解決的主要問題［2］。

為了降低能耗，人們提出了基于MAC層的S-MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議在繼承MAC協(xié)議基本功能的基礎(chǔ)上，采用了周期性睡眠機(jī)制，其工作原理是讓沒有發(fā)送或接收任務(wù)的節(jié)點進(jìn)入到睡眠狀態(tài)，節(jié)點空閑偵聽時間的減少可以有效降低系統(tǒng)的能量消耗［3］。在數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送過程中，為了降低數(shù)據(jù)沖突造成的能耗，協(xié)議采取退避機(jī)制來競爭信道；S-MAC協(xié)議采用RTS/CTS握手機(jī)制，單播信息在發(fā)送者和接收者之間按照RTS/CTS/DATA/ACK的順序進(jìn)行通信，這樣進(jìn)一步避免了串音偵聽；S-MAC協(xié)議的周期性睡眠機(jī)制如圖1所示。

圖1 S-MAC協(xié)議的周期性睡眠機(jī)制

S-MAC協(xié)議是以節(jié)能為需求設(shè)計的一種MAC協(xié)議，該協(xié)議目前還存在一些不足，比如其周期內(nèi)節(jié)點的偵聽活動時間是固定不變的。此外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中活躍的節(jié)點較多時，數(shù)據(jù)包之間的碰撞概率會隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量下降［4］。針對S-MAC協(xié)議的缺點和不足，本文提出了一種自適應(yīng) 動 態(tài) ES-MAC協(xié) 議（Energy Sensor-MAC，ES-MAC協(xié)議），該協(xié)議首先對S-MAC協(xié)議固定占空比進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的方法是增加動態(tài)偵聽活動時間。此外，ES-MAC協(xié)議在S-MAC協(xié)議原有的退避算法基礎(chǔ)上也進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，引入閾值作為競爭窗口分層調(diào)整的判斷依據(jù)［5］。改進(jìn)后的協(xié)議可以根據(jù)信道中流量的變化情況動態(tài)的調(diào)整偵聽活動時間以及爭用窗口CW的值。

2 自適應(yīng)動態(tài)S-MAC協(xié)議

2.1 自適應(yīng)占空比調(diào)整機(jī)制

S-MAC協(xié)議采用周期性偵聽/睡眠占空比的工作機(jī)制，當(dāng)信道中沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，節(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)。雖然該機(jī)制在一定程度上減少了能耗，但是因為其采用固定的占空比，所以周期內(nèi)節(jié)點偵聽與睡眠的時間是固定不變的，這樣當(dāng)信道無數(shù)據(jù)發(fā)送時，節(jié)點長時間處于偵聽狀態(tài)會帶來無謂的能耗［6］?；赟-MAC協(xié)議的主要原理，針對其存在的問題提出了ES-MAC協(xié)議。與S-MAC協(xié)議采用固定的占空比不同，改進(jìn)后的協(xié)議在周期內(nèi)節(jié)點偵聽時間是動態(tài)變化的［7］，如果信道沒有數(shù)據(jù)發(fā)送、接收時，偵聽時段只保留DT（Dynamic Time，DT）部分，如果在給定時間內(nèi)沒有活動事件請求，那么活動結(jié)束，其主要的工作原理如下：

1）當(dāng)節(jié)點i的隊列中沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，設(shè)置給定時間DT=ΔT，這是DT的一個下限；

2）每個周期的空閑偵聽時間長度與△T有關(guān)，其中△T應(yīng)滿足：ΔT＞C+R+T（其中C為競爭信道時間，R為發(fā)送RTS分組的時間，T為RTS分組結(jié)束到發(fā)出CTS分組開始的時間）；

3）當(dāng)節(jié)點i的隊列中分組數(shù)大于0時，DT的值按指數(shù)倍數(shù)增大，即 DT=2αNi×ΔT（α表示增加幅度，與隊列中分組數(shù)有關(guān)）。

改進(jìn)后的協(xié)議可以更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)活躍節(jié)點較多時，DT的值開始增大；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中活躍節(jié)點較少時，DT的值會逐漸減小［8］。改進(jìn)前與改進(jìn)后的周期性睡眠機(jī)制對比如圖2所示。從圖中可以看出，與S-MAC協(xié)議相比，改進(jìn)后的ES-MAC協(xié)議增加了動態(tài)偵聽時間DT部分，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中無數(shù)據(jù)發(fā)送或較少數(shù)據(jù)發(fā)送時，可以有效減少處于活動狀態(tài)的時間。

