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(jì)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(diǎn)接入信道問(wèn)題為目標(biāo)設(shè)計(jì)[1-3].保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)面臨以下挑戰(zhàn)[7].

1.1 傳播時(shí)延長(zhǎng)

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(shí)延很大.因此在設(shè)計(jì)水聲MAC協(xié)議時(shí)必須要考慮時(shí)延影響.數(shù)據(jù)的傳輸和確認(rèn)導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完數(shù)據(jù)后等待確認(rèn)的時(shí)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(shí)空不確定性

在陸地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)中，在同一時(shí)刻，如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息給同一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，那么接收節(jié)點(diǎn)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(shí)延大以及數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)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(duì)于時(shí)空不確定性問(wèn)題，通過(guò)合理安排數(shù)據(jù)的傳輸，可以改善網(wǎng)絡(luò)的性能[1].見(jiàn)圖1.

圖1 時(shí)空不確定性Figure 1 spatial-temporal uncertainty

1.3 多節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)

在基于握手的水聲MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)對(duì)通過(guò)發(fā)送控制包來(lái)進(jìn)行對(duì)信道的預(yù)約[12]，但是由于水聲傳播速度慢以及時(shí)空不確定問(wèn)題的影響，當(dāng)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)，節(jié)點(diǎn)的控制包的發(fā)送導(dǎo)致信道擁擠，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的控制包，將會(huì)放棄本次預(yù)約過(guò)程，從而導(dǎo)致信道預(yù)約的成功率低，需要對(duì)傳統(tǒng)的水聲握手MAC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)以適用于水聲網(wǎng)絡(luò).

2 基于握手機(jī)制的輪詢附加傳輸MAC協(xié)議研究

由于多節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的存在將大大影響網(wǎng)絡(luò)的性能，提出基于握手機(jī)制的輪詢附加傳輸MAC協(xié)議(HPA-MAC)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)制改善多節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，并通過(guò)利用時(shí)間不確定降低端到端時(shí)延.

2.1 無(wú)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(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送NTF的時(shí)間可以由前一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間計(jì)算得到：

(4)

如果第m個(gè)附加節(jié)點(diǎn)發(fā)送NTF時(shí)間滿足式(5)關(guān)系，即NTF的發(fā)送干擾了發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收CTS控制包，則需要推遲NTF的發(fā)送時(shí)間.

(5)

即：

(6)

為了避免干擾CTS控制包的接收，第m個(gè)附加節(jié)點(diǎn)的NTF包被發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收推遲到CTS接收之后，因此可以通過(guò)CTS的接收時(shí)間計(jì)算第m個(gè)附加節(jié)點(diǎn)的NTF包發(fā)送時(shí)間：

(7)

2.2 鄰居節(jié)點(diǎn)輪詢數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

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

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

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

1)由于收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸有兩種情況，因此第一個(gè)附加節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間計(jì)算也有兩種情況：

(a) 收發(fā)節(jié)點(diǎn)雙向傳輸

第一個(gè)附加節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要避免數(shù)據(jù)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)S和接收節(jié)點(diǎn)R處發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，同時(shí)保證數(shù)據(jù)到達(dá)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)間盡可能早.

首先可以計(jì)算出雙向傳輸階段所需要的時(shí)間：

DBI=DCR+DUCR

(8)

(9)

Ddata+dS,R+dguard

(10)

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

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

(11)

第一個(gè)附加節(jié)點(diǎn)為了避免干擾發(fā)送/接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的接收，發(fā)送時(shí)間必須滿足：

(12)

(b) 收發(fā)節(jié)點(diǎn)單向傳輸

第一個(gè)附加節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要避免發(fā)送節(jié)點(diǎn)還在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)以及接收節(jié)點(diǎn)在接收時(shí)到達(dá).

(13)

(14)

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

(15)

Ddata+dguard+di-1,S]

(16)

(17)

為了保證發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收第個(gè)(i-1)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包與接收第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包不產(chǎn)生沖突，且第(i-1)個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包在第i個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間不能在第1個(gè)附加節(jié)點(diǎn)之前發(fā)送，那么第i個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間可以確定：

di-1,S-di,S)

(20)

根據(jù)上述分析，各個(gè)附加節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間可以計(jì)算得到，附加節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的時(shí)間發(fā)送可以避免數(shù)據(jù)包碰撞.

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)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(diǎn)都能相互通信.仿真數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為1 200比特，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為10個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.4 kb/s，數(shù)據(jù)包最大生存時(shí)間為100 s，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生服從泊松分布.對(duì)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(fù)載的增長(zhǎng)不斷增長(zhǎng)，ALOHA-AN的吞吐量存在飽和現(xiàn)象.HPA-MAC協(xié)議的吞吐量?jī)?yōu)于ALOHA-AN和BiC-MAC協(xié)議，這是因?yàn)镠PA-MAC針對(duì)于握手協(xié)議中傳輸方式進(jìn)行改進(jìn)，HPA-MAC允許網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(shí)延.可以看到在負(fù)載小于0.18 pkts/s時(shí)，ALOHA-AN協(xié)議的時(shí)延最小；在負(fù)載大于0.18 pkts/s時(shí)，HPA-MAC協(xié)議的時(shí)延最小.在小負(fù)載時(shí)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(shí)延較大.隨著負(fù)載的增長(zhǎng)，HPA-MAC一次成功握手能夠發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包，因此時(shí)延降低.

圖6 端到端時(shí)延Figure 6 End to end delay

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了水聲通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)提高信道利用率的機(jī)制.通過(guò)使用RTS偵聽(tīng)和競(jìng)爭(zhēng)比較機(jī)制有效提高網(wǎng)絡(luò)握手的成功效率，計(jì)算控制包的發(fā)送時(shí)間避免了碰撞；在數(shù)據(jù)傳輸階段通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)輪詢并行傳輸機(jī)制使得吞吐量大大提升，并有效降低了高負(fù)載下的時(shí)延.仿真驗(yàn)證了協(xié)議的有效性.