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    基于規(guī)則與感知的水聲網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議

    2022-03-10 09:24:54李沖杜秀娟王麗娟田曉靜
    通信學(xué)報 2022年2期
    關(guān)鍵詞:時隙吞吐量信道

    李沖,杜秀娟,3,4,王麗娟,田曉靜

    (1.青海師范大學(xué)計算機學(xué)院,青海 西寧 810008;2.青海師范大學(xué)青海省物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室,青海 西寧 810008;3.藏語智能信息處理及應(yīng)用國家重點實驗室,青海 西寧 810008;4.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院,青海 西寧 810008)

    0 引言

    媒體訪問控制(MAC,medium access control)協(xié)議、路由協(xié)議及物理層技術(shù)是水聲網(wǎng)絡(luò)(UAN,underwater acoustic network)的關(guān)鍵技術(shù)。MAC 協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配信道資源,是UAN 可靠傳輸及通信的關(guān)鍵協(xié)議[1-4]。受水下環(huán)境影響,UAN 采用聲波通信,然而水聲通信為MAC 協(xié)議的設(shè)計帶來一系列的問題,如時空變特性、能量受限、低帶寬等[5-8]。針對UAN的特性,研究人員提出了大量的用于水下的MAC 協(xié)議,這些協(xié)議可分為3 種類型:基于競爭的MAC 協(xié)議、無競爭的MAC 協(xié)議和混合MAC 協(xié)議[9-13]。

    無競爭的MAC 協(xié)議通常將信道按照時間、頻率或擴頻碼進(jìn)行劃分,將信道分割成互不干擾的子信道分配給不同的節(jié)點。根據(jù)子信道劃分原則,無競爭的MAC 協(xié)議分為時分多址(TDMA,time division multiple access)協(xié)議、頻分多址(FDMA,frequency division multiple access)協(xié)議和碼分多址(CDMA,code division multiple access)協(xié)議。水聲信道的窄頻帶特性使基于FDMA的MAC 協(xié)議并不適用于UAN。TDMA 要求節(jié)點的時鐘精確同步,這對于UAN 來說是個難題。UAN的遠(yuǎn)近效應(yīng)給基于CDMA的MAC 協(xié)議在UAN的應(yīng)用帶來很大的挑戰(zhàn)。

    在基于競爭的MAC 協(xié)議中,文獻(xiàn)[14]提出了第一個隨機訪問的Aloha 水下MAC 協(xié)議。Aloha協(xié)議在處理數(shù)據(jù)時,不關(guān)注節(jié)點狀態(tài),而是直接發(fā)送,因此容易造成沖突。文獻(xiàn)[15]提出的Slotted FAMA 協(xié)議將載波偵聽與RTS/CTS(request to send/clear to send)進(jìn)行結(jié)合,通過劃分時隙,并規(guī)定所有報文在時隙開始時發(fā)送,來避免沖突,在一定程度上提高了能量效率,但時鐘的精確同步對UAN 本就是個難題;較長的時隙和只能在時隙開始時發(fā)送的機制浪費了UAN原本就有限的帶寬資源,降低了信道利用率。文獻(xiàn)[16]提出的R-MAC 協(xié)議采用基于預(yù)約的方式,避免了在水下采用握手機制的RTS/CTS 報文過長的問題,也避免了包碰撞問題。然而,ND、ACK-ND 和SYN 報文增加了R-MAC協(xié)議的控制開銷,并且R-MAC 沖突避免機制較復(fù)雜,受節(jié)點運動影響,傳播時延的估計誤差較大,因此只適用于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點移動較慢的場景,且仍存在公平性問題。

    當(dāng)前基于競爭的媒體訪問控制協(xié)議多采用RTS/CTS 握手的傳輸控制機制。在UAN 中,優(yōu)化的數(shù)據(jù)包長度為100~200 B,而RTS/CTS 控制包的長度為幾十字節(jié)。與優(yōu)化的數(shù)據(jù)包長度相比,RTS/CTS 幀的長度不能忽略[17]。使用RTS/CTS 握手機制不會帶來更好的收益,而且考慮到水聲信道帶寬低、時延長等特性,使用RTS/CTS 握手反而降低了信道的利用率,從而降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量,增加了端到端時延[18]。因此,本文提出基于規(guī)則與感知的水聲網(wǎng)絡(luò) MAC(RP-MAC,rule and perception-based MAC)協(xié)議,避免了RTS/CTS 握手在低帶寬、長時延的UAN 導(dǎo)致的信道利用率低下問題,在避免沖突的同時提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