圖2 S-MAC協(xié)議與改進(jìn)后協(xié)議基本機(jī)制的對比

2.2 退避算法的改進(jìn)

雖然S-MAC協(xié)議采取了數(shù)據(jù)包發(fā)送過程中進(jìn)行通信握手機(jī)制以及節(jié)點載波監(jiān)聽等機(jī)制，但在通信過程中依然存在數(shù)據(jù)包沖突的問題［9］。S-MAC協(xié)議采用的是二進(jìn)制指數(shù)退避算法［10］，為了避免數(shù)據(jù)間的沖突，在傳輸過程中會選擇一段隨機(jī)的時間進(jìn)行退避，退避算法將使用一個隨機(jī)退避時間作為計數(shù)器，計數(shù)器將在（0，CW）之間選取一個數(shù)，其中CW的值被稱為競爭窗口。如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則增大退避窗口CW的值；如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則減小退避窗口CW的值［11］。雖然BEB退避算法在一定程度上減少了節(jié)點競爭信道的沖突次數(shù)，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)活躍結(jié)點數(shù)較多時，碰撞概率開始增大，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率明顯降低。

為了減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的碰撞，提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接受、發(fā)送數(shù)據(jù)的效率，引入E［CW］作為信道競爭程度閾值（E［CW］的值與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)有關(guān)），退避算法競爭窗口的調(diào)整方法如下，

l）當(dāng)CW＜E［CW］時，在數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，減少競爭窗口CW的值減并與CWmin比較，CW的值計算公式為式（2）；如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則采用乘性線性增加的方法增大競爭窗口CW的值，以便競爭窗口盡量快速增大，達(dá)到CWmax時乘性增加結(jié)束，此時CW計算公式為式（1）。

2）當(dāng) CW ≥E［CW］時，認(rèn)為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大，在數(shù)據(jù)發(fā)生沖突前，增大競爭窗口CW的值，CW的值計算公式為式（3）；成功發(fā)送后，競爭窗口CW開始減小，此時CW計算公式為式（4）：

改進(jìn)的退避算法流程圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的退避算法流程圖

3 實驗仿真與分析

為了驗證ES-MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境中的效果，需要對ES-MAC協(xié)議進(jìn)行仿真驗證，實驗仿真將在NS2平臺［12］上進(jìn)行。本次仿真實驗選取能量消耗、吞吐量以及網(wǎng)絡(luò)時延三個性能指標(biāo)來評估ES-MAC協(xié)議的性能。本文實驗仿真參數(shù)與參數(shù)值見表l。

表1 仿真參數(shù)及參數(shù)值

3.1 能量效率分析

能耗問題直接影響水聲通信網(wǎng)絡(luò)的生命周期。仿真實驗中選取數(shù)據(jù)分組間隔作為橫坐標(biāo)的變化量，分組間隔越小說明網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量越大［13］?？v坐標(biāo)選取平均能耗，平均能耗為每傳輸一個字節(jié)所消耗的能量大?。?4］，網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗計算公式（5）為

從圖4中可以看出，在網(wǎng)絡(luò)初始階段ES-MAC協(xié)議平均能耗比S-MAC協(xié)議的平均能耗低一些，但是兩者相差不大。當(dāng)分組間隔減少3s～8s時，網(wǎng)絡(luò)流量逐漸增大，由于S-MAC協(xié)議采用的爭用窗口機(jī)制是在數(shù)據(jù)碰撞發(fā)生后進(jìn)行調(diào)整的，此時能量已經(jīng)消耗，再加上流量增大的情況下會帶來潛在碰撞概率的增加，導(dǎo)致重傳次數(shù)增多，所以其能耗增大明顯。改進(jìn)后的ES-MAC協(xié)議采用的是動態(tài)爭用窗口機(jī)制［15］，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信道中流量增大時，在發(fā)送數(shù)據(jù)前爭用窗口會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量情況自行地進(jìn)行調(diào)整，動態(tài)的爭用窗口機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性更強(qiáng)。因此，ES-MAC協(xié)議在這段時間內(nèi)的能耗雖然有所增加，但是整體的變化不會太大。從仿真實驗結(jié)果可以看出，整個仿真過程中，在平均能耗方面，ES-MAC協(xié)議一直低于S-MAC協(xié)議。

