海麗萍+王宏云

摘 要 水聲網(wǎng)絡(luò)（UAN）一般由海底傳感器節(jié)點(diǎn)、自動(dòng)化水下載體和作為網(wǎng)關(guān)向岸上基站提供無(wú)線電通信鏈路的水面基站連接組成。UAN研究領(lǐng)域的一個(gè)重要難點(diǎn)是研究可以減小能量損耗和降低時(shí)間、空間和頻率對(duì)淺海信道傳輸信號(hào)影響的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。文章提出了淺海水聲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，并對(duì)它進(jìn)行了仿真。

關(guān)鍵詞 水聲網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議；Mac協(xié)議；Macaw協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）205-0146-02

在過(guò)去的幾十年里，水聲通信的研究和工程應(yīng)用迅速增長(zhǎng)，過(guò)去主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)逐步擴(kuò)展到了商業(yè)領(lǐng)域。水聲網(wǎng)絡(luò)（UAN）一般由海底傳感器節(jié)點(diǎn)、自動(dòng)化水下載體和作為網(wǎng)關(guān)向岸上基站提供無(wú)線電通信鏈路的水面基站連接組成[ 1 ]。

UAN研究領(lǐng)域的一個(gè)重要難點(diǎn)是研究出可以減小能量損耗和降低時(shí)間、空間和頻率對(duì)淺海信道傳輸信號(hào)影響的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文提出了淺海水聲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，并對(duì)它進(jìn)行了仿真。

1 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

UAN的設(shè)計(jì)通常以分層結(jié)構(gòu)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這三層分級(jí)結(jié)構(gòu)是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。物理層主要負(fù)責(zé)通信通道中邏輯信息（比特0和1）到傳輸信號(hào)的轉(zhuǎn)變。在接收終端，物理層負(fù)責(zé)檢測(cè)出被噪聲干擾的信號(hào)和其他信道的失真信號(hào)，并把信號(hào)轉(zhuǎn)換回邏輯比特。在網(wǎng)絡(luò)層中選擇合適的通道即尋找從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑并開(kāi)始信息交換。

數(shù)據(jù)鏈路層主要有兩個(gè)功能：幀編碼和誤差糾正控制。幀編碼意味著定義一個(gè)包含信息頻率、位同步、源地址、目標(biāo)地址以及其他控制信息的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議又被分為兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制（LLC）協(xié)議和媒體訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議。

1.1 邏輯鏈路控制協(xié)議

在邏輯鏈路控制子層，我們通過(guò)執(zhí)行一個(gè)停止或等待自動(dòng)重復(fù)檢索（ARQ）協(xié)議來(lái)檢測(cè)誤差和請(qǐng)求重傳錯(cuò)誤幀。源節(jié)點(diǎn)A在發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)之前等待一個(gè)來(lái)自目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的回執(zhí)（ACK）。如果在預(yù)置暫停時(shí)間內(nèi)沒(méi)接收到回執(zhí)，A重傳這幀數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)幀來(lái)回傳播的時(shí)間段內(nèi)，信道保持空閑。在全雙工通信鏈路，如果節(jié)點(diǎn)A在等待ACK時(shí)連續(xù)傳送相同的數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)絡(luò)吞吐量可以增大。

當(dāng)接收數(shù)據(jù)幀有錯(cuò)誤時(shí)，需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀，因此實(shí)際延時(shí)絕對(duì)大于Tt。

1.2 媒介訪問(wèn)控制子層

數(shù)據(jù)鏈路層最關(guān)鍵的技術(shù)就是媒體訪問(wèn)控制（MAC）。它的作用是平均分配存在競(jìng)爭(zhēng)和高吞吐量節(jié)點(diǎn)之間的信道資源。帶沖突避免的多址接入（MACA）協(xié)議利用兩個(gè)叫做請(qǐng)求/發(fā)送（RTS）和清除/發(fā)送（CTS）的信號(hào)幀來(lái)檢測(cè)沖突。它是MAC子層的常用協(xié)議。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)A想要發(fā)送信息到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B時(shí)，它會(huì)首先發(fā)出一個(gè)RTS命令。如果節(jié)點(diǎn)B收到RTS，它則會(huì)發(fā)送回一個(gè)CTS命令。如果節(jié)點(diǎn)A沒(méi)有在預(yù)定時(shí)間內(nèi)接收到CTS，它將重新發(fā)送RTS。只要節(jié)點(diǎn)A一收到CTS，它就立刻開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)幀[2]。任何監(jiān)聽(tīng)到CTS的其他節(jié)點(diǎn)將會(huì)延遲一個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的時(shí)間來(lái)避免沖突。

MACAW協(xié)議是MACA協(xié)議的改良版，它提高了UAN的性能和可靠性。

1.2.1 退避計(jì)數(shù)器的改進(jìn)

源節(jié)點(diǎn)發(fā)送攜帶退避計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)幀，接收數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)復(fù)制退避計(jì)數(shù)器的值。在數(shù)據(jù)幀傳輸完成后，所有退避計(jì)數(shù)器的值都還原成最小值。同時(shí)，MACAW協(xié)議用乘法增加線性減少（MILD）算法來(lái)代替二進(jìn)制指數(shù)算法。在MILD算法中，當(dāng)數(shù)據(jù)幀每次發(fā)生沖突時(shí)，退避計(jì)數(shù)器將會(huì)線性增加1.5倍從x到Bomax，在傳輸成功后，退避計(jì)數(shù)器將會(huì)從1秒衰減到最小的Bomax。