    RP-MAC 協(xié)議通過信道訪問規(guī)則在信道公平爭用和傳輸效率最大化之間進(jìn)行了較好的折中。此外,節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)幀之前需要查看鄰居表中所有鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息。如果接收節(jié)點狀態(tài)為忙(發(fā)送狀態(tài)或接收狀態(tài)),則當(dāng)前節(jié)點推遲發(fā)送。如果接收節(jié)點狀態(tài)為閑(非發(fā)非收),但其他鄰居節(jié)點正處于接收狀態(tài),為了不干擾鄰居節(jié)點,當(dāng)前節(jié)點也會推遲其發(fā)送。因此,使用該信道規(guī)則控制節(jié)點的傳輸能夠在不交換握手報文的前提下實現(xiàn)沖突避免,從而提高信道利用率,這對長傳播時延和帶寬資源受限的UAN 尤其重要。

    1 RP-MAC 協(xié)議機制

    1.1 系統(tǒng)模型

    將UAN的拓?fù)淠M為一個無向圖G=(N,A),N為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的集合,A為網(wǎng)絡(luò)中可用鏈路集合??捎面溌分競鬏斮|(zhì)量Cij大于預(yù)定義閾值Cthr的鏈路,即Cij表示在排除干擾的情況下節(jié)點nodei與節(jié)點nodej之間鏈路上的平均交付率,它與發(fā)送功率、信號衰減、編碼方式等因素有關(guān)。對于UAN 中的節(jié)點而言,常見的狀態(tài)有接收、發(fā)送、空閑。假設(shè)在時隙slotn,節(jié)點nodei通過鏈路(i,j)向鄰居節(jié)點nodej發(fā)送一幀,該幀被成功傳輸?shù)母怕蔖ij為

    其中,Ps表示節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時不發(fā)生沖突的概率;s(n) 表示目的節(jié)點在時隙slotn是否處于可用狀態(tài),即空閑狀態(tài)或接收狀態(tài),s(n)=0 表示節(jié)點不是可用狀態(tài),s(n)=1 表示節(jié)點處于可用狀態(tài)。

    根據(jù)UAN 信道傳輸特性,本文定義信道上的交付能力ΡiJ為在時隙slotn節(jié)點nodei發(fā)送廣播報文被鄰居節(jié)點成功接收的概率。ΡiJ計算式為

    其中,W為nodei的鄰居節(jié)點集合,W?A。在此基礎(chǔ)上,本文計算了信道上單位時間內(nèi)nodei向鄰居節(jié)點成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量RiJ,用于反映信道中端到端的吞吐量,如式(3)所示。

    其中,l表示幀長度,m表示slotn時隙內(nèi)nodei發(fā)送的幀數(shù)。

    1.2 信道訪問規(guī)則

    在RP-MAC 協(xié)議中,為避免沖突,減少重傳,同時考慮到傳輸效率和信道占用的公平性,RP-MAC 協(xié)議基于以下規(guī)則實施信道訪問控制。

    1) 節(jié)點在一個數(shù)據(jù)傳輸階段中最多允許傳輸N個數(shù)據(jù)包,從而避免了信道被一個節(jié)點長時間占用。

    2) 同一個節(jié)點的兩次數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐吮軙r間為Ta??紤]到水聲調(diào)制解調(diào)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時延較大,退避時間Ta應(yīng)足夠長,通常設(shè)置退避時間Ta=2RTT,RTT 為數(shù)據(jù)包的最大往返時延。

    3) 較大的數(shù)據(jù)被切分為多個塊,每個數(shù)據(jù)塊又包含多個數(shù)據(jù)幀,RP-MAC 會對每個數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)幀編序,并按序號順序傳輸。

    4) 為了避免干擾鄰居節(jié)點的接收,當(dāng)前節(jié)點的鄰居節(jié)點已處于接收狀態(tài)時,當(dāng)前節(jié)點不能發(fā)送幀。

    5) 為了避免干擾指定的接收節(jié)點,當(dāng)指定的接收節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)或接收狀態(tài)時,發(fā)送節(jié)點不能發(fā)送幀。

    1.3 節(jié)點狀態(tài)感知

    在網(wǎng)絡(luò)初始化階段完成后,每個節(jié)點都維護著一張鄰居節(jié)點狀態(tài)表,記錄了鄰居節(jié)點ID 及其狀態(tài)信息,如表1 所示。

    表1 鄰居節(jié)點狀態(tài)

