智納納，劉廣鐘，徐 明（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

水聲通信網(wǎng)基于載波偵聽多路訪問的MAC協(xié)議*

智納納，劉廣鐘，徐 明
（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

水下環(huán)境的限制，使得水聲傳感網(wǎng)絡(luò)具有一些特別的特點(diǎn)。針對(duì)已存在的水聲通信網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議的不足，如信道利用率低、時(shí)間槽等待空閑時(shí)間、時(shí)間同步的頭部等問題，提出了一種新型的基于載波偵聽多路訪問/無碰撞的MAC協(xié)議——CSMA/CF（Carrier Sense Multiple Access/Collision Free）。該協(xié)議通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，從而使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)具有相同的方向，從而避免沖突。也就是說，按順序的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，該節(jié)點(diǎn)立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而不必等待一個(gè)最大的傳輸延遲。仿真結(jié)果顯示，該協(xié)議在水聲環(huán)境中具有較好的網(wǎng)絡(luò)性能。

水聲傳感網(wǎng)絡(luò)；載波偵聽多路訪問協(xié)議；MAC協(xié)議

0 引言

水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)代海洋國(guó)防安全、海洋資源勘探和開發(fā)、海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)和地震海嘯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要技術(shù)組成部分。近年來，水下傳感網(wǎng)絡(luò)通信取得了很大的進(jìn)展。

水聲通信是物理層技術(shù)。所有的水下通信都是利用水聲，這主要是因?yàn)闊o線電波在導(dǎo)電水體中只能以極低的頻率（30Hz～300 Hz）進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播，光學(xué)信號(hào)的傳輸需要窄帶激光束高精度瞄準(zhǔn)，所以都不適合在水下應(yīng)用［1-2］。在大多數(shù)的水下傳感網(wǎng)絡(luò)中聲波是最合適的水下通信方式。

水下傳感網(wǎng)絡(luò)具有傳播延遲長(zhǎng)、低比特率、易出錯(cuò)的特性［3-4］。水聲通信的傳播速度是1 500m/s，是陸上傳播延遲的5的數(shù)量級(jí)，這種大傳播延遲（0.7s/km）可降低系統(tǒng)的通道吞吐量。可用帶寬由傳輸范圍和頻率決定，當(dāng)前聲通信的性能粗略限制在40km/（kb/s）。水聲信道由于路徑傳輸損耗大、海洋環(huán)境噪聲強(qiáng)、多途徑效應(yīng)嚴(yán)重、多普勒效應(yīng)嚴(yán)重等特點(diǎn)使信道具有易錯(cuò)性。

本文首先列舉了大量的水下傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議和多址接入技術(shù)，然后提出了新型的載波偵聽多路訪問/無碰撞的MAC協(xié)議——CSMA/CF，最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。通過與Slotted FAMA、TDMA相比較，得出該協(xié)議在吞吐量和傳播延遲方面有很大的提高。

1 相關(guān)工作

MAC協(xié)議是多用戶共享信道的基礎(chǔ)，是分組在信道上發(fā)送和接收的直接控制者，因此MAC協(xié)議能否高效、公平地利用有限的信道資源，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能起著決定性作用。陸上的MAC協(xié)議已經(jīng)得到了很好的研究，然而水下聲傳感網(wǎng)絡(luò)的研究由于其水下傳感網(wǎng)絡(luò)的特性的限制遇到了很大的困難。水下傳感網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議可以粗略地分為競(jìng)爭(zhēng)類的MAC協(xié)議和分配類的MAC協(xié)議［5］。在分配類的MAC協(xié)議中，F(xiàn)DMA（頻分多址）、CDMA（碼分多址）和TDMA（時(shí)分多址）是最常用的協(xié)議。

TDMA是在一個(gè)無線載波上把時(shí)間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙就是一個(gè)通信信道，分配給一個(gè)用戶［6］。不同的用戶在各自分配到的不同時(shí)隙上發(fā)生信號(hào)。由于TDMA特別簡(jiǎn)單，因此經(jīng)常被應(yīng)用于水下傳感網(wǎng)絡(luò)。然而，TDMA有3個(gè)缺點(diǎn)：信道利用率低、時(shí)間槽等待空閑時(shí)間和時(shí)間同步的頭部問題。

