水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議綜述

上義，杜秀娟，2

（1.青海師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，西寧 810008；2.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，西寧 810008）

0 引言

水聲網(wǎng)絡(luò)（underwater acoustic networks，UANs）的應(yīng)用范圍與研究?jī)r(jià)值日益突出，水聲網(wǎng)絡(luò)可廣泛應(yīng)用于軍事、科研、民生等眾多領(lǐng)域［1］。

在水聲網(wǎng)絡(luò)中，媒體訪問控制（medium access control，MAC）協(xié)議對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能具有重大的影響，因而引起了廣泛關(guān)注。水聲網(wǎng)絡(luò)具有長(zhǎng)端到端延遲、低可用帶寬、低能效性等特性［10］，除此之外，由于受到洋流和海浪的作用，水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于移動(dòng)的狀態(tài)［2］。這些因素給水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。陸地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不適用于水下環(huán)境中，或其工作效率非常低。針對(duì)這些情況，設(shè)計(jì)一個(gè)適合水聲網(wǎng)絡(luò)通信需求的MAC協(xié)議尤為重要。

1 水聲信道特點(diǎn)與衰減

水聲網(wǎng)絡(luò)與陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在非常多的差異，最明顯的區(qū)別在于陸地?zé)o線傳感器是通過(guò)電磁波來(lái)信號(hào)來(lái)進(jìn)行通信。電磁波與光波不適用于水下環(huán)境，即使能夠使用也會(huì)在水中大大衰減，無(wú)法達(dá)到我們所預(yù)期的效果。為了解決電磁波與光波在水下衰減的問題，水下通信通常采用聲波來(lái)進(jìn)行［4］。

水聲信道衰減（dB）可表示為，如式（1）所示。

式（1）中，l表示節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離，f表示信號(hào)頻率，k表示是水聲模型相關(guān)量。10 log(a(f))表示吸收系數(shù)。

聲信號(hào)在水下傳播過(guò)程中存在一定的傳輸損耗，如式（2）所示。

式（2）中，k×10 log(l)為總擴(kuò)散損耗，l×10 loga(f)為吸收損耗。當(dāng)采用柱形擴(kuò)散時(shí)k=1，采用球形擴(kuò)散時(shí)k=2，一般情況下k=1.5。

根據(jù)Throp的表達(dá)式計(jì)算的能量吸收系數(shù)10 loga(f)如式（3）所示。

式（3）一般適用于數(shù)百赫茲頻率以上的信號(hào)，對(duì)于頻率小的吸收系數(shù)公式如式（4）。

2 水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)

媒體訪問控制協(xié)議是位于水聲網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)體系架構(gòu)中的數(shù)據(jù)鏈路層，其主要責(zé)任在于以一定的高效率方式給水聲網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分配有限的水聲信道資源，保證節(jié)點(diǎn)間的通信互不干擾，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能［3］。因此，MAC協(xié)議能否高效地使用水聲信道是保證水聲網(wǎng)絡(luò)通信效率的最關(guān)鍵因素之一［5］。選擇一個(gè)合適的MAC協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有很大影響，尤其是對(duì)于低帶寬和高延遲的信道尤為重要。

由于水下環(huán)境的特殊性，所用通信介質(zhì)的不同，導(dǎo)致許多現(xiàn)有的陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議不適用于水聲網(wǎng)絡(luò)中，即便能夠使用但其效率也無(wú)法達(dá)到所預(yù)期的效果［6］。同陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，水聲網(wǎng)絡(luò)具有長(zhǎng)而可變傳播時(shí)延、低可用帶寬、能量有限性等特點(diǎn)的限制，給水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮能效性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、信道利用率、包交付率、協(xié)議公平性和自適應(yīng)性等因素，同時(shí)也要解決隱藏終端、暴露終端、時(shí)空不確定性等問題，以下這些約束對(duì)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。

2.1 能量有限性

一般情況下，能耗在水聲網(wǎng)絡(luò)中是一個(gè)重要問題，水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作在惡劣的水下環(huán)境中。能耗的增加通常會(huì)縮短傳感器節(jié)點(diǎn)的電池壽命，再者，在水下環(huán)境中更換電池或進(jìn)行充電都是非常困難且花費(fèi)成本的工作［7］。為了加長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮水聲網(wǎng)絡(luò)高能耗的特性，提出具有高能效的MAC協(xié)議［8-9］。

我在青木的奶茶店看到了我最不愿意見的人。一個(gè)女孩坐在我原來(lái)的位置上，對(duì)面是，秦明。 這個(gè)和我在一起時(shí)說(shuō)最討厭奶茶的人，此刻卻在這兒坐得四平八穩(wěn)。不過(guò)，這一切，已經(jīng)與我無(wú)關(guān)。