圖4 平均能耗仿真圖

3.2 吞吐量分析

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的吞吐量是指目的節(jié)點在整個工作時間內(nèi)成功接收到的數(shù)據(jù)包的總數(shù)量。本文仿真的是端到端的平均吞吐量［16］，其單位為kbps。網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量計算公式（6）為

從圖5可以看出，當(dāng)分組間隔減小時，意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大，由于S-MAC協(xié)議采用的BEB退避算法不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動態(tài)的調(diào)整競爭窗口［17］，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)活躍節(jié)點較多時，發(fā)送數(shù)據(jù)間的碰撞概率增大，同時S-MAC協(xié)議采用固定的占空比機(jī)制，源節(jié)點在進(jìn)行數(shù)據(jù)分組發(fā)送時，需要等待目的節(jié)點從睡眠狀態(tài)中醒來，這樣會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點競爭的加劇以及大量的數(shù)據(jù)分組丟失，所以網(wǎng)絡(luò)吞吐量一直較低［18］。改進(jìn)后的ES-MAC協(xié)議能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的流量變化情況提前調(diào)整競爭窗口的值，更好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性可以有效降低數(shù)據(jù)之間的碰撞。同時協(xié)議增加了動態(tài)活動的時間，有效減少了網(wǎng)絡(luò)擁擠帶來的潛在碰撞，降低了在傳輸中數(shù)據(jù)分組的丟失以及重傳次數(shù)。整個仿真階段，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能上，ES-MAC協(xié)議始終高于S-MAC協(xié)議。

圖5 吞吐量仿真圖

3.3 時延狀況分析

時延是指在網(wǎng)絡(luò)中從首個數(shù)據(jù)分組發(fā)送開始計時，到最后一個數(shù)據(jù)分組被接收到截至的時間，平均時延［19］是總時間除以分組的數(shù)目。本文的性能指標(biāo)采用的是平均時延，網(wǎng)絡(luò)平均時延計算公式（7）為

圖6 平均時延仿真圖

從圖6可以看出，在分組間隔10s～8s范圍內(nèi)，由于網(wǎng)絡(luò)處在低負(fù)載的狀態(tài)，ES-MAC協(xié)議與S-MAC協(xié)議在時延上沒有明顯區(qū)別。隨著分組間隔逐漸減少，S-MAC協(xié)議固定不變的爭用窗口會導(dǎo)致數(shù)據(jù)間碰撞概率的增加［20］，數(shù)據(jù)發(fā)送失敗后的重傳直接增大了網(wǎng)絡(luò)的時延。尤其是當(dāng)分組間隔減少3s后，其時延變現(xiàn)更為明顯。ES-MAC協(xié)議引入了動態(tài)占空比機(jī)制，同時改進(jìn)了退避算法，在網(wǎng)絡(luò)在時延方面有著更好的表現(xiàn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變大時，引入閾值判斷的退避算法可以根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)情況及時調(diào)整競爭窗口的大小，即使網(wǎng)絡(luò)處于擁擠狀態(tài)，依然可以有效減少數(shù)據(jù)間碰撞帶來的網(wǎng)絡(luò)時延［21］。在整個仿真過程中，在平均時延性能方面，ES-MAC協(xié)議的基本上一直小于S-MAC協(xié)議。

4 結(jié)語

本文對S-MAC協(xié)議進(jìn)行了理論分析，針對其節(jié)點空閑偵聽時間過長以及固定的爭用窗口不能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量變化的情況，提出了自適應(yīng)動態(tài)ES-MAC協(xié)議。該協(xié)議通過增加動態(tài)偵聽活動時間部分，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)無數(shù)據(jù)發(fā)送或較少數(shù)據(jù)發(fā)送時，節(jié)點可以有效降低對信道空閑偵聽的活動時間，同時改進(jìn)后的協(xié)議使用動態(tài)可爭用窗口來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化。仿真實驗結(jié)果驗證了ES-MAC協(xié)議的可行性與有效性，同時與S-MAC協(xié)議相比，該協(xié)議在節(jié)能、吞吐量以及時延方面均具有更好的性能。