    表1 中,狀態(tài)“0”表示節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài),狀態(tài)“1”表示節(jié)點處于接收狀態(tài),狀態(tài)“2”表示節(jié)點處于未知或空閑狀態(tài),狀態(tài)“3”表示節(jié)點處于發(fā)送避免狀態(tài)。

    為了避免沖突,RP-MAC 協(xié)議的信道訪問規(guī)則規(guī)定了節(jié)點只有滿足一定的條件時才嘗試發(fā)送一組幀鏈,即當(dāng)鄰居表中的所有鄰居節(jié)點都不處于接收(其他節(jié)點數(shù)據(jù))狀態(tài),且接收節(jié)點也不處于發(fā)送狀態(tài)時,當(dāng)前節(jié)點才可以嘗試發(fā)送。節(jié)點感知其鄰居節(jié)點實時狀態(tài)的方法如下。

    在RP-MAC 協(xié)議中,節(jié)點“偵聽”信道中傳輸?shù)膸〝?shù)據(jù)幀或確認(rèn)幀),根據(jù)幀的頭部字段信息,進(jìn)一步結(jié)合信道訪問規(guī)則中的1)~3)來判斷發(fā)出該幀的鄰居節(jié)點的狀態(tài),從而更新鄰居表中該鄰居節(jié)點的狀態(tài)。

    為了詳述節(jié)點是如何根據(jù)偵聽到的XDATA或XACK 幀頭信息判斷來源節(jié)點的狀態(tài),這里給出RP-MAC 協(xié)議采用的數(shù)據(jù)幀格式,如表2所示。幀類型字段用于標(biāo)識該幀的類型,“00”表示數(shù)據(jù)幀,“01”表示確認(rèn)(ACK,acknowledgement)幀。RP-MAC 協(xié)議的確認(rèn)幀用于向發(fā)送節(jié)點確認(rèn)收到了一組幀中的第一幀或最后一幀。幀序列號用于標(biāo)記該幀在這組幀鏈中的順序。立即確認(rèn)字段在數(shù)據(jù)幀中用于通知接收節(jié)點是否需要立即回復(fù)ACK 幀;在ACK 幀中用于接收節(jié)點向發(fā)送節(jié)點通告是否解碼成功,“1”表示立即回復(fù)或解碼失敗,“0”表示不回復(fù)或解碼成功。

    表2 數(shù)據(jù)幀格式

    節(jié)點偵聽信道中傳輸?shù)膸?,根?jù)幀首字段中幀類型(數(shù)據(jù)幀還是ACK 幀)、幀序列號、發(fā)送節(jié)點ID、接收節(jié)點ID,進(jìn)一步基于前述的信道訪問規(guī)則感知鄰居節(jié)點的實時狀態(tài)。例如,當(dāng)節(jié)點偵聽到含有如表3 所示的首部字段的幀時,結(jié)合“立即確認(rèn)字段,在數(shù)據(jù)幀中用于通知接收節(jié)點是否需要立即回復(fù)ACK 幀”這一規(guī)則,可以判斷出節(jié)點A 正在向節(jié)點B 發(fā)送幀序號為6、立即確認(rèn)字段為“0”的數(shù)據(jù)幀,,在本次傳輸階段還會陸續(xù)發(fā)送幀序號為5 到幀序號為1的5 個數(shù)據(jù)幀,因此,節(jié)點感知到鄰居節(jié)點A的實時狀態(tài)為發(fā)送,而節(jié)點B的狀態(tài)為接收。

    表3 數(shù)據(jù)幀

    節(jié)點通過偵聽感知鄰居節(jié)點狀態(tài)的算法如算法1 所示。

    算法1節(jié)點狀態(tài)感知算法

    1.4 傳輸控制

    RP-MAC 協(xié)議不需要RTS/CTS 握手機制。當(dāng)節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)幀時,首先在鄰居狀態(tài)表中查找接收節(jié)點和其他鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息。為了避免在接收節(jié)點處的沖突,當(dāng)接收節(jié)點處于狀態(tài)“0”或狀態(tài)“1”時,表明接收節(jié)點正在與其他節(jié)點通信,則發(fā)送節(jié)點推遲發(fā)送,繼續(xù)偵聽信道。為了避免干擾其他鄰居節(jié)點的接收,當(dāng)其他鄰居節(jié)點處于狀態(tài)“1”(正在接收其他節(jié)點的幀)時,當(dāng)前節(jié)點也會推遲發(fā)送。只有當(dāng)接收節(jié)點的狀態(tài)為“發(fā)送避免”或“未知或空閑”,且其他鄰居節(jié)點不在“接收狀態(tài)”時,發(fā)送節(jié)點才會向接收節(jié)點嘗試發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀。當(dāng)發(fā)送的第一幀收到確認(rèn)后,發(fā)送節(jié)點才會繼續(xù)按序發(fā)送幀鏈?zhǔn)S嗟膸?。接收?jié)點對接收到的完整幀鏈回復(fù)一個立即確認(rèn)字段為“0”的ACK 幀。RP-MAC 協(xié)議的整體流程如圖1 所示。

