李 莉，李 進，路晨賀，靳曉珂，魏宗博

(1.沈陽化工大學 計算機科學與技術(shù)學院，遼寧 沈陽 110142；2.遼寧省化工過程工業(yè)智能化技術(shù)重點實驗室，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

由于水下環(huán)境復雜多變，水聲通信信道具有長傳播延時、可用帶寬窄、能量受限、多普勒效應及多徑效應明顯等特點[1-5]，使得水聲傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展受到嚴重制約，亟需性能優(yōu)秀的MAC和路由協(xié)議等。高效的MAC協(xié)議可以控制網(wǎng)絡節(jié)點對時間和資源的調(diào)度，減少數(shù)據(jù)沖突，縮短網(wǎng)絡延時，使信道資源得到充分利用[6-8]。

在水聲傳感器網(wǎng)絡中，預約類 MAC 協(xié)議結(jié)構(gòu)復雜，但可以明顯降低數(shù)據(jù)包沖突的概率，提高網(wǎng)絡的吞吐量。目前，預約類MAC協(xié)議的研究主要基于Carrier Sense Multiple Access (CSMA)協(xié)議開展，UW-CSMA/CA[9]協(xié)議是根據(jù)水聲傳感器網(wǎng)絡的特點對陸上CSMA/CA[10]協(xié)議進行的改進，該協(xié)議能夠根據(jù)信道監(jiān)聽結(jié)果和網(wǎng)絡分配矢量Network Allocation Vector (NAV)[11]值確定節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。但是由于該協(xié)議NAV值的設置不能根據(jù)節(jié)點間距離進行調(diào)整，而是簡單地采用網(wǎng)絡中的最大傳播延時進行計算，導致網(wǎng)絡傳播延時比較大[12]。本文針對UW-CSMA/CA協(xié)議的NAV問題進行改進，設計了Adjustable-NAV-MAC(AN-MAC)協(xié)議，以此改善冗余延時問題。

同時，為了使協(xié)議的仿真環(huán)境更加接近實際網(wǎng)絡情況，本文基于NS-Miracle仿真器進行拓展，將NS-Miracle中的Bellhop聲射線模型與世界海洋仿真系統(tǒng)WOSS進行結(jié)合，根據(jù)實際水域環(huán)境數(shù)據(jù)(溫度、聲速剖面及沉積物等)模擬聲波在水下的傳輸特性，仿真水聲傳感器網(wǎng)絡的運行過程，獲取更接近實際情況的仿真數(shù)據(jù)，提高仿真結(jié)果的有效性。

1 UW-CSMA/CA協(xié)議

1.1 UW-CSMA/CA協(xié)議的通信原理

UW-CSMA/CA協(xié)議采用具有物理載波偵聽和虛擬載波偵聽的握手機制，數(shù)據(jù)通信過程包括RTS-CTS-DATA-ACK幾個傳輸階段[13-14]。該協(xié)議的通信過程如圖1所示，S是源節(jié)點，D是目的節(jié)點。

圖1 UW-CSMA/CA協(xié)議的通信過程Fig.1 Communication process of UW-CSMA/CA protocol

在網(wǎng)絡中，當源節(jié)點有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時，應先通過載波偵聽技術(shù)對信道進行偵聽。如果信道繁忙，發(fā)送方則需要進行退避；如果信道空閑，則源節(jié)點發(fā)送RTS控制幀預約信道。當目的節(jié)點接收到RTS，且在以后的一段時間內(nèi)不存在數(shù)據(jù)通信，則向源節(jié)點回復CTS。在源節(jié)點接收到CTS后，立即發(fā)送DATA。目的節(jié)點在接收到源節(jié)點發(fā)送的DATA后，立即回復ACK并結(jié)束此次通信。源節(jié)點接收到ACK后也隨即結(jié)束此次通信。但是當數(shù)據(jù)通信過程發(fā)生異常時，如源節(jié)點未接收到CTS或ACK超時，源節(jié)點則采用NAV機制退避并進行數(shù)據(jù)重傳處理。而對于網(wǎng)絡中的其他鄰節(jié)點，接收到不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包時，將保持靜默，保證此次通信順利完成。

