水声通信网基于载波侦听多路访问的MAC协议

摘 要： 水下环境的限制，使得水声传感网络具有一些特别的特点。针对已存在的水声通信网络的MAC协议的不足，如信道利用率低、时间槽等待空闲时间、时间同步的头部等问题，提出了一种新型的基于载波侦听多路访问/无碰撞的MAC协议——CSMA/CF（Carrier Sense Multiple Access/Collision Free）。该协议通过对网络中的所有节点进行排序，从而使网络中的节点在发送数据帧时具有相同的方向，从而避免冲突。也就是说，按顺序的上一个节点发送完数据之后，该节点立即发送数据，而不必等待一个最大的传输延迟。仿真结果显示，该协议在水声环境中具有较好的网络性能。

0 引言

水下声传感器网络是当代海洋国防安全、海洋资源勘探和开发、海洋环境立体监测和地震海啸监测系统中的重要技术组成部分。近年来，水下传感网络通信取得了很大的进展。

水声通信是物理层技术。所有的水下通信都是利用水声，这主要是因为无线电波在导电水体中只能以极低的频率（30 Hz~300 Hz）进行远距离传播，光学信号的传输需要窄带激光束高精度瞄准，所以都不适合在水下应用[1-2]。在大多数的水下传感网络中声波是最合适的水下通信方式。

水下传感网络具有传播延迟长、低比特率、易出错的特性[3-4]。水声通信的传播速度是1 500 m/s，是陆上传播延迟的5的数量级，这种大传播延迟（0.7 s/km）可降低系统的通道吞吐量。可用带宽由传输范围和频率决定，当前声通信的性能粗略限制在40 km/（kb/s）。水声信道由于路径传输损耗大、海洋环境噪声强、多途径效应严重、多普勒效应严重等特点使信道具有易错性。

本文首先列举了大量的水下传感网络的MAC协议和多址接入技术，然后提出了新型的载波侦听多路访问/无碰撞的MAC协议——CSMA/CF，最后进行了仿真实验。通过与Slotted FAMA、TDMA相比较，得出该协议在吞吐量和传播延迟方面有很大的提高。

1 相关工作

MAC协议是多用户共享信道的基础，是分组在信道上发送和接收的直接控制者，因此MAC协议能否高效、公平地利用有限的信道资源，对网络性能起着决定性作用。陆上的MAC协议已经得到了很好的研究，然而水下声传感网络的研究由于其水下传感网络的特性的限制遇到了很大的困难。水下传感网络MAC协议可以粗略地分为竞争类的MAC协议和分配类的MAC协议[5]。在分配类的MAC协议中，FDMA（频分多址）、CDMA（码分多址）和TDMA（时分多址）是最常用的协议。

TDMA是在一个无线载波上把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户[6]。不同的用户在各自分配到的不同时隙上发生信号。由于TDMA特别简单，因此经常被应用于水下传感网络。然而，TDMA有3个缺点：信道利用率低、时间槽等待空闲时间和时间同步的头部问题。

为了避免冲突，TDMA在水下声传感器网络中要求每个节点传输完成后必须等待很长一段时间（保护时间），直到完成整个网络信号的传播。如图1所示，信道利用率是很低的。这是因为保护间隔的大小与传播时延和多径扩展的大小成正比。由于水下声传感器网络的传播延迟长，因此浪费在时间保护上的时间导致极低的信道利用率。尤其当节点密度增加时，这个问题更加严重。低信道利用率限制了水声网络的应用和规模。

当一个节点没有数据要发送，就空闲出来这个时间槽，其他的节点也不能用这个时间槽，这导致信道利用率低，传播延迟长。在水下传感网络的应用中，传播延迟长是个很严重的问题。最后，TDMA还要求时间同步，但是头部的时间同步在水下传感网络中是非常昂贵的。

CDMA是一种无冲突的多址技术，多个站同时发送用不同的扩频码。接收器可以过滤掉噪声和信号的扩频码，并接收正确的信号[7]。其缺点是每个用户必须在整个扩频码码源上连续不断地扫描以发现相应扩频码的发送端发送给自己的数据。在CDMA中，网络要求每个用户的接收功率必须是相等的，如果每个站的接收功率不完全相同，远端节点的微弱信号将被近处节点的较强信号所干扰，这就是所谓的远近效应问题[8]。因此需要引入功率控制算法来尽量减少这一问题带来的系统性能的恶化。

Slotted FAMA是水下声传感器网络的基于竞争的协议的代表[9]。Slotted FAMA是在FAMA的基础上提出来的，时隙FAMA主要基于信道侦听，节点终端总是在对信道进行侦听，当终端没有数据包需要传输或者不能对信道进行载波侦听时就处于空闲状态。当一个节点需要发送数据包并且没有侦听到任何载波时，它将发送一个RTS数据包，然后在两个时隙内等待CTS包，如果在此等待期间没收到CTS，该节点会认为冲突，然后转为退避状态等待几个时隙，等待的时间随机决定，如果在退避周期内没有听到载波，终端会再次发送RTS包，并直到成功接收CTS之后才在下一个时隙传递DATA数据包，如图2所示。时隙FAMA也存在3个缺点：（1）水下声传感器网络在源节点和目的节点进行控制包交换具有很大的传播延迟；（2）与TDMA类似，时隙FAMA需要较长的时间槽等待空闲时间；（3）时间同步成本较大并且很难实现。

