基于交叉傳輸的水聲通信網絡MAC協議

張 曦 ，閆 濤 ，王紅衛 ，鐘永信

（1.空軍工程大學航空航天工程學院 西安 710038；2.空軍第一航空學院 信陽 464000；3.94850部隊 衢州 324000）

1 引言

隨著海洋開發和海洋安全技術等的快速發展，水聲通信網絡在海洋數據采集、環境監測、災難預警與軍事安全等多方面獲得應用，引起了學術界和工業界的高度關注[1～3]。然而水聲信道具有復雜多變、傳輸時延長、可用帶寬窄、多徑和多普勒效應嚴重等需要克服的難點，同樣也是水聲通信網絡研究的熱點。

水聲傳感器網絡的 MAC協議通常分為基于競爭和基于分配兩類。基于競爭的MAC協議要求節點采用競爭的方式獲取信道，因此不可避免地會產生信息沖突，從而導致網絡能量的浪費，其主要包括ALOHA、CSMA、MACA協議及其改進；基于分配的MAC協議通過對信道資源進行提前分配，可有效地避免數據沖突，其主要包括FDMA、CDMA和TDMA協議。由于水聲信道的可用帶寬非常有限，FDMA采用頻帶分割的方法并不適用于水聲通信網絡的應用；CDMA則因擴頻碼字的使用，一方面降低了數據信息的傳輸效率，另一方面出現了難以克服的遠近效應問題。Chirdchoo N等人提出的Aloha-AN協議[4]能夠減少數據沖突，提高吞吐量。參考文獻[5]提出了基于MACA的多跳網絡協議，但該方法應用范圍非常有限。參考文獻[6]的方法是采用每個節點隨機選擇時機發送同步信息，該協議利用小占空比減少數據沖突，僅適用于低數據率的情況應用。Molins和Stojanovic提出的Slotted FAMA[7]協議采用時隙分配和握手機制減少沖突的發生，但時隙的增加會導致吞吐量的降低。參考文獻[8]利用握手機制和CDMA技術減少數據沖突，但該方法在水聲信道有限的帶寬條件下會影響數據的吞吐量。

TDMA對系統時間進行時隙劃分，通過調度節點在不同時隙內收發數據，避免了數據碰撞且具有節能特性。然而傳統的TDMA協議通常要求節點在每個周期內只發送一次數據，在長傳輸時延的水聲網絡環境下，將導致極低的信道利用率。為了解決該問題，本文提出了交叉傳輸的TDMA（interleaving TDMA，I-TDMA）協議，該協議首先針對三節點網絡進行設計，利用水聲信道長傳輸時延的特點，采用數據分組交叉傳輸的方法，提高了信道資源利用率；同時引入了拓撲擴展和循環同步機制，可適用于節點數量較多的環型或矩型網絡結構，具有良好的系統擴展性；最后通過仿真驗證了I-TDMA協議的有效性。

2 傳統TDMA協議

傳統的TDMA協議為時域劃分的多址接入方式，網絡中的每個節點被分配不同的時隙，節點數量以及時隙長度決定了TDMA協議的周期T。當屬于某一個節點的時隙來臨時，該節點發送數據分組，同時為了避免數據沖突，TDMA協議通常要求每個節點在一個周期內僅發送一次數據信息。

傳統的TDMA協議結構如圖1所示，網絡由 A、B、C 3個節點組成，并且彼此之間的距離相等。按TDMA協議的方法給每個節點分配一個發送時隙，在水聲通信網絡中，時隙長度Ts應包含數據分組的發送時間tdata和節點間的傳輸時延τ。現在，節點A、B和C在各自分配的時隙分別發送數據分組給節點B、C和A，相應的接收節點接收數據信息，而非接收節點則會同時受到數據干擾。例如當節點A發送數據分組給B時會對節點C產生干擾，因為節點C并不需要節點A的數據。根據傳統的TDMA協議，其信道利用率δ1可以表示為:

在長傳輸時延的水聲信道環境中，通常有τ>>tdata，因此導致傳統的TDMA協議信道利用率較低。

圖1 傳統的TDMA協議結構

3 I-TDMA協議設計

3.1 基本思想

為了克服傳統TDMA協議信道利用率低的問題，本文提出了I-TDMA協議。首先通過兩節點數據雙向交換引入I-TDMA的基本思想。考慮節點A與B正在進行雙向數據交換，為了便于說明，假設兩個節點具有相同的數據分組發送時間tdata，并且知道節點間的傳輸時延τ，然后可以計算:

其中，[·]表示取整函數。

兩節點間的數據雙向交換結構如圖2所示，節點通過周期性地發送數據分組以改善信道利用率。根據水聲信道的長傳輸時延，在一個時間周期里，節點A和B可發送一連串的數據分組，同時為了避免數據沖突，節點發送的數據分組數量不能超過k個，在延時τ之后，每個節點開始接收對方的數據分組序列。由于傳輸時延τ不一定恰好是數據分組發送時間tdata的整數倍，因此在節點的發送序列和接收序列之間將存在著Δτ的空余時間。綜上所述，采用數據分組雙向交換的方式，信道利用率可以表示為:

根據式（2）和式（3）的計算得知 0≤Δτ＜tdata，當 Δτ=0時，可實現最高的信道利用率100%，明顯高于傳統TDMA協議的信道利用率。

圖2 兩節點數據雙向交換

3.2 協議描述

根據兩個節點數據雙向交換的思想，考慮如何在水聲通信網絡情況下高效地收發數據。以三節點網絡為例，觀察圖1發現，由于水聲信道的長傳輸時延，使得在每個節點分配的時隙中存在著大量的空閑時間。I-TDMA協議充分利用這些空閑時間交叉傳輸更多的數據分組，在不引起數據碰撞的情況下提高了信道利用率。因為I-TDMA以T為周期進行循環數據發送，下面描述該協議在一個周期內的執行步驟。

（1）與傳統的 TDMA 協議相同，每個節點 i(i=1，2，3)首先在自己分配時隙的開始時刻發送第一個數據分組，并將該時刻記為ti1。

（2）為了避免與接收節點的數據發送產生沖突，節點i在自己分配的時隙內采用間隔tdata的方式增加發送數據分組，且在該時隙內最多增加的數據分組數量m由節點間的傳輸時延τ決定，即有:

其中，[·]為取整函數。進而可以得到節點i發送第j個數據分組的開始時刻為:

其中，1≤j≤m+1。

（3）節點在步驟（1）和步驟（2）中已經發送了 m+1 個數據分組，I-TDMA協議的目標是讓每個節點在一個周期內發送k+1（k按式（2）計算得到）個數據分組，剩余的k-m個數據分組通過相應接收節點的分配時隙進行發送，同時要避開接收節點的發送時間，因此節點i發送剩余k-m個數據分組的開始時刻為:

其中，m+2≤j≤k+1。

下面以圖3為例說明I-TDMA協議的執行過程。此時設數據分組的發送時間為tdata，節點間的傳輸時延τ=3.5tdata，通過式（2）、式（3）和式（5）的計算可以得到 k=3、Δτ=0.5tdata和m=1。根據I-TDMA協議的執行步驟，每個節點在其分配時隙內，采用間隔tdata的方式共能發送m+1=2個數據分組，如節點A在第一個時隙發送了數據分組A1和A2，延時τ后分別在節點B和C上形成數據接收和數據干擾時間。然后剩余的k-m=2個數據分組通過接收節點的分配時隙進行發送，如數據分組A3和A4在節點B的分配時隙進行發送。這里注意，數據分組A4的發送時間在數據分組B1的干擾時間內，但由于節點A不需要B的數據，因此并不影響A此時的數據發送。此外，由于節點的發送時間存在著周期對稱關系，圖3中將數據分組C3和C4的發送時間移入第一個時隙，以便于更好地說明節點間的數據交叉傳輸而不會造成信息沖突。

對比圖1和圖3發現，傳統的TDMA協議在一個時間周期內，每個節點只能發送一個數據分組，而I-TDMA協議

圖3 I-TDMA協議示意

如果Δτ=0，I-TDMA協議的信道利用率將達到100%。

3.3 拓撲擴展

考慮到實際的水聲通信網絡應用中，由3個節點組成的網絡覆蓋范圍非常有限，因此在保留I-TDMA協議工作原理的基礎上，對網絡拓撲結構進行擴展。I-TDMA協議拓撲擴展的基本原則是網絡節點能構成一個封閉式的環路，每個節點具有兩個相鄰的節點，同時要求網絡中的節點數量為3的整數倍，且節點間的距離相等。

根據上述的擴展原則，圖4和圖5給出了兩個典型的網絡拓撲擴展結構，分別為環型拓撲和矩型拓撲。以圖4為例，節點 A1，B1，C1，A2，B2，C2，…，An，Bn，Cn組成了一 個環型網絡，共包含3n個節點，每個節點的通信范圍為其相鄰的兩個節點，且鄰節點間均具有相同的距離。為了符合三節點網絡中高效數據分組收發的方式，將環型拓撲中的節點劃分為n組，每一組中包含Ai、Bi和 Ci3個節點，這3個節點的時隙分配和數據分組交叉傳輸方式分別對應于三節點網絡中的節點A、B和C，這樣網絡中的每一組節點可同時進行數據收發，從而提高網絡的吞吐量。與三節點網絡不同的是，環型拓撲中節點Ai并非接收Ci的數據，而是接收節點Ci-1的數據 （節點A1接收Cn的數據除外），但由于所有的Ci節點均具有相同的數據分組發送時間，因此并不影響I-TDMA協議的執行，數據分組通過在時間軸上進行數據分組交叉傳輸，允許每個節點發送k+1個數據分組，因此極大地改善了信道利用率，其表示為:的交叉傳輸將不造成信息沖突。同樣，圖5中的矩型拓撲結構情況類似。