1.2 UW-CSMA/CA協(xié)議的傳輸問題

圖2為UW-CSMA/CA協(xié)議的NAV設置及握手過程。通過RTS，CTS控制幀握手，DATA數(shù)據(jù)幀與ACK確認幀交互，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸。在通信過程中，節(jié)點在偵聽控制幀時，鄰節(jié)點會根據(jù)控制幀中包含的傳輸時間設置NAV，然后在偵聽到新的控制幀時更新NAV。而源節(jié)點與目的節(jié)點間的傳播延時也是設置NAV的必要條件。以設置UW-CSMA/CA協(xié)議的NAVCTS為例，目的節(jié)點接收到CTS幀后，節(jié)點間還需要進行3次幀的傳播，分別為目的節(jié)點返回CTS幀，源節(jié)點發(fā)送DATA數(shù)據(jù)，接收節(jié)點返回確認ACK，且經(jīng)過2個幀間間隙。則NAVCTS設置為CTS幀、DATA和ACK幀三者之間傳播延時與DATA數(shù)據(jù)及ACK幀傳輸時間的總和。

圖2 NAV設置及握手過程Fig.2 NAV configurations and handshake process

如圖2所示，鄰節(jié)點根據(jù)偵聽到CTS設置相應的NAV，具體實現(xiàn)如下：

(1)

式中，Tmp_delay為網(wǎng)絡節(jié)點間的最大傳播延時；SIFS為幀間間隙。

由于該協(xié)議不獲取網(wǎng)絡中節(jié)點的位置信息，式中Tmp_delay被設置為網(wǎng)絡中節(jié)點間的最大傳播延時。由于網(wǎng)絡中各節(jié)點的位置不同，節(jié)點間的距離均小于或等于最大距離，節(jié)點間的傳播延時一定小于或等于最大傳播延時。因此，采用最大延時作為退避時間將會使網(wǎng)絡中的整體延時加大，降低了網(wǎng)絡的吞吐量。針對以上問題，本文對NAV設置方式進行了改進，采用節(jié)點間距離計算節(jié)點間實際延時替換最大延時來降低節(jié)點退避時間，該協(xié)議稱為AN-MAC協(xié)議，其NAV設置及握手過程如圖3所示。

圖3 AN-MAC協(xié)議的NAV設置以及握手過程Fig.3 NAV configurations and handshake process of AN-MAC protocol

由圖3可以看出，圖中的Tap_delay為源節(jié)點到目的節(jié)點的實際傳播延時，它可以通過修改RTS/CTS幀結(jié)構(gòu)，根據(jù)節(jié)點間距離及水聲傳播速度等方式進行計算和存儲，其小于圖2中的最大傳播延時Tmp_delay，采用Tap_delay代替Tmp_delay來計算NAV，具體實現(xiàn)如下：

(2)

2 AN-MAC協(xié)議的實現(xiàn)

本文主要對UW-CSMA/CA協(xié)議的傳輸機制以及NAV取值問題進行分析，通過調(diào)節(jié)NAV對節(jié)點間通信時的退避時間進行分配，提出了一種根據(jù)實際距離分配NAV的方法——AN-MAC協(xié)議，將傳統(tǒng)的NAV確定方法結(jié)合節(jié)點距離測定算法進行改進，用來解決鄰節(jié)點NAV配置冗余問題，從而降低網(wǎng)絡整體的延時，提高網(wǎng)絡吞吐量。

為實現(xiàn)AN-MAC協(xié)議中NAV的設置，對UW-CSMA/CA協(xié)議做出如下具體改進：

(1) 幀結(jié)構(gòu)

修改RTS幀和CTS幀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，在RTS幀和CTS幀中添加時間存儲站字段，該字段是為了計算源節(jié)點與目的節(jié)點間的傳輸時間差，即2節(jié)點間的實際傳播延時Tap_delay。具體操作：在源節(jié)點發(fā)送RTS幀時記錄當前時刻Ti，當目的節(jié)點發(fā)送CTS控制幀時記錄當前時刻Tk，在時間存儲字段中記錄2節(jié)點單次傳播延時Tap_delay，其為Tk與Ti的算術(shù)差。

