基于握手機制的水聲MAC協(xié)議研究

鄭 杰 敏

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

1 水聲MAC協(xié)議設(shè)計面臨挑戰(zhàn)

媒體接入控制技術(shù)(Medium Access Control，MAC)以解決網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點接入信道問題為目標設(shè)計[1-3].保證各個節(jié)點都能公平的發(fā)送數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)碰撞，高效利用信道資源[4-5].在水聲通信中，水聲信道特性影響著水聲通信網(wǎng)絡(luò)的效率[6].水聲信道特性導(dǎo)致水聲MAC協(xié)議的設(shè)計面臨以下挑戰(zhàn)[7].

1.1 傳播時延長

相比于電磁波的傳播速度，聲波傳播速度很慢，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳播時延很大.因此在設(shè)計水聲MAC協(xié)議時必須要考慮時延影響.數(shù)據(jù)的傳輸和確認導(dǎo)致了節(jié)點在發(fā)送完數(shù)據(jù)后等待確認的時間內(nèi)處于空閑狀態(tài)，這造成了信道利用率較低[8].

1.2 時空不確定性

在陸地無線通信網(wǎng)絡(luò)中，在同一時刻，如果多個節(jié)點發(fā)送信息給同一個接收節(jié)點，那么接收節(jié)點不能成功解析這些信息[9-11].但在水聲通信網(wǎng)絡(luò)中，由于傳播時延大以及數(shù)據(jù)包發(fā)送時間的不確定，可能導(dǎo)致與陸地通信網(wǎng)絡(luò)中完全相反的結(jié)果.針對于時空不確定性問題，通過合理安排數(shù)據(jù)的傳輸，可以改善網(wǎng)絡(luò)的性能[1].見圖1.

圖1 時空不確定性Figure 1 spatial-temporal uncertainty

1.3 多節(jié)點競爭

在基于握手的水聲MAC協(xié)議中，節(jié)點對通過發(fā)送控制包來進行對信道的預(yù)約[12]，但是由于水聲傳播速度慢以及時空不確定問題的影響，當多節(jié)點同時競爭信道時，節(jié)點的控制包的發(fā)送導(dǎo)致信道擁擠，當節(jié)點接收到競爭對手的控制包，將會放棄本次預(yù)約過程，從而導(dǎo)致信道預(yù)約的成功率低，需要對傳統(tǒng)的水聲握手MAC協(xié)議進行改進以適用于水聲網(wǎng)絡(luò).

2 基于握手機制的輪詢附加傳輸MAC協(xié)議研究

由于多節(jié)點競爭的存在將大大影響網(wǎng)絡(luò)的性能，提出基于握手機制的輪詢附加傳輸MAC協(xié)議(HPA-MAC)，設(shè)計相應(yīng)的機制改善多節(jié)點競爭問題，并通過利用時間不確定降低端到端時延.

2.1 無碰撞控制包傳輸算法

圖2 控制包傳輸Figure 2 control packet transmission

UNTF中第m個節(jié)點發(fā)送NTF的時間可以由前一個節(jié)點發(fā)送時間計算得到：

(4)

如果第m個附加節(jié)點發(fā)送NTF時間滿足式(5)關(guān)系，即NTF的發(fā)送干擾了發(fā)送節(jié)點接收CTS控制包，則需要推遲NTF的發(fā)送時間.

(5)

即：

(6)

為了避免干擾CTS控制包的接收，第m個附加節(jié)點的NTF包被發(fā)送節(jié)點接收推遲到CTS接收之后，因此可以通過CTS的接收時間計算第m個附加節(jié)點的NTF包發(fā)送時間：

(7)

2.2 鄰居節(jié)點輪詢數(shù)據(jù)傳輸機制

在HPA-MAC協(xié)議中，將使用節(jié)點輪詢附加傳輸機制改善網(wǎng)絡(luò)的信道利用率.在鄰居節(jié)點輪詢發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過利用節(jié)點之間的時延和數(shù)據(jù)包傳輸時間關(guān)系，會出現(xiàn)圖 3中A、C節(jié)點并行傳輸，不產(chǎn)生碰撞，合理安排各附加節(jié)點的數(shù)據(jù)包發(fā)送時間，可以讓發(fā)送節(jié)點在最短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)過程，減少數(shù)據(jù)排隊時間.