圖4 I-TDMA環型拓撲擴展

圖5 I-TDMA矩型拓撲擴展

3.4 循環同步

在基于TDMA的水聲通信網絡MAC協議中，節點間的時鐘同步顯得尤為重要。然而由于時鐘漂移等因素的影響，給網絡同步帶來了一定的困難。I-TDMA協議控制節點在指定時間收發數據，為了避免相鄰的數據信息產生沖突，要求網絡中節點的時間具有統一性。

根據I-TDMA協議拓撲擴展的特點，采用周期性循環同步的方法完成節點間的時鐘同步。首先在網絡中選擇某個節點作為時間參考節點，以該節點的時間為基準用于校正其他節點的時鐘。如圖4中的環型拓撲網絡，不失一般性，選擇節點A1為參考節點，根據網絡中節點的時鐘穩定程度，節點A1每隔一定的協議周期T發送同步信息給其接收節點B1，當B1收到該同步信息，調整自己的時鐘與A1一致；然后節點B1選擇其最近的數據發送時刻轉發同步信息給節點C1，如果此時節點B1仍然有數據要發送，則采取同步信息優先發送的原則，暫時延遲該數據分組的發送。依次類推，節點C1完成時鐘校正之后發送同步信息給其接收節點A2，直到同步信息到達最后的節點Cn。因此，只要網絡結構滿足I-TDMA協議拓撲擴展要求，均可以采用循環同步方法對網絡中的節點進行時鐘同步。

4 I-TDMA協議性能仿真

4.1 仿真條件

I-TDMA協議仿真采用靜態的環型拓撲結構，如圖4所示，網絡節點數N分別選取為3個、6個和9個，數據分組采用逆時針傳輸方式，即前一個節點發送數據給后一個節點。相鄰節點間距分別設置為2 km和5 km，每個節點的通信范圍為其鄰近的兩個節點。數據分組長度固定為 1000 bit，同步信息的長度為100 bit。網絡每隔一定的協議周期T進行節點時鐘同步，同步間隔分別為T、5T和10T。節點收、發機的數據率采用1000 bit/s，聲信號在水中的傳播速率為1500 m/s。每個節點按泊松分布產生數據，節點的數據分組隊列最大存儲空間為5個數據分組，在隊列已滿的情況下新產生的數據分組將被丟棄。

4.2 結果分析

I-TDMA協議的仿真過程具體分為3個部分。首先比較了節點數量對網絡吞吐量的影響，以說明I-TDMA協議拓撲擴展的有效性；其次分析了不同的同步間隔對網絡吞吐量和同步開銷的影響；最后對節點間距分別為2 km和5 km情況下的I-TDMA協議和傳統的TDMA協議在吞吐量、同步開銷和時延方面進行仿真比較，仿真結果如圖6～圖11所示。

I-TDMA協議以3個節點為一組對網絡拓撲進行擴展，圖6給出了節點間距為2 km、同步間隔為5T情況下，不同的網絡拓撲擴展程度引起吞吐量的變化。從圖中可以看出，吞吐量隨著節點負載的增加而增大，當負載增加到一定程度時，網絡吞吐量達到飽和狀態且趨于恒定值。同時網絡的吞吐量也隨著節點數量的增加而增大，原因是I-TDMA協議進行拓撲擴展后，各組節點在互不干擾的前提下可同時進行數據傳輸，因此使得網絡的吞吐量增大，這也說明了I-TDMA協議可在三節點網絡的基礎上進行拓撲擴展且具有良好的可擴展性。在接下來的仿真中均固定網絡的節點數量N=9。

圖6 節點數量對網絡吞吐量的影響

圖7 同步間隔對網絡吞吐量的影響

圖8 同步間隔對同步開銷的影響

圖9 I-TDMA和TDMA協議吞吐量比較

圖10 I-TDMA和TDMA協議同步開銷比較

圖11 I-TDMA和TDMA協議時延比較

圖7和圖8分別給出了節點間距為2 km的條件下，變化同步間隔對網絡吞吐量和同步開銷的影響。網絡同步間隔越長，節點發送同步信息的時間越少，則有更多的時間用于發送數據分組，從而提高網絡的吞吐量并降低同步開銷。觀察圖8發現，當網絡負載較低時，節點發送同步信息的比例較大，導致較高的同步開銷；而隨著負載的增加，發送的數據分組數量增多，使得同步開銷迅速降低。此外，同步間隔為5T和10T的情況下，I-TDMA協議均能保持較高的吞吐量和較低的同步開銷，而采用5T的同步間隔使得網絡時鐘校正周期更短，節點同步更加精確，因此設定同步間隔為5T用于后續的仿真。

