利用相對時鐘實現水聲通信網絡時分復用

章佳榮，喬鋼

(哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001)

水聲通信網絡在海洋環境監測、自然災害預警、水下潛器導航、聯合作戰指揮等方面具有廣泛的應用前景［1-3］。但水下設備能量有限且更換不便，數據沖突導致的能量消耗會縮短網絡的生存周期［4］。基于握手機制的CSMA協議雖然可以有效減少沖突的發生，但由于載波傳播速率低，往復握手會增加信息傳播的端到端時延［5-6］。TDMA協議為每個節點分配固定的工作時隙，可以有效地減少沖突、縮短握手信號帶來的傳輸時延［7-8］。但實現TDMA協議需要有嚴格的幀同步時序，而在水聲環境中做到全網時鐘的嚴格同步非常困難，因此無線電中許多成熟的TDMA協議無法直接應用到水聲環境中。文獻［9-10］分別針對特定的星形網絡和分布式網絡，提出適用于水聲通信網絡的TDMA協議，但需要周期地廣播同步信號。文章針對水聲通信網絡實現嚴格的時鐘同步困難、周期廣播同步信號效率低的問題，提出一種基于相對時鐘的TDMA協議(relative time clock based time division multiple access，RTC-TD-MA)。根據主節點與各子節點的距離安排時間表，各節點將時間表映射到本地時鐘上進行工作，不需要全局的時鐘同步，并在數據傳輸過程中完成時鐘漂移修正。

1 網絡拓撲結構

水聲通信網絡的拓撲結構可以分為集中式和分布式2種類型，對于集中式網絡，各節點之間位置相對固定，采用TDMA協議是一種理想的選擇，可以有效縮短握手協議在握手過程中占用的時間。本文提出的基于相對時鐘的TDMA協議基于集中式網絡的應用背景。網絡拓撲結構如圖1所示，由一個主節點(如圖中的O)和若干個子節點(如圖中的A、B、C等)組成，節點位置相對固定。

圖1 網絡拓撲結構Fig.1 Network topology

2 基于相對時鐘的TDMA協議

RTC-TDMA協議的基本思想是