圖3 收發(fā)節(jié)點雙向傳輸模型Figure 3 Bidirectional transmission of Tx-Rx nodes

圖4 收發(fā)節(jié)點單向傳輸模型Figure 4 Unidirectional transmission of Tx-Rx nodes

1)由于收發(fā)節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸有兩種情況，因此第一個附加節(jié)點發(fā)送時間計算也有兩種情況：

(a) 收發(fā)節(jié)點雙向傳輸

第一個附加節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時需要避免數(shù)據(jù)在發(fā)送節(jié)點S和接收節(jié)點R處發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，同時保證數(shù)據(jù)到達發(fā)送節(jié)點的時間盡可能早.

首先可以計算出雙向傳輸階段所需要的時間：

DBI=DCR+DUCR

(8)

(9)

Ddata+dS,R+dguard

(10)

其中：DBI是雙向傳輸需要時間，DCR是完整雙向傳輸周期占用時間，DUCR是非完整雙向傳輸周期占用時間，K為收發(fā)雙方雙向發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量.

通過式(8)所計算的雙向傳輸需要時間，可以計算發(fā)送節(jié)點S和接收節(jié)點R結(jié)束數(shù)據(jù)包接收的時間為：

(11)

第一個附加節(jié)點為了避免干擾發(fā)送/接收節(jié)點數(shù)據(jù)包的接收，發(fā)送時間必須滿足：

(12)

(b) 收發(fā)節(jié)點單向傳輸

第一個附加節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時需要避免發(fā)送節(jié)點還在發(fā)送數(shù)據(jù)時以及接收節(jié)點在接收時到達.

(13)

(14)

為了使第一個附加節(jié)點的數(shù)據(jù)能成功被發(fā)送節(jié)點收到，且不干擾接收節(jié)點的接收，發(fā)送時間需滿足：

(15)

Ddata+dguard+di-1,S]

(16)

(17)

為了保證發(fā)送節(jié)點接收第個(i-1)節(jié)點的數(shù)據(jù)包與接收第i個節(jié)點的數(shù)據(jù)包不產(chǎn)生沖突，且第(i-1)個節(jié)點的數(shù)據(jù)包在第i個節(jié)點數(shù)據(jù)包之前被接收，需滿足：

(18)

上式可以轉(zhuǎn)化為：

(19)

由于第i個節(jié)點發(fā)送時間不能在第1個附加節(jié)點之前發(fā)送，那么第i個節(jié)點發(fā)送時間可以確定：

di-1,S-di,S)

(20)

根據(jù)上述分析，各個附加節(jié)點的發(fā)送時間可以計算得到，附加節(jié)點在相應(yīng)的時間發(fā)送可以避免數(shù)據(jù)包碰撞.

3 仿真實驗與結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點靜態(tài)分布在3 000 m×3 000 m的矩形區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都能相互通信.仿真數(shù)據(jù)包長度為1 200比特，節(jié)點數(shù)量為10個，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.4 kb/s，數(shù)據(jù)包最大生存時間為100 s，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生服從泊松分布.對比協(xié)議由ALOHA-AN協(xié)議[13]和BiC-MAC協(xié)議[14-15].

圖 5比較了四種協(xié)議的吞吐量，可以看到HPA-MAC隨著負載的增長不斷增長，ALOHA-AN的吞吐量存在飽和現(xiàn)象.HPA-MAC協(xié)議的吞吐量優(yōu)于ALOHA-AN和BiC-MAC協(xié)議，這是因為HPA-MAC針對于握手協(xié)議中傳輸方式進行改進，HPA-MAC允許網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送節(jié)點的鄰居加入通信，數(shù)據(jù)包收發(fā)數(shù)量多.

圖5 吞吐量Figure 5 Throughput

圖 6比較了三種協(xié)議的端到端時延.可以看到在負載小于0.18 pkts/s時，ALOHA-AN協(xié)議的時延最??；在負載大于0.18 pkts/s時，HPA-MAC協(xié)議的時延最小.在小負載時產(chǎn)生數(shù)據(jù)包數(shù)量較少，HPA-MAC發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量較少，三次控制包交互導(dǎo)致時延較大.隨著負載的增長，HPA-MAC一次成功握手能夠發(fā)送多個數(shù)據(jù)包，因此時延降低.

圖6 端到端時延Figure 6 End to end delay

4 結(jié) 語

本文研究了水聲通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點競爭時提高信道利用率的機制.通過使用RTS偵聽和競爭比較機制有效提高網(wǎng)絡(luò)握手的成功效率，計算控制包的發(fā)送時間避免了碰撞；在數(shù)據(jù)傳輸階段通過鄰居節(jié)點輪詢并行傳輸機制使得吞吐量大大提升，并有效降低了高負載下的時延.仿真驗證了協(xié)議的有效性.