徐轩轩,杨彦红,曹少中

(北京印刷学院信息工程学院,北京102600)

1 引言

水声通信网络作为一种新兴网络,在海上工业和海洋军事等领域具有广阔的应用前景,近年来成为了学者们研究的热点。在水声通信网络中,节点间通过水声信道进行数据交换,MAC协议决定了水声信道的使用方式,能够保障网络可靠通信,是构建网络系统的基础[1]。但由于水声通信其自身具有低带宽、高时延等鲜明的特点,导致得原本适用于陆地的通信协议及算法不能用于水下通信环境中,因此设计一款高效的水下MAC协议是构建水声通信网络的首要任务[2]。

近年来,用于水下的MAC协议得到了广泛的研究。这些协议都有各自的优缺点,可以根据特定的应用背景进行有针对性的设计。Kredo等人提出了H-MAC协议[3],这是基于竞争和调度的混合MAC协议,该协议结合TDMA和随机信道访问方法,通过减少碰撞来降低能源消耗。UWMAC[4,5]是Pompili专为水下通信设计的MAC协议,该协议结合CDMA和闭环分布式算法,设置最佳发射功率和包长度来减少多径效应的影响。UWMAC是第一个针对水下低带宽问题,利用CDMA特性实现多路访问的协议。

2 水下MAC协议

在通信网络中,研究人员最初采用握手协议来解决隐藏终端问题,握手流程如图1所示,但是简单的握手协议并不能完全避免冲突的发生。当发送节点S与接收节点R的距离较近,而可能产生干扰的节点N1距离较远时,由于N1在收到节点R的发出的CTS信号前已经将RTS包发出,这可能导致RTS包与节点R接收的数据包发生冲突,如图2所示。因此,为了避免类似的碰撞发生,握手类多址接入协议需要满足如下两个要求:①RTS包长大于最大传输延时;②CTS包长大于RTS包长加2倍最大传输时延再加上硬件“发送一接收”转换时间[6]。这些条件构成了FAMA协议基础。

图1 握手协议时序图

图2 发生碰撞的握手协议

当传统FAMA协议应用于水声网络时,由于水声网络的延迟远大于陆地基于电磁波网络,因此导致控制包(RTS,CTS)包长过大,发送过长的控制包会大大降低网络效率并增加网络能耗。为了改进FAMA使其能在水声网络应用,Hollins和Mica提出了 Slotted FAMA协议,具体流程如图3所示[7]。Slotted FAMA协议将时间轴划分为若干时隙并规定数据包和控制包只能在时隙开始时刻发送,并通过设计合理的时隙长度避免之前可能产生的碰撞。但这对于传输的数据包的大小有严格的控制,违反条件将导致数据冲突,并且没有明显降低端到端延迟。

图3 Slotted FAMA时序图

基于此,在设计水声通信网络的MAC协议时,需要注意其它一些关键问题:

1) 节点时空不确定性[8]。为了避免MAC层数据包的碰撞,需要注意的是:收、发节点的传输时延不仅和数据包的发送时间有关,还与节点间的距离有关。因此,在设计信道协商方案的时候,不仅需要考虑时间上的分配机制,还需要考虑空间上的节点分布情况来有效降低数据包的碰撞率;

2) 节点能量消耗。在水声通信网络中,节点电量有限且通常电池不能再充电,因此在设计水下MAC协议时需要考虑节点的能量消耗,避免节点多次利用导致的关键节点死亡,延长网络寿命。

考虑到这两个问题,提出的DMMAC协议可以通过节点间的广播,确定节点间的位置距离,计算最佳发送包的长度,进行信息压缩,降低碰撞的概率。同时根据接收端的剩余能量进行通信质量评估,将信道进行优先级排序,动态选择最佳信道。分析和仿真结果表明,DMMAC在网络吞吐量、端到端时延和能量消耗方面都有显著提升。

3 DMMAC协议设计

DMMAC协议是一种基于Slotted FAMA的能量跨层优化的MAC协议。DMMAC包括信息收集与处理、信道选择和数据传输三个阶段。在信息收集与处理阶段,节点通过侦听控制信道确认是否有传输任务,收集邻居节点信息以便后续最佳信道的选择。在信道选择阶段,节点通过RTS/CTS收集数据,根据收集到的信息计算最佳传输包大小,同时根据接收端剩余能量进行通信质量评估,根据应用场景将数据包进行优先级排序,动态选择最佳信道。在数据传输阶段,节点间通过切换数据通道进行数据传输。