2 CSMA/CF

如上面提到的，对于UWA当前MAC协议有几个缺点。非常长的端到端时延严重影响了UWA网络的性能。TDMA避免碰撞的保护时间使等待下一次发送有较大的传播延迟问题。Slotted FAMA使得传播延迟问题更为严重。此外，长的传输延迟使得难以实现在TDMA和Slotted FAMA协议中的同步机制。在CDMA中使用的解决远近问题的快速功率控制是难以在高延迟的环境中实现的。下面将设计一个方案来解决这些问题。

当信号混合在一起时，接收机无法解调数据包冲突发生。考虑到发送的分组的时间，传输的时间可以分为以下两种情况。

情况A，另一个载波到达之前（如图3所示）节点发送数据帧，两个相反的数据帧将会发生碰撞。

情况B是载波通过之后节点发送数据帧（如图4所示），两个具有相同方向的数据帧不会发生碰撞。

然而TDMA和Slotted FAMA并没有考虑多载波没有碰撞的共享信道。TDMA和Slotted FAMA需要等待载体传播到整个网络传输才能传输数据。按照情况B，具有相同方向的数据帧不会发生碰撞，对网络中的所有节点进行排序，所有节点按照一个固定的顺序进行传输，这样节点就会具有相同方向的载波从而不会发生碰撞。

2.1 传输顺序

对网络中的节点进行排序，静态的网络拓扑中节点的位置可知，可以自己构造最短路径的顺序。在动态网络中，节点位置不可知，构造最短路径有一定的困难。

网络节点的位置信息通过水声节点定位技术实现，该技术目前已被广泛研究，可以采用多边定位算法、DV-Hop方法、密度感知的跳数定位、基于区域的定位等[10]。

获得每个节点的相对位置之后，在动态网络中要建立一个节点传输顺序列表，找出一个最短路径能够减少传播延迟并具有较高的传输效率。

找到一个最短路径是一个遍历旅行商问题[11]。有很多算法可以解决该类问题，例如贪心算法、遗传算法、蚁群算法。图5是利用遗传算法求得的最短路径。

2.2 数据包传输

首先，建立好传输的循环顺序。各站遵循这一顺序以一个循环的方式进行传输。当一个站要发送一个数据帧时，它必须等待轮到它。每个站上一个站的数据帧传输之后立即传输数据，而不是等待一段最大传播延迟或保护时间。当完成传输时，节点立即返回到监听信道状态。如图6所示，节点A、B、C、D、E 5个节点建立好传输顺序，依次进行数据传输。

当接收节点正确接收数据帧以后，不是立即发送确认帧ACK，而是等到下次循环轮到自己的传输时间将ACK和数据帧一起传输。当发送者完成了一轮之后没有收到ACK，它会触发帧的重传。

在CSMA/CF中是通过正确的数据帧触发的。如果一个节点在缓冲区中没有数据包需要发送，循环传输即将停止。因此为每个节点配置空闲超时计数器，首次数据传输，每个节点的计时器记录上一节点到达该节点的时间作为空闲超时的初始值。传输顺序为最后的节点的计时器记录上一节点的数据帧到达该节点的时间，并将该时间广播给所有节点，该时间作为空闲超时计数器的最大值。以后的传输如果节点在该阈值内收到节点发来的数据帧，每个站点仍然发送自己的数据帧。

3 仿真

为了评估CSMA/CF的性能，选取MATLAB作为仿真工具进行仿真，并与先前提到的在UWA网络已应用的MAC协议（即TDMA和Slotted FAMA）相比较。

模拟环境是2 km×2 km，每个节点被随机分布在模拟环境。为了评估的公平性，尽可能地缩小协议之间的差异。设定网络中任意两个节点间最大距离不超过100 m，那么任意两点间的传播时延可以认为在5 ms~70 ms之间，一般取传播时延为0.67 ms/m（水中声音的传播速率1500 m/s）。网络带宽大小是10 kb/s，数据包大小为 4 000 bit，ACK数据包大小100 bit，Slotted FAMA的RTS/CTS数据包大小为100 bit，Slotted FAMA的冲突窗口大小为7。

3.1 端到端延迟

在该仿真中，测量了平均的端至端延迟。端至端延迟是指自一个数据包到达发送器的缓冲器中，直到成功地由一个接收机接收的持续时间。如图7所示，CSMA/CF具有最低的端到端延迟，其次是TDMA、Slotted FAMA。

3.2 网络吞吐量

在该仿真中，对网络的最大吞吐量进行了调查。如图8所示，CSMA/CF协议整体的吞吐量比TDMA和Slotted FAMA高出很多，主要是因为节点按序进行数据传输，消除了部分控制信息的传输，降低了端至端的传播延迟。

4 结论

本文提出了一个新的水下传感网络的MAC协议并进行了仿真实验，CSMA/CF通过对网络中的所有节点进行排序，使网络中的节点发送数据帧时具有相同的方向，从而避免冲突。此外，CSMA/CF减少传播时延，从等待整个网络的传播时延减少到只等待邻节点的传播时延。不同于TDMA，CSMA/CF可避免等待保护时间和空闲时隙并且不需要时间同步。仿真结果表明，CSMA/CF在吞吐量、时延和公平性方面比TDMA和Slotted FAMA有很大的提高。在未来的工作中，将进一步研究CSMA/CF协议在大规模的多跳式拓扑结构中的应用。

参考文献

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