    圖1 RP-MAC 協(xié)議的整體流程

    為保證協(xié)議傳輸?shù)目煽啃?,發(fā)送節(jié)點會對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀鏈進(jìn)行編碼,接收節(jié)點需對接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼。若接收節(jié)點成功解碼,則向發(fā)送節(jié)點回復(fù)一個立即確認(rèn)字段為“0”的ACK 幀;若接收節(jié)點未成功解碼,則向發(fā)送節(jié)點回復(fù)立即確認(rèn)字段為“1”的ACK幀,并將幀鏈中未解碼幀的ID 通告發(fā)送節(jié)點,發(fā)送節(jié)點對未成功解碼的數(shù)據(jù)重新編碼后進(jìn)行重傳。

    RP-MAC 協(xié)議是一種無RTS/CTS 握手的MAC 協(xié)議,雖然摒棄了RTS/CTS 握手機制,但保留了ACK幀,這樣既避免了RTS/CTS 握手機制帶來的降低信道利用率、增加網(wǎng)絡(luò)開銷的問題,又保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸,增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。此外,與隨機訪問MAC協(xié)議不同,RP-MAC 協(xié)議在有數(shù)據(jù)發(fā)送時,會首先判斷鄰居節(jié)點狀態(tài),當(dāng)鄰居節(jié)點狀態(tài)正確時,才會發(fā)送數(shù)據(jù),這樣既避免了隨機訪問帶來的沖突嚴(yán)重的問題,又保留了隨機訪問MAC 協(xié)議隨來隨發(fā)的特性。

    2 網(wǎng)絡(luò)性能分析

    2.1 信道利用率分析

    本節(jié)將RP-MAC 協(xié)議與基于時隙的采用包鏈機制的Slotted FAMA 協(xié)議在信道利用率方面進(jìn)行對比分析。為了便于分析,假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇檎呅谓Y(jié)構(gòu),如圖2 所示。位于拓?fù)渲行牡墓?jié)點ω 共有N個鄰居節(jié)點,而每個鄰居節(jié)點又有Q個相對ω 節(jié)點為隱藏節(jié)點的鄰居節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)據(jù)產(chǎn)生的概率服從泊松分布,平均每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包以的概率發(fā)送給一個給定的鄰居節(jié)點,因此,每個鄰居節(jié)點接收數(shù)據(jù)的速率為

    圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

    使用上述模型,節(jié)點的信道利用率可表示為傳輸有效數(shù)據(jù)占用信道的時間與總時間之比,如式(4)所示。

    在文獻(xiàn)[17]中,水聲網(wǎng)絡(luò)經(jīng)負(fù)載優(yōu)化后包負(fù)載長度為100~200 B,因此,在仿真與試驗床測試時,每幀的長度設(shè)置為200 B,水聲通信設(shè)備的數(shù)據(jù)率為5 kbit/s,節(jié)點傳輸范圍為1 500 m,則傳輸長度為Lpacket的幀的傳輸時延Tduar可表示為

    其中,Lpacket為包長度,R為數(shù)據(jù)率。按以上設(shè)置,每幀傳輸時延約為0.32 s。水聲通信的速度約為1 500 m/s,按照1 500 m的傳輸范圍計算,需要的傳播時延約為1 s。可見幀的傳輸時延小于傳播時延。

    假設(shè)UAN 中的誤碼率為Pb,那么長度為lbit的數(shù)據(jù)包的錯誤率Pp為

    在Slotted FAMA 協(xié)議中,節(jié)點ω 在信道上傳輸成功的概率定義為Ps-SF,即當(dāng)拓?fù)渲械墓?jié)點ω 在時隙n發(fā)送RTS 時,ω的所有鄰居節(jié)點都不傳輸?shù)母怕省T赟lotted FAMA 協(xié)議中,鄰居節(jié)點不傳輸是指在時隙n鄰居節(jié)點既不發(fā)送RTS,也不發(fā)送CTS,其中,不發(fā)送CTS的情況等同于節(jié)點ω的隱藏節(jié)點在n-1 時隙不發(fā)送RTS的情況。因此,在Slotted FAMA 協(xié)議中,節(jié)點ω 傳輸成功的概率Ps-SF為