考慮鄰居節(jié)點沖突問題，建立了鄰居節(jié)點NAV表，由于協(xié)議需要源節(jié)點的CTS/ACK的發(fā)送信息才能管理鄰居NAV表，因此將附加字段(即發(fā)送節(jié)點地址)添加到CTS/ACK。

圖4 AN-MAC協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)Fig.4 Frame structure of AN-MAC protocol

(2) 協(xié)議通信過程

AN-MAC協(xié)議的具體通信過程如圖5所示。

源節(jié)點開始建立通信時，以源節(jié)點與目的節(jié)點間的實際傳播延時Tap_delay來計算NAVRTS，這樣NAVRTS被記錄在RTS幀中，監(jiān)測到RTS幀的所有節(jié)點會通過RTS中的NAVRTS來進行自身NAV的計算，NAVRTS的計算如下：

NAVRTS=4Tap_delay+3SIFS+TCTS+TDATA+TACK。

(3)

圖5 AN-MAC協(xié)議的通信過程Fig.5 Communication process of AN-MAC protocol

當目的節(jié)點接收到RTS幀后，讀取其中的NAVRTS，并根據(jù)時間存儲站計算出Tap_delay，然后目的節(jié)點發(fā)送CTS幀時會獲取RTS中的Tap_delay進行NAVCTS的計算，NAVCTS的計算如式(4)所示。對于DATA幀以及ACK幀的NAV確定也是在Tap_delay基礎上進行的。當其他節(jié)點偵聽到CTS幀時，會在NAVCTS基礎上進行更新。

NAVCTS=3Tap_delay+2SIFS+TDATA+TACK。

(4)

在接收到CTS幀之后，源節(jié)點能夠獲取Tap_delay，并在此基礎上計算TDATA，然后源節(jié)點將包含TDATA的數(shù)據(jù)包DATA發(fā)送給目的節(jié)點。目的節(jié)點接收到來自源節(jié)點的DATA數(shù)據(jù)包后，其他的鄰節(jié)點已經(jīng)根據(jù)接收到RTS幀和DATA幀中的數(shù)據(jù)將它們的NAV值更新。若目的節(jié)點與源節(jié)點相距較小，則根據(jù)Tap_delay計算得出新的NAVRTS值也會小于NAVRTS，節(jié)點取消其當前的NAV計時器，并使用TDATA(式(5))重啟它們。

NAVDATA=2Tap_delay+SIFS+TACK。

(5)

最后，目的節(jié)點返回NAVACK=0，傳輸范圍內(nèi)的其他節(jié)點清除NAV配置開始重新爭用信道。

節(jié)點間的實際傳播延時計算如下：

(6)

式中，Tap_delay為實際傳播延時，單位為s；l為傳播距離，單位為m；Vs_speed為聲波在海水中的傳播速度，單位為m/s。

由于Tap_delay≤Tmp_delay，使AN-MAC整體傳輸NAV更接近實際，同時，計算更精確。

在接下來的現(xiàn)場測評環(huán)節(jié)，63名選民代表參加了投票?！皟?yōu)秀票57票，稱職票5票，基本稱職票1票，不稱職票0票，總體評價為優(yōu)秀?！辨?zhèn)人大主席宣布測評結(jié)果的話音剛落，會場響起了熱烈的掌聲，李興軍緊張的神情才稍稍放松了下來。

3 MAC協(xié)議仿真及結(jié)果分析

本文將世界海洋仿真系統(tǒng)[15](World Ocean Simulation System，WOSS)與聲射線模型Bellhop[16]結(jié)合對NS-Miracle[17](Multi-Interface Cross-Layer Extension Library for the Network Simulator)的水聲傳輸信道進行擴展，使擴展后的 NS-Miracle 仿真系統(tǒng)能夠更準確地模擬實際水聲網(wǎng)絡的相關(guān)特性[18]。