為了避免沖突，TDMA在水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸完成后必須等待很長(zhǎng)一段時(shí)間（保護(hù)時(shí)間），直到完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳播。如圖1所示，信道利用率是很低的。這是因?yàn)楸Ｗo(hù)間隔的大小與傳播時(shí)延和多徑擴(kuò)展的大小成正比。由于水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳播延遲長(zhǎng)，因此浪費(fèi)在時(shí)間保護(hù)上的時(shí)間導(dǎo)致極低的信道利用率。尤其當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度增加時(shí)，這個(gè)問題更加嚴(yán)重。低信道利用率限制了水聲網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和規(guī)模。

圖1 具有保護(hù)時(shí)間和空閑時(shí)間槽的TDMA數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就空閑出來這個(gè)時(shí)間槽，其他的節(jié)點(diǎn)也不能用這個(gè)時(shí)間槽，這導(dǎo)致信道利用率低，傳播延遲長(zhǎng)。在水下傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，傳播延遲長(zhǎng)是個(gè)很嚴(yán)重的問題。最后，TDMA還要求時(shí)間同步，但是頭部的時(shí)間同步在水下傳感網(wǎng)絡(luò)中是非常昂貴的。

CDMA是一種無沖突的多址技術(shù)，多個(gè)站同時(shí)發(fā)送用不同的擴(kuò)頻碼。接收器可以過濾掉噪聲和信號(hào)的擴(kuò)頻碼，并接收正確的信號(hào)［7］。其缺點(diǎn)是每個(gè)用戶必須在整個(gè)擴(kuò)頻碼碼源上連續(xù)不斷地掃描以發(fā)現(xiàn)相應(yīng)擴(kuò)頻碼的發(fā)送端發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)。在CDMA中，網(wǎng)絡(luò)要求每個(gè)用戶的接收功率必須是相等的，如果每個(gè)站的接收功率不完全相同，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的微弱信號(hào)將被近處節(jié)點(diǎn)的較強(qiáng)信號(hào)所干擾，這就是所謂的遠(yuǎn)近效應(yīng)問題［8］。因此需要引入功率控制算法來盡量減少這一問題帶來的系統(tǒng)性能的惡化。

Slotted FAMA是水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議的代表［9］。Slotted FAMA是在FAMA的基礎(chǔ)上提出來的，時(shí)隙FAMA主要基于信道偵聽，節(jié)點(diǎn)終端總是在對(duì)信道進(jìn)行偵聽，當(dāng)終端沒有數(shù)據(jù)包需要傳輸或者不能對(duì)信道進(jìn)行載波偵聽時(shí)就處于空閑狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包并且沒有偵聽到任何載波時(shí)，它將發(fā)送一個(gè)RTS數(shù)據(jù)包，然后在兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)等待CTS包，如果在此等待期間沒收到CTS，該節(jié)點(diǎn)會(huì)認(rèn)為沖突，然后轉(zhuǎn)為退避狀態(tài)等待幾個(gè)時(shí)隙，等待的時(shí)間隨機(jī)決定，如果在退避周期內(nèi)沒有聽到載波，終端會(huì)再次發(fā)送RTS包，并直到成功接收CTS之后才在下一個(gè)時(shí)隙傳遞DATA數(shù)據(jù)包，如圖2所示。時(shí)隙FAMA也存在3個(gè)缺點(diǎn)：（1）水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制包交換具有很大的傳播延遲；（2）與TDMA類似，時(shí)隙FAMA需要較長(zhǎng)的時(shí)間槽等待空閑時(shí)間；（3）時(shí)間同步成本較大并且很難實(shí)現(xiàn)。