    在RP-MAC 協(xié)議中,節(jié)點ω 在信道上傳輸成功的概率用Ps-RP表示,即當(dāng)指定的接收節(jié)點狀態(tài)為“未知”或“發(fā)送避免”時,指定接收節(jié)點在接收來自節(jié)點ω的幀的持續(xù)時間Tduar內(nèi),其他鄰居節(jié)點不向接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的概率,并且指定接收節(jié)點在Tduar時間內(nèi)沒有幀產(chǎn)生的概率。根據(jù)RP-MAC 協(xié)議的規(guī)則,概率Ps-RP為

    在式(7)和式(8)中,Tslot>Tduar,且N+Q> 2。因此,Ps-RP>Ps-SF。RP-MAC 協(xié)議中,節(jié)點ω 在信道上傳輸成功的概率遠(yuǎn)大于Slotted FAMA 協(xié)議中節(jié)點ω的傳輸成功概率。

    Slotted FAMA 中,數(shù)據(jù)傳輸成功需要的時間為RTS、CTS、DATA(包括所有的重傳)及ACK 成功傳輸所用的時間之和。其中,RTS、CTS 及ACK的傳輸各需一個時隙。數(shù)據(jù)傳輸需要的傳輸時延用Tdata表示。定義Tval為節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)到成功接收ACK 所用的時間,即傳輸有效數(shù)據(jù)占用信道的時間,如式(9)所示。

    Slotted FAMA 中,一次成功傳輸需要的總時間可表示為Ttol-S,即

    其中,2Tslot為RTS/CTS 握手需要的時間開銷。

    RP-MAC 中,一次成功傳輸需要的總時間可表示為Ttol-R,即

    其中,TACK為第一個ACK的傳播時延加傳輸時延,TACK<Tslot。

    在式(10)中,對于 Slotted FAMA 協(xié)議,Tsuccess=Ttol-S;對于RP-MAC 協(xié)議,Tsuccess=Ttol-R。

    在Slotted FAMA 協(xié)議中,信道沖突包含節(jié)點ω之外的其他鄰居節(jié)點在時隙n發(fā)送RTS 和CTS的2 種情況,當(dāng)節(jié)點ω 發(fā)送的RTS 幀與其他節(jié)點的控制幀沖突時,沖突時間包括當(dāng)前時隙以及下個等待接收CTS的時隙,因此,Slotted FAMA 協(xié)議中節(jié)點ω的沖突時間Tfail-SF為

    RP-MAC 協(xié)議中,信道沖突時間包含發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)的傳播與傳輸時延和等待不會被回應(yīng)的ACK的時間,既然這里的傳播時延遠(yuǎn)大于傳輸時延,RP-MAC節(jié)點 ω的沖突時間Tfail-RP可近似表示為

    由于TACK<Tslot,故RP-MAC 協(xié)議的沖突時間Tfail-RP小于Slotted FAMA 協(xié)議中的沖突時間Tfail-SF。當(dāng)節(jié)點ω 偵聽到信道中存在沖突或偵聽到發(fā)送給鄰居節(jié)點的CTS 時,節(jié)點ω 會進(jìn)入退避狀態(tài)。Slotted FAMA 協(xié)議節(jié)點ω的平均退避時間Tdefer為

    對于RP-MAC 協(xié)議,當(dāng)節(jié)點沒有收到目的鄰居節(jié)點對第一幀或最后一幀的ACK 時,節(jié)點會進(jìn)行退避。節(jié)點接收到發(fā)送給目的鄰居節(jié)點的第一幀ACK的概率

    節(jié)點收到目的鄰居節(jié)點最后一幀ACK的概率為

    此時,退避時間為2Tslot。

    因此,RP-MAC 協(xié)議節(jié)點退避時間Tdefer為

    無論是Slotted FAMA 協(xié)議還是RP-MAC 協(xié)議,信道閑置的平均時間為

    綜合以上計算式,可以得出Slotted FAMA 協(xié)議的信道利用率SSF為式(21),RP-MAC 協(xié)議的信道利用率SRP為式(22)。

    由式(6)和式(7)可知,RP-MAC 協(xié)議不發(fā)生沖突的概率大于Slotted FAMA 協(xié)議。

    由式(12)~式(20)可知,RP-MAC 協(xié)議傳輸無效數(shù)據(jù)的時間小于Slotted FAMA 協(xié)議傳輸無效數(shù)據(jù)的時間。由式(4)可知,當(dāng)傳輸有效數(shù)據(jù)的平均時間越大、傳輸無效數(shù)據(jù)的時間越小時,節(jié)點的信道利用率越大,因此,RP-MAC 協(xié)議的信道利用率SRP明顯大于Slotted FAMA 協(xié)議的信道利用率SSF。