如图4所示,发送节点S通过监听信道确认控制信道是否空闲,当控制信道空闲时,节点S发送RTS。RTS包括发送节点的位置信息和剩余能量、接收节点的标识和数据包长度。在接收节点收到RTS后,结合节点本身,根据接收到的信息进行处理,发送CTS给S节点,S节点根据CTS中最佳数据包长度和通信质量评估结果,进行信息压缩。然后,发送节点S和接收节点R都切换到数据通道进行数据传输。在传输完成后,接收节点会广播ACK,邻居节点可以重新进行传输请求。

图4 DMMAC时序图

3.1 最佳包长度

DMMAC协议在信息的收集与处理阶段,通过解析收到RTS中的信息,结合自身节点位置信道,计算最佳数据包的长度,以防传输碰撞。如图5所示,接收速率随着数据包长度的增加而降低,所以选择一个合适的包长度尤为重要。

图5 接收速率和数据包长度之间的关系

图6 传输路径选择示例

发送节点S向接收节点R准备发长度为L的数据包,从开始到接收结束的时间如下

tdelay=ts+ttp+tr

(1)

即总延迟为发送延迟、传输延迟和接收延迟之和。发送延迟、接收延迟和数据包长度、发送速率的关系为

(2)

传输延迟与发送节点S、接收节点R和传播速度的关系为

(3)

当实际传输总延迟小于额外通信传输所需时间时,可以避免发生碰撞

tdelay<2ttp

(4)

基于以上讨论,综合(1)、(2)、(3)、(4)式,得

(5)

当传输数据包长度小于阈值时,可以直接进行数据传输,否则需要先进行数据压缩再传输。

3.2 通信质量评估

在水下通信中,在信道质量较好的情况下才会有较大的吞吐量,但是水下节点的能量是有限的,同个节点经过多次传输,能量会急剧消耗,这很容易导致通信链路中断,降低网络寿命。所以,DMMAC协议通过节点平均能量消耗来进行通信质量评估,动态选择最佳传输路径。因此,通信质量评估可以通过以下公式计算

(6)

表1展示了节点S传输到节点R的所有传输路径。通过式(5)计算S到A的最佳传输方式为S到A2,若最后计算得到的值相同,则通过节点间的位置距离进行判断,优先选择距离较近的节点进行传输。

表1 节点传输过程

4 仿真分析

为评估DMMAC协议的性能,进行了仿真分析,在Aqua-Sim-NG环境中实现了一个完整的网络仿真,并和基于RTS/CTS的MAC和Slotted FAMA进行了比较。在本文中,在50×50×50(km)的区域内随机部署20个水下节点,由于没有考虑到网络维护,还需要设置一些参数,具体仿真参数如表2所示。

表2 仿真参数设置

端到端延迟指数据包从发送到接收的时间,图7展示了三种协议随检测数据量的变化产生的端到端延迟变化的趋势。从图中可以看出,相较于RTS/CTS和Slotted FAMA协议,在检测数据量较低时,DMMAC表现出了较高的端到端延迟,而当检测数据量较高时,DMMAC的端到端延迟比RTS/CTS和Slotted FAMA的端到端延迟变化更稳定。这是因为在检测速率较低时,节点间可以通过直接握手来降低时延,而在检测速率较高时,它需要判断最佳数据包大小来进行压缩处理,从而减少通信次数。

图7 端到端延迟

吞吐量可以详细描述为接收节点收到包的个数和发送节点传输包总数的比率,图8展示了三种协议吞吐量的变化趋势。从图中可以看到,基于RTS/CTS的MAC协议的吞吐量在整体上随着检测数据量的增加而降低,这是因为随着检测数据量的增加,网络负载也会急剧增加,从而导致了数据包冲突率的增加。Slotted FAMA和DMMAC随着检测数据量的增加,吞吐量趋于稳定,这是因为它们通过冲突检测机制或链路质量评估,动态选择了最佳信道,以避免过多的冲突。对比Slotted FAMA和DMMAC可以发现,DMMAC的吞吐量性能要优于Slotted FAMA,这是因为DMMAC综合考虑了节点的能量消耗和通信链路质量,减少了通信次数,提高了网络寿命。

图8 吞吐量

5 结论

本文提出了一种基于能量跨层优化的MAC协商策略DMMAC。DMMAC根据节点距离计算最佳传输包的大小,让发送节点进行数据包的压缩,从而降低碰撞概率。DMMAC在选择传输路径时,考虑了节点的寿命,根据节点平均能量来评估通信质量,通过节点的充分利用有效提高网络通信寿命。仿真结果表明,DMMAC性能要优于基于RTS/CTS的MAC和Slotted FAMA。