圖2 采用S-FAMA協(xié)議節(jié)點(diǎn)的A和B兩節(jié)點(diǎn)的一次成功握手

2 CSMA/CF

如上面提到的，對(duì)于UWA當(dāng)前MAC協(xié)議有幾個(gè)缺點(diǎn)。非常長(zhǎng)的端到端時(shí)延嚴(yán)重影響了UWA網(wǎng)絡(luò)的性能。TDMA避免碰撞的保護(hù)時(shí)間使等待下一次發(fā)送有較大的傳播延遲問題。Slotted FAMA使得傳播延遲問題更為嚴(yán)重。此外，長(zhǎng)的傳輸延遲使得難以實(shí)現(xiàn)在TDMA和Slotted FAMA協(xié)議中的同步機(jī)制。在CDMA中使用的解決遠(yuǎn)近問題的快速功率控制是難以在高延遲的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的。下面將設(shè)計(jì)一個(gè)方案來解決這些問題。

當(dāng)信號(hào)混合在一起時(shí)，接收機(jī)無法解調(diào)數(shù)據(jù)包沖突發(fā)生?？紤]到發(fā)送的分組的時(shí)間，傳輸?shù)臅r(shí)間可以分為以下兩種情況。

情況A，另一個(gè)載波到達(dá)之前（如圖3所示）節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，兩個(gè)相反的數(shù)據(jù)幀將會(huì)發(fā)生碰撞。

圖3 傳輸時(shí)間在載波通過之前

情況B是載波通過之后節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀（如圖4所示），兩個(gè)具有相同方向的數(shù)據(jù)幀不會(huì)發(fā)生碰撞。

然而TDMA和Slotted FAMA并沒有考慮多載波沒有碰撞的共享信道。TDMA和Slotted FAMA需要等待載體傳播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸才能傳輸數(shù)據(jù)。按照情況B，具有相同方向的數(shù)據(jù)幀不會(huì)發(fā)生碰撞，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，所有節(jié)點(diǎn)按照一個(gè)固定的順序進(jìn)行傳輸，這樣節(jié)點(diǎn)就會(huì)具有相同方向的載波從而不會(huì)發(fā)生碰撞。

圖4 傳輸時(shí)間在載波通過之后

2.1 傳輸順序

對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)的位置可知，可以自己構(gòu)造最短路徑的順序。在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)位置不可知，構(gòu)造最短路徑有一定的困難。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置信息通過水聲節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)目前已被廣泛研究，可以采用多邊定位算法、DV-Hop方法、密度感知的跳數(shù)定位、基于區(qū)域的定位等［10］。

獲得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置之后，在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中要建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸順序列表σ，找出一個(gè)最短路徑能夠減少傳播延遲并具有較高的傳輸效率。

找到一個(gè)最短路徑是一個(gè)遍歷旅行商問題［11］。有很多算法可以解決該類問題，例如貪心算法、遺傳算法、蟻群算法。圖5是利用遺傳算法求得的最短路徑。

圖5 節(jié)點(diǎn)傳輸順序列表

2.2 數(shù)據(jù)包傳輸

首先，建立好傳輸?shù)难h(huán)順序。各站遵循這一順序以一個(gè)循環(huán)的方式進(jìn)行傳輸。當(dāng)一個(gè)站要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，它必須等待輪到它。每個(gè)站上一個(gè)站的數(shù)據(jù)幀傳輸之后立即傳輸數(shù)據(jù)，而不是等待一段最大傳播延遲或保護(hù)時(shí)間。當(dāng)完成傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)立即返回到監(jiān)聽信道狀態(tài)。如圖6所示，節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E5個(gè)節(jié)點(diǎn)建立好傳輸順序，依次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖6CSMA/CF數(shù)據(jù)傳輸過程

當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)正確接收數(shù)據(jù)幀以后，不是立即發(fā)送確認(rèn)幀ACK，而是等到下次循環(huán)輪到自己的傳輸時(shí)間將ACK和數(shù)據(jù)幀一起傳輸。當(dāng)發(fā)送者完成了一輪之后沒有收到ACK，它會(huì)觸發(fā)幀的重傳。