2.2 隱藏終端問題

隱藏終端問題可以定義為傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法感應(yīng)到它的傳輸范圍以外的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，如果節(jié)點(diǎn)與其傳輸范圍以外的一個(gè)或一個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)具有共同的鄰居節(jié)點(diǎn)，即預(yù)期目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。而且節(jié)點(diǎn)與其傳輸范圍以外的節(jié)點(diǎn)選擇同一時(shí)間點(diǎn)向預(yù)期目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，那么就存在在接收節(jié)點(diǎn)處發(fā)生碰撞的可能性。如圖1所示，節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C在同一時(shí)刻向節(jié)點(diǎn)A進(jìn)行傳輸報(bào)文，當(dāng)節(jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)B無(wú)法感知節(jié)點(diǎn)C的傳輸，同時(shí)向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)，從而在接收節(jié)點(diǎn)A處發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，節(jié)點(diǎn)C在節(jié)點(diǎn)B的傳輸范圍外，但在接收節(jié)點(diǎn)A的傳輸范圍之內(nèi)，因此當(dāng)節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)C對(duì)于節(jié)點(diǎn)B來(lái)說(shuō)是隱藏終端。同理，節(jié)點(diǎn)B是節(jié)點(diǎn)C的隱藏終端。隱藏終端極容易造成數(shù)據(jù)碰撞，從而影響網(wǎng)絡(luò)的性能。

圖1 隱藏終端示意圖

2.3 暴露終端

所謂暴露終端，是節(jié)點(diǎn)偵聽到信道中信號(hào)傳輸，以為信道此刻處于忙碌狀態(tài)若發(fā)送可能會(huì)發(fā)生沖突，從而推遲其自身的傳輸。實(shí)際上，其發(fā)送對(duì)正在進(jìn)行的通信不會(huì)發(fā)生沖突，這種情況就是出現(xiàn)了暴露終端問題。如圖2所示，節(jié)點(diǎn)B正向節(jié)點(diǎn)A發(fā)起傳輸，此時(shí)節(jié)點(diǎn)C試圖向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)，但是節(jié)點(diǎn)C監(jiān)聽到信道中節(jié)點(diǎn)B的傳輸，并且節(jié)點(diǎn)C認(rèn)為自己的傳輸可能與節(jié)點(diǎn)B的傳輸引起沖突，因此節(jié)點(diǎn)C延遲其傳輸。實(shí)際上，節(jié)點(diǎn)C的傳輸不會(huì)干擾節(jié)點(diǎn)B的通信。暴露終端會(huì)造成水聲信道資源的浪費(fèi)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較低。

圖2 暴露終端示意圖

2.4 時(shí)空不確定性

由于水聲網(wǎng)絡(luò)具有長(zhǎng)傳播延遲等特點(diǎn)，并節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著水的流動(dòng)而移動(dòng)，因此接收節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)間不僅與發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時(shí)間有關(guān)，而且與接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的位置距離有關(guān)。因此，在傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)碰撞問題主要關(guān)乎于時(shí)間和空間的2維不確定性，這個(gè)問題稱為時(shí)空不確定性［10］。

如圖3（a）所示，發(fā)送節(jié)點(diǎn)1和2選擇同一時(shí)刻向一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，顯而易見兩個(gè)數(shù)據(jù)幀在接收節(jié)點(diǎn)處沒有發(fā)生碰撞，這是因?yàn)榘l(fā)送節(jié)點(diǎn)1，2到同一接收節(jié)點(diǎn)的位置距離不相等；在圖3（a）中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)1和2也是選擇同一時(shí)刻向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，但由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)1因移動(dòng)其位置發(fā)生改變，從而導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點(diǎn)1和2到接收節(jié)點(diǎn)的距離相等，因此兩個(gè)數(shù)據(jù)幀在接收節(jié)點(diǎn)處發(fā)生碰撞。

圖3 時(shí)空不確定性

2.5 遠(yuǎn)近效應(yīng)

由于水下工作環(huán)境的特殊性，遠(yuǎn)近效應(yīng)是影響協(xié)議性能的因素之一，設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)需要考慮的問題。遠(yuǎn)近效應(yīng)是受傳輸距離的影響，當(dāng)發(fā)送信號(hào)時(shí)節(jié)點(diǎn)采用大小相同功率的情況下，那么傳輸距離越大，則信號(hào)衰弱越大；傳輸距離越小，則信號(hào)衰弱越?。?0］。如圖4所示，節(jié)點(diǎn)D與節(jié)點(diǎn)A之間的距離明顯節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)A之間的距離，因此，接收節(jié)點(diǎn)A接收來(lái)自每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的不同信噪比級(jí)的信號(hào)。

圖4 遠(yuǎn)近效應(yīng)

3 水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類

根據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)的特征，通信介質(zhì)的不同，眾多學(xué)者已提出了許多適用于水下環(huán)境的MAC協(xié)議。這些協(xié)議按照節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道的方式，大致可分為三類：無(wú)競(jìng)爭(zhēng)型的MAC協(xié)議、基于競(jìng)爭(zhēng)型的MAC協(xié)議以及混合MAC協(xié)議［11］，如圖5所示。