1.2.2 監(jiān)控幀和ACK幀的增加

在MACAW協(xié)議中，作為信道握手的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生交換，利用RTS-CTS-DS-DATA-ACK幀替代。

DS幀用來(lái)確定暴露節(jié)點(diǎn)和RTS-CTS握手成功與否。在單個(gè)信道中，暴露節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)RTS-CTS在節(jié)點(diǎn)A和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B之間成功處理時(shí)，源節(jié)點(diǎn)A首先發(fā)送DS幀，然后節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)幀到B。除了B之外接收到DS幀的其他節(jié)點(diǎn)是暴露節(jié)點(diǎn)，它們將延遲數(shù)據(jù)幀傳輸。如果暴露節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到RTS幀而沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)到DS幀，那么RTS或者CTS將發(fā)生沖突，它將立刻發(fā)送數(shù)據(jù)，從而提高信道的利用率。

如果節(jié)點(diǎn)A沒(méi)有收到節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的CTS，它將在超時(shí)后轉(zhuǎn)播RTS。如果節(jié)點(diǎn)A一直沒(méi)有收到數(shù)據(jù)，則退避計(jì)數(shù)器值增加。如果節(jié)點(diǎn)A收到ACK，則退避計(jì)數(shù)器值減少。如果節(jié)點(diǎn)A收到CTS，則退避計(jì)數(shù)器值不變。

MACAW協(xié)議的主要優(yōu)勢(shì)是通過(guò)添加DS幀部分解決隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題并且減少了數(shù)據(jù)幀之間的沖突。在信道誤碼率較高的情況下，加入ACK幀可以增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量。MILD退避算法提升了節(jié)點(diǎn)共享信道資源的公平性。在高負(fù)載情況下，MACAW協(xié)議將會(huì)增加吞吐量并提高資源分配的公平性。

2 UAN設(shè)計(jì)

我們研究的淺海水聲通信網(wǎng)絡(luò)大約在100m左右深度。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播的水聲數(shù)據(jù)一般是經(jīng)過(guò)多信道反射的傳播。

水聲網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)包括一個(gè)主網(wǎng)點(diǎn)和多個(gè)子網(wǎng)點(diǎn)。兩個(gè)網(wǎng)點(diǎn)之間的直線距離增大到750m。每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)都有4個(gè)功能：收集水下數(shù)據(jù)；接收數(shù)據(jù)；發(fā)送數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。主網(wǎng)點(diǎn)可以通過(guò)海上中繼器或者岸上基點(diǎn)來(lái)上載數(shù)據(jù)。子網(wǎng)點(diǎn)可以和其他網(wǎng)點(diǎn)在海底進(jìn)行通信，但只能通過(guò)主網(wǎng)點(diǎn)上載重要數(shù)據(jù)。

在離散網(wǎng)點(diǎn)對(duì)之間的UAN是異步半雙工通信，可用帶寬是8kHz～15kHz。在網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的理想數(shù)據(jù)傳輸率是100bit/s。在最遠(yuǎn)距離情況下，最小信噪比SNR是20dB。

每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的平均時(shí)間滿(mǎn)足7s泊松分布。

3 仿真結(jié)果

在UAN的仿真過(guò)程中，衡量網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計(jì)量主要有平均吞吐量和終端對(duì)終端時(shí)延。平均吞吐量的定義是每單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)量。終端對(duì)終端的時(shí)延是在數(shù)據(jù)到達(dá)源網(wǎng)點(diǎn)之后完成一個(gè)MACAW協(xié)議的時(shí)間間隔。這里忽略數(shù)據(jù)在網(wǎng)點(diǎn)的排隊(duì)時(shí)間。

平均吞吐量定義的是每單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)量。流量負(fù)荷是指每秒鐘被提供到網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的數(shù)量。在流量負(fù)荷到達(dá)每秒105個(gè)數(shù)據(jù)包之前，吞吐量逐漸地增大。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)吞吐量保持恒定。此時(shí)如果繼續(xù)增加流量負(fù)荷，系統(tǒng)的吞吐量則開(kāi)始減少。

終端對(duì)終端時(shí)延隨著流量負(fù)荷的增加而迅速增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)完成，時(shí)延保持不變。當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)附近的其他網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生擁塞時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量減少，系統(tǒng)也將減少時(shí)延。這主要是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的高度擁塞，導(dǎo)致沒(méi)有足夠的時(shí)間完成傳輸任務(wù)，從而發(fā)送數(shù)據(jù)包丟失。

4 結(jié)論

本文討論了數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和UAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。這些協(xié)議只能部分解決隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題。通過(guò)仿真，本文認(rèn)為通過(guò)增加系統(tǒng)的流量負(fù)荷可以改變平均吞吐量和終端對(duì)終端的時(shí)延。同時(shí)，在水下信道中，它們還會(huì)受低速率、高延時(shí)、能量受限等因素的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]John G.Proakis et al，“Shallow Water Acoutis Networks”，IEEE Communications

[2]Magazine.Vol.39，November，2001：114-119.endprint