圖9比較了I-TDMA和傳統TDMA協議的吞吐量。由于I-TDMA協議利用了水聲信道長傳輸時延的特性，采用了數據分組交叉傳輸的方法，因此獲得更高的吞吐量，在2 km和5 km節點間距情況下，最大吞吐量分別提高了約125%和375%。進一步觀察發現，傳統的TDMA協議時隙長度與節點間距成正比，導致網絡的吞吐量隨著節點間距的增加而降低；而I-TDMA協議在5 km條件下的吞吐量要高于2 km的情況，這是因為△τ空閑時間的存在，使得節點間距為5 km時I-TDMA協議的信道利用率更高，從而獲得更高的網絡吞吐量。

圖10為I-TDMA和TDMA協議的同步開銷比較。當網絡節點負載較低時，I-TDMA和TDMA協議具有相同的同步開銷，隨著負載的增大，I-TDMA協議中的節點通過在單位時間內交叉傳輸更多的數據分組，可得到更低的同步開銷。另外在低負載區域，節點間距為2 km的協議周期要小于5 km的協議周期，從而導致2 km的同步開銷更高；在高負載區域，不同的節點間距并不影響傳統TDMA協議的同步開銷，因為在相同周期內節點發送的數據分組數和同步信息數的比例固定，而5 km條件下I-TDMA協議具有更高的信道利用率，因此同步開銷低于2 km的情況。

圖11給出了兩個協議的時延比較。在低負載區域，時延主要由數據分組的傳輸時延所引起；當網絡吞吐量達到飽和，數據分組在隊列中較長的等待時間導致數據分組時延迅速增大。傳統的TDMA協議在節點間距較遠的情況下，需要更長的數據分組傳輸時間和等待時間，從而使得時延隨著節點間距的增加而增大；I-TDMA協議盡管在節點間距為5 km時傳輸時延更長，但較高的信道利用率縮短了數據分組在發送隊列中的等待時間，因此在高負載區域網絡時延略小于2 km的情況。

5 結束語

傳統的TDMA協議通過調度節點在不同時隙內收發數據，避免了數據碰撞且具有節能特性，然而由于水聲信道的長傳輸時延，使得TDMA協議的信道利用率較低。針對該問題本文提出了交叉傳輸的MAC協議（I-TDMA），它利用水下環境長傳輸時延的特性，采用數據分組交叉傳輸的方法改善信道利用率，同時引入了拓撲擴展和循環同步機制，增強了網絡系統的可擴展性。仿真結果表明，該協議相比傳統的TDMA協議減少了數據分組時延以及同步開銷，在節點間距為2 km和5 km的情況下，最大吞吐量分別提高了約125%和375%。

1 Chitre M,Shahabudeen S,Stojanovic M.Underwater acoustic communications and networking:recent advances and future challenges.Marine Technology Society Journal,2008,42(1):103～116

2 Pompili D,Akyildiz I F.Overview of networking protocols for underwater wireless communications.IEEE Communications Magazine,2009,47(1):97～102

3 Aldawibi O.A review of current routing protocols for Ad Hoc underwater acoustic networks.The First International Conference on Applications of Digital Information and Web Technologies,Ostrava,Czech,2008:431～434

4 Chirdchoo N,Soh W S,Chua K C.Aloha-based MAC protocols with collision avoidance for underwater acoustic networks.IEEE INFOCOM’07,Anchorage,USA,2007:2271～2275

5 Chirdchoo N,Soh W S,Chua K C.MACA-MN:A MACA-based MAC protocol for underwater acoustic networks with packet train for multiple neighbors，Proceedings of VTC,Singapore,2008

6 Park M K,Rodoplu V.UWAN-MAC:an energy-efficient MAC protocol for underwater acoustic wireless sensor networks.IEEE Journal of Oceanic Engineering,2007（32）:710～720

7 Molins M,Stojanovic M.Slotted FAMA:a MAC protocol for underwater acoustic networks.Proceedings of IEEE OCEANS’06 Asia Conference,Singapore,2006

8 Meng T,Shi H S,Wang Y.A MAC protocol for underwater sensor networks.Proceedings of the Eighth ICEMI,Xi'an，China,2007:144～148