    2.2 RP-MAC 協(xié)議其他性能分析

    2.2.1RP-MAC 協(xié)議避免隱藏終端問題

    隱藏終端是指那些位于接收節(jié)點的傳輸半徑內(nèi),卻在發(fā)送節(jié)點傳輸半徑之外的節(jié)點,由于接收不到發(fā)送節(jié)點發(fā)送的幀,因此采用載波偵聽機制的隱藏終端可能會同時向同一接收節(jié)點發(fā)送幀,從而在接收節(jié)點處造成干擾和沖突,降低信道利用率,如圖3 所示。

    圖3 隱藏終端

    在圖3 中,節(jié)點B 處于節(jié)點A 與節(jié)點C的傳輸半徑內(nèi),而節(jié)點A 與節(jié)點C 不在對方傳輸半徑內(nèi)無法進(jìn)行通信。節(jié)點A 與節(jié)點C 同時向節(jié)點B 發(fā)送信息,從而會在節(jié)點B 處發(fā)生碰撞,使源節(jié)點數(shù)據(jù)需要重傳,從而增大了網(wǎng)絡(luò)的開銷。

    RP-MAC 協(xié)議能夠解決隱藏終端問題,如圖4所示。在RP-MAC 協(xié)議中,節(jié)點A 發(fā)送數(shù)據(jù)時,首先會發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行探測,當(dāng)節(jié)點B 收到第一幀數(shù)據(jù)時,會向節(jié)點A 回應(yīng)ACK 幀。由于節(jié)點C 處于節(jié)點B的傳輸半徑內(nèi),因此,節(jié)點C 會偵聽到該ACK 幀,從而學(xué)習(xí)到節(jié)點B 處于接收狀態(tài),節(jié)點C 將不會向節(jié)點B 發(fā)送第一幀數(shù)據(jù),避免了沖突的發(fā)生,解決了隱藏終端問題。

    圖4 RP-MAC 協(xié)議解決隱藏終端問題

    2.2.2RP-MAC 協(xié)議解決暴露終端問題

    暴露終端是指處于發(fā)送節(jié)點傳輸范圍內(nèi),但在接收節(jié)點傳輸范圍之外的節(jié)點。暴露終端因偵聽到數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)送的信息從而認(rèn)為信道處于忙碌狀態(tài)導(dǎo)致通信被推遲。然而,暴露終端實則處于接收端的傳輸范圍之外,它的數(shù)據(jù)傳輸不會造成信道上的沖突,反而可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行傳輸。因此,這樣的推遲是沒有必要的。

    暴露終端問題如圖5 所示。節(jié)點B 與節(jié)點D 處于對方的傳輸范圍之內(nèi),且節(jié)點B 與節(jié)點A、節(jié)點D 與節(jié)點C 進(jìn)行通信。節(jié)點B 向節(jié)點A 發(fā)送數(shù)據(jù)時,節(jié)點D 可以偵聽到節(jié)點B 發(fā)送的數(shù)據(jù),此時,節(jié)點D 認(rèn)為信道處于忙碌狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點D 有數(shù)據(jù)向節(jié)點C 發(fā)送時,節(jié)點D 認(rèn)為信道處于忙碌狀態(tài),導(dǎo)致通信被推遲,無法進(jìn)行數(shù)據(jù)并行傳輸。節(jié)點D成為暴露終端。

    圖5 暴露終端問題

    RP-MAC 協(xié)議能夠避免暴露終端問題,提高信道利用率,如圖6 所示。在RP-MAC 協(xié)議中,節(jié)點B 向節(jié)點A 發(fā)送數(shù)據(jù)時,節(jié)點D 偵聽到節(jié)點B 發(fā)送的數(shù)據(jù),節(jié)點D 會將節(jié)點B的狀態(tài)置為發(fā)送。當(dāng)節(jié)點D 有數(shù)據(jù)發(fā)送時,若節(jié)點C的狀態(tài)可以進(jìn)行收發(fā),則節(jié)點D 會向節(jié)點C 發(fā)送第一幀數(shù)據(jù),節(jié)點C會回復(fù)ACK 幀,節(jié)點D 可與節(jié)點C 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此時,節(jié)點B與節(jié)點D的數(shù)據(jù)會在信道上發(fā)生碰撞,但由于節(jié)點A 不在節(jié)點D的傳輸半徑內(nèi),節(jié)點C不在節(jié)點B的傳輸半徑內(nèi)。因此,此時的碰撞并不影響通信,這樣就避免了暴露終端的問題,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的并行傳輸。