在CSMA/CF中是通過正確的數(shù)據(jù)幀觸發(fā)的。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)在緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，循環(huán)傳輸即將停止。因此為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置空閑超時(shí)計(jì)數(shù)器，首次數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)時(shí)器記錄上一節(jié)點(diǎn)到達(dá)該節(jié)點(diǎn)的時(shí)間作為空閑超時(shí)的初始值。傳輸順序?yàn)樽詈蟮墓?jié)點(diǎn)的計(jì)時(shí)器記錄上一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀到達(dá)該節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，并將該時(shí)間廣播給所有節(jié)點(diǎn)，該時(shí)間作為空閑超時(shí)計(jì)數(shù)器的最大值。以后的傳輸如果節(jié)點(diǎn)在該閾值內(nèi)收到節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，每個(gè)站點(diǎn)仍然發(fā)送自己的數(shù)據(jù)幀。

3 仿真

為了評(píng)估CSMA/CF的性能，選取MATLAB作為仿真工具進(jìn)行仿真，并與先前提到的在UWA網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用的MAC協(xié)議（即TDMA和Slotted FAMA）相比較。

模擬環(huán)境是2km×2km，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)分布在模擬環(huán)境。為了評(píng)估的公平性，盡可能地縮小協(xié)議之間的差異。設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間最大距離不超過100m，那么任意兩點(diǎn)間的傳播時(shí)延可以認(rèn)為在5ms～70ms之間，一般取傳播時(shí)延為0.67ms/m（水中聲音的傳播速率1500m/s）。網(wǎng)絡(luò)帶寬大小是10kb/s，數(shù)據(jù)包大小為4 000bit，ACK數(shù)據(jù)包大小100bit，Slotted FAMA的RTS/CTS數(shù)據(jù)包大小為100bit，Slotted FAMA的沖突窗口大小為7。

3.1 端到端延遲

在該仿真中，測(cè)量了平均的端至端延遲。端至端延遲是指自一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)發(fā)送器的緩沖器中，直到成功地由一個(gè)接收機(jī)接收的持續(xù)時(shí)間。如圖7所示，CSMA/CF具有最低的端到端延遲，其次是TDMA、Slotted FAMA。

圖7 3種協(xié)議傳播延遲對(duì)比

3.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

在該仿真中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量進(jìn)行了調(diào)查。如圖8所示，CSMA/CF協(xié)議整體的吞吐量比TDMA和Slotted FAMA高出很多，主要是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)按序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，消除了部分控制信息的傳輸，降低了端至端的傳播延遲。

4 結(jié)論

本文提出了一個(gè)新的水下傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，CSMA/CF通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)具有相同的方向，從而避免沖突。此外，CSMA/CF減少傳播時(shí)延，從等待整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳播時(shí)延減少到只等待鄰節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延。不同于TDMA，CSMA/CF可避免等待保護(hù)時(shí)間和空閑時(shí)隙并且不需要時(shí)間同步。仿真結(jié)果表明，CSMA/CF在吞吐量、時(shí)延和公平性方面比TDMA和Slotted FAMA有很大的提高。在未來的工作中，將進(jìn)一步研究CSMA/CF協(xié)議在大規(guī)模的多跳式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

A MAC protocol of underwater acoustic sensor networks based on carrier sense multiple access

Zhi Nana，Liu Guangzhong，Xu Ming
（College of Information Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

Due to limitation of the underwater environment，the underwater acoustic sensor networks（UWASN）has some unique features.Regarding the deficiency of the existing MAC protocol for UWASN，low utilization of channel，the time slot idle time waiting，head of time synchronization and other issues，a MAC protocol of UWASN based on Carrier Sense Multiple Access/Collision Free is raised in this paper.By sorting all station in the network，the station transmits data with the same direction to avoid collision.In other words，after sending data by a sequence of nodes，the nodes send data immediately，instead of waiting for the longest transmission delay.The simulation results show that the protocol in UWASN has better network performance.

the underwater acoustic sensor networks（UWASN）；CSMA；MAC protocol

TN929.3

A

1674-7720（2015）18-0062-03

智納納，劉廣鐘，徐明.水聲通信網(wǎng)基于載波偵聽多路訪問的MAC協(xié)議［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（18）：62-64，68.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ 61202370 ） ；上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目（ 12ZZ151 ）