本文基于擴展后的NS-Miracle仿真系統(tǒng)對UW-CSMA/CA協(xié)議與本文提出的AN-MAC進行仿真對比分析。典型的水下傳感器網(wǎng)絡分為集中式的拓撲結(jié)構(gòu)、分布式拓撲結(jié)構(gòu)和鏈式多跳拓撲結(jié)構(gòu)[19]。本文仿真采用如圖6所示的鏈式多跳拓撲結(jié)構(gòu)，仿真實驗中相鄰節(jié)點間距離為1 000 m，通信系統(tǒng)模型采用BPSK，網(wǎng)絡層采用靜態(tài)路由。其他仿真參數(shù)設置如表1所示。

圖6 網(wǎng)絡仿真拓撲Fig.6 Network simulation topology diagram

表1 網(wǎng)絡仿真參數(shù)設置

衡量網(wǎng)絡性能的指標通常包括吞吐量、延時、誤碼率、能耗等。由于AN-MAC協(xié)議在UW-CSMA/CA 的基礎上對NAV的設置進行改進，所以仿真著重對歸一化吞吐量和網(wǎng)絡平均延時進行分析。

仿真實驗設置每個節(jié)點的發(fā)包周期在15～200 s，共進行了11組仿真實驗，每組實驗重復10次并取平均值，實驗分組情況如表2所示。

表2 網(wǎng)絡節(jié)點平均發(fā)包周期

根據(jù)仿真結(jié)果計算每次仿真的平均吞吐量和平均延時，為了方便比較協(xié)議的性能，對平均吞吐量做了如式(7)所示的歸一化處理:

(7)

式中，τn為歸一化吞吐量；τ為網(wǎng)絡平均吞吐量；t為發(fā)包周期；Lp為以字節(jié)為單位的包長。

AN-MAC協(xié)議與UW-CSMA/CA協(xié)議的歸一化吞吐量對比如圖7所示。

圖7 歸一化吞吐量仿真結(jié)果對比Fig.7 Comparison of normalized throughput simulation results

從圖7可以看出，隨著節(jié)點發(fā)包率的增加，歸一化吞吐量總體呈下降趨勢，當平均發(fā)包率較低時，網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包較少，網(wǎng)絡容量足夠，數(shù)據(jù)包沖突概率較低，因此二者網(wǎng)絡平均吞吐量未呈現(xiàn)明顯差異。當平均發(fā)包率120～140 b/s時，數(shù)據(jù)包傳輸達到網(wǎng)絡負荷，沖突概率明顯增大，隨著發(fā)包率上升，二者歸一化吞吐量差異逐漸明顯。但是總體上AN-MAC協(xié)議的歸一化吞吐量要高于UW-CSMA/CA協(xié)議。

圖8 平均延時仿真結(jié)果對比Fig.8 Comparison of average delay simulation results

以上仿真結(jié)果表明，AN-MAC協(xié)議根據(jù)節(jié)點間的實際距離計算和分配NAV，可以減少網(wǎng)絡的平均延時，從而提高歸一化吞吐量。當網(wǎng)絡中負載變大達到極限時，協(xié)議的性能會明顯變差，網(wǎng)絡的傳輸延時明顯上升，吞吐量下降，但是總體看來，在延時和吞吐量方面，AN-MAC協(xié)議相對于UW-CSMA/CA協(xié)議均有所改善，對信道利用率的提高有一定幫助。

4 結(jié)束語

本文對水聲傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議進行了研究，分析了基于RTS/CTS握手機制的沖突避免MAC協(xié)議UW-CSMA/CA中NAV值設置帶來的延時冗余問題，并對其進行了改進，提出了一種按節(jié)點實際距離計算和分配NAV的AN-MAC協(xié)議。根據(jù)節(jié)點間的實時距離計算出實際的傳播延時來代替最大傳輸延時，用其確定各節(jié)點的NAV值，進而減少冗余延時。為了提高仿真結(jié)果的有效性，將Bellhop信道模型和世界海洋系統(tǒng)結(jié)合對AN-MAC協(xié)議和UW-CSMA/CA協(xié)議進行了仿真。結(jié)果表明，AN-MAC協(xié)議在歸一化吞吐量和平均延時方面較UW-CSMA/CA均有改善，提高了網(wǎng)絡中的吞吐量，減少了網(wǎng)絡延時，對信道資源的利用率有所提高。