摘  要： 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。

　　關(guān)鍵詞： 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（30 Hz~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1 500 m/s，是陸上傳播延遲的5的數(shù)量級(jí)，這種大傳播延遲（0.7 s/km）可降低系統(tǒng)的通道吞吐量?？捎脦捰蓚鬏敺秶皖l率決定，當(dāng)前聲通信的性能粗略限制在40 km/（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。

　　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)。

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。

　　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。

　　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，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。

　　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、E 5個(gè)節(jié)點(diǎn)建立好傳輸順序，依次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　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2 km×2 km，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100 m，那么任意兩點(diǎn)間的傳播時(shí)延可以認(rèn)為在5 ms~70 ms之間，一般取傳播時(shí)延為0.67 ms/m（水中聲音的傳播速率1500 m/s）。網(wǎng)絡(luò)帶寬大小是10 kb/s，數(shù)據(jù)包大小為   4 000 bit，ACK數(shù)據(jù)包大小100 bit，Slotted FAMA的RTS/CTS數(shù)據(jù)包大小為100 bit，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。

　　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。

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