    圖6 RP-MAC 協(xié)議避免暴露終端問題

    3 仿真與現(xiàn)場實驗

    3.1 NS3 仿真

    為了驗證RP-MAC 協(xié)議性能,本節(jié)使用NS3仿真平臺對RP-MAC、Slotted FAMA 和R-MAC 協(xié)議的性能進(jìn)行仿真與分析[20-25]。

    仿真實驗在5 km×5 km×3 km的3D 區(qū)域內(nèi)隨機放置35 個節(jié)點。實驗測試了數(shù)據(jù)率(每秒發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù))為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40的情況下,不同協(xié)議的平均能耗及吞吐量。仿真實驗參數(shù)如表4 所示。

    表4 仿真實驗參數(shù)

    平均能量消耗(AET,average energy tax)為

    平均能量消耗指一次仿真過程中總的能量消耗Et與sink 節(jié)點成功接收的包數(shù)Np和網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)Nn乘積的比值。

    網(wǎng)絡(luò)吞吐量為

    網(wǎng)絡(luò)吞吐量指sink 節(jié)點成功接收的包數(shù)Np和包負(fù)載長度Lp的乘積與網(wǎng)絡(luò)仿真時間Tsim的比值。

    平均能耗隨數(shù)據(jù)率變化如圖7 所示。仿真結(jié)果表明,當(dāng)數(shù)據(jù)率較小時,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及沖突都較少,因此,Slotted FAMA、R-MAC 和RP-MAC 協(xié)議的能耗都較小,但由于Slotted FAMA 協(xié)議使用的RTS/CTS 握手機制增加了協(xié)議的能耗。R-MAC 協(xié)議使用預(yù)約機制,但其復(fù)雜的沖突避免機制和較多的控制報文均增加了協(xié)議的能耗,因此,Slotted FAMA 和R-MAC 協(xié)議的能耗大于RP-MAC 協(xié)議。隨著數(shù)據(jù)率的增加,網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載逐漸增加,RP-MAC 協(xié)議的能耗也會有所增加,但相對增加較少。而Slotted FAMA 和R-MAC 協(xié)議中,由競爭和信道預(yù)約等造成各種沖突導(dǎo)致能耗急劇增加,但由于R-MAC 協(xié)議采用了沖突避免機制,因此,R-MAC協(xié)議的能耗相對Slotted FAMA 協(xié)議而言增加較少。

    圖7 平均能耗隨數(shù)據(jù)率變化

    吞吐量隨數(shù)據(jù)率變化如圖8 所示。從圖8 可以看出,隨著數(shù)據(jù)率的增加,網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載逐步增加,RP-MAC、R-MAC 及Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量逐漸增加,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載逐漸趨于飽和時,RP-MAC協(xié)議的吞吐量會逐漸趨于穩(wěn)定;R-MAC 協(xié)議由于采用了沖突避免機制,沖突較少,因而,吞吐量逐漸趨于穩(wěn)定,但仍小于RP-MAC 協(xié)議;Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量由于沖突的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)數(shù)據(jù)率大于0.15 package/s 時,RP-MAC協(xié)議的吞吐量遠(yuǎn)高于Slotted FAMA及R-MAC協(xié)議的吞吐量。綜合圖7 和圖8 可知,RP-MAC 協(xié)議的吞吐量及能耗均優(yōu)于Slotted FAMA 和R-MAC 協(xié)議。

    圖8 吞吐量隨數(shù)據(jù)率變化

    3.2 現(xiàn)場實驗

    3.2.1試驗床搭建

    青海湖水域在線監(jiān)測試驗床被部署在青海湖西北部。該試驗床由帶4G 和Wi-Fi 模塊的工業(yè)路由器、GPS、五套節(jié)點和一臺遠(yuǎn)程服務(wù)器等組成。每套節(jié)點包含水上浮標(biāo)、水下溫鹽深傳感器、水聲調(diào)制解調(diào)器和樹莓派主控板。節(jié)點使用水下溫鹽深傳感器采集水下溫度、鹽度、深度等屬性數(shù)據(jù),經(jīng)過水聲多跳通信傳輸至sink 節(jié)點,繼而通過4G 和互聯(lián)網(wǎng)傳輸至實驗室服務(wù)器。水上浮標(biāo)模塊主要用于承載主控板、GPS、水聲調(diào)制解調(diào)器和水下溫鹽深傳感器等設(shè)備并提供電源。圖9 為試驗床實地部署場景。