圖5 水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類

3.1 基于無(wú)競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議

無(wú)競(jìng)爭(zhēng)mac協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)主要包括：避免了節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的沖突；減少了節(jié)點(diǎn)間相互干擾造成的能量損耗；在傳輸過(guò)程中不需要太多的控制信息，節(jié)省了控制包的開銷；信道利用率相對(duì)較高；數(shù)據(jù)通信延遲比較小［15-16］；可進(jìn)行并發(fā)傳輸。然而，該類型的MAC協(xié)議在低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中時(shí)，空閑時(shí)隙會(huì)增多，網(wǎng)絡(luò)吞吐量會(huì)降低，信道利用率也降低，且可擴(kuò)展性較差，靈活性較低，難以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中因節(jié)點(diǎn)加入或失效而引起的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化［13］。

3.2 基于競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議

基于競(jìng)爭(zhēng)Mac協(xié)議，是網(wǎng)絡(luò)中所有有數(shù)據(jù)要傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式去搶占信道使用權(quán)。如果節(jié)點(diǎn)在信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了沖突碰撞時(shí)，則節(jié)點(diǎn)需要以一定的規(guī)則進(jìn)行重傳，直到數(shù)據(jù)傳輸成功為止［15］?；诟?jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)點(diǎn)搶占到信道使用權(quán)后使用信道的全部帶寬去傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)這種協(xié)議對(duì)時(shí)間同步要求較低。因此，基于競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議更適合于低負(fù)載、節(jié)點(diǎn)稀疏的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。然而，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高或節(jié)點(diǎn)密集的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，這種MAC協(xié)議大大增加了節(jié)點(diǎn)間因競(jìng)爭(zhēng)信道使用權(quán)而發(fā)生沖突的概率，不僅降低了數(shù)據(jù)交付率，同時(shí)浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)能量等資源?；诟?jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議包括隨機(jī)多址接入方式和基于握手多址接入方式以及基于狀態(tài)接入方式。

3.3 混合MAC協(xié)議

近年來(lái)，水下混合MAC協(xié)議的研究與設(shè)計(jì)引起了部分學(xué)者的關(guān)注。不同類型MAC協(xié)議其應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)缺點(diǎn)各異，為了能夠更好地發(fā)揮不同類型MAC協(xié)議的優(yōu)勢(shì)，部分學(xué)者通過(guò)研究多種類型MAC協(xié)議設(shè)計(jì)出混合MAC協(xié)議，提高網(wǎng)絡(luò)性能。目前已被提出的混合MAC協(xié)議有：①Kredo等人提出了一種混合MAC協(xié)議［19］，H-MAC協(xié)議利用基于競(jìng)爭(zhēng)和基于調(diào)度的優(yōu)勢(shì)，協(xié)議周期分為競(jìng)爭(zhēng)周期與調(diào)度周期，在競(jìng)爭(zhēng)周期中預(yù)約信道，在調(diào)度周期中傳輸數(shù)據(jù)。H-MAC協(xié)議通過(guò)基于競(jìng)爭(zhēng)和基于調(diào)度的優(yōu)勢(shì)提高了協(xié)議的利用率［17］，降低了能耗。②文獻(xiàn)［20-22］提出了一種基于分布式CDMA與Aloha節(jié)能MAC協(xié)議（UW-MAC），該協(xié)議采用CDMA機(jī)制傳輸有效數(shù)據(jù)之前，通過(guò)隨機(jī)訪問機(jī)制傳輸擴(kuò)展頭（EH）的短幀，然后發(fā)送節(jié)點(diǎn)調(diào)整其偽隨機(jī)序列的長(zhǎng)度和信號(hào)功率，來(lái)降低在接收節(jié)點(diǎn)處的多址干擾（MAI）。UW-MAC協(xié)議的目標(biāo)是保證高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、低信道訪問延遲和低能耗。

3.4 水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議比較

近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了大量適用于水下環(huán)境的MAC協(xié)議，下面簡(jiǎn)單地比較幾種典型的水聲網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，如表1所示。

表1 水下MAC協(xié)議性能比較

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，水聲網(wǎng)絡(luò)的研究取得了一定的成果，其中包含優(yōu)秀MAC協(xié)議的提出。本文闡述了MAC協(xié)議的分類和相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過(guò)表1對(duì)近年來(lái)的幾種典型MAC協(xié)議的性能進(jìn)行比較。同時(shí)介紹了水聲信道的特點(diǎn)與衰減，總結(jié)了設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)需要考慮的因素和解決的問題。目前，較多的水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議是為了實(shí)現(xiàn)高吞吐量、高能效性等性能而進(jìn)行設(shè)計(jì)或改進(jìn)，但同時(shí)這些MAC協(xié)議也犧牲了一些性能，比如擴(kuò)展性、自適應(yīng)能力，等等。目前有許多優(yōu)秀MAC協(xié)議解決了隱藏終端等問題，模擬水下仿真中實(shí)現(xiàn)了高性能，但實(shí)際水下環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫翘幱谝苿?dòng)狀態(tài)，且在水下很難實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步，因此，這些MAC協(xié)議在真實(shí)的水下環(huán)境中，其工作效率無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。

未來(lái)研究中，我們應(yīng)當(dāng)著重考慮水下環(huán)境中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和時(shí)間同步的問題。設(shè)計(jì)一種能夠自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化和拓?fù)湟苿?dòng)，并能實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間同步的高性能水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。