    圖9 試驗床實地部署場景

    試驗床拓?fù)淙鐖D10 所示。36 號節(jié)點和5 號節(jié)點將水聲圖片信息經(jīng)65 號節(jié)點和8 號節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā),最后到達(dá)sink 節(jié)點(即1 號節(jié)點),之后由裝有4G模塊的sink 節(jié)點接收,并經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)中心,對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及可視化處理。

    圖10 試驗床拓?fù)?/p>

    3.2.2試驗床測試

    基于該試驗床,本文分別在單數(shù)據(jù)源節(jié)點與sink 節(jié)點通信和多數(shù)據(jù)源節(jié)點與sink 節(jié)點通信的網(wǎng)絡(luò)場景中將RP-MAC 與Slotted FAMA 協(xié)議進(jìn)行了對比。實驗參數(shù)設(shè)置如表5 所示。圖11 和圖12 給出了部分試驗床的調(diào)試信息截圖。圖11為接收節(jié)點未成功恢復(fù)塊中所有原始包時,發(fā)送節(jié)點重傳第一幀的調(diào)試信息截圖。圖12 為發(fā)送節(jié)點收到接收節(jié)點回復(fù)的成功解碼所有原始包的ACK 后,進(jìn)入發(fā)送避免階段的調(diào)試信息截圖。圖13 和圖14 為RP-MAC 與Slotted FAMA 協(xié)議在單數(shù)據(jù)源與多數(shù)據(jù)源場景中不同數(shù)據(jù)率下的吞吐量對比。

    圖11 發(fā)送節(jié)點重傳第一幀

    圖12 成功發(fā)送數(shù)據(jù)包后發(fā)送節(jié)點進(jìn)入退避狀態(tài)

    表5 實驗參數(shù)設(shè)置

    由圖13 可知,當(dāng)數(shù)據(jù)率較小時,隨著數(shù)據(jù)率的增加,網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載逐漸增加,RP-MAC和Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量都會有所增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載飽和后,RP-MAC 協(xié)議的吞吐量基本保持在500 bit/s左右,不會有顯著的變化。而Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量由于沖突增加而出現(xiàn)下降的趨勢,Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量從數(shù)據(jù)率為0.15 package/s 時開始,逐漸下降到140 bit/s。由圖14 可知,多個數(shù)據(jù)源的情況下,與單數(shù)據(jù)源時變化相似,當(dāng)數(shù)據(jù)率較小時,隨著數(shù)據(jù)率的增加,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載會有一定的增加,協(xié)議的吞吐量也有小幅增加。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載基本飽和后,隨著數(shù)據(jù)率的增加,多數(shù)據(jù)源場景下RP-MAC 協(xié)議吞吐量基本穩(wěn)定在550 bit/s,不會有顯著的增加。Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載迅速增加的情況下,會從數(shù)據(jù)率為0.1 package/s時開始迅速下降,直至下降到120 bit/s。

    圖13 單數(shù)據(jù)源場景中的吞吐量

    圖14 多數(shù)據(jù)源場景中的吞吐量

    4 結(jié)束語

    本文提出了基于規(guī)則與感知的RP-MAC 設(shè)計,并將該協(xié)議與Slotted FAMA 等協(xié)議的性能進(jìn)行分析對比,進(jìn)一步通過NS3 和青海湖水域在線監(jiān)測試驗床對2 種協(xié)議進(jìn)行了大量實驗測試,實驗表明,RP-MAC 協(xié)議的吞吐量基本穩(wěn)定在500 bit/s,不會有顯著的增加。R-MAC 協(xié)議的吞吐量基本穩(wěn)定在300 bit/s。Slotted FAMA 協(xié)議的吞吐量在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載迅速增加的情況下,會從數(shù)據(jù)率為0.1 package/s 時開始迅速下降,直至下降到120 bit/s 左右。未來將會進(jìn)一步進(jìn)行融合路由機制與MAC 協(xié)議的研究工作,給出改進(jìn)效果。此外,由于青海湖水域在線監(jiān)測試驗床實地部署時的難度較大,試驗床的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)相對較少,未來仍需進(jìn)一步進(jìn)行大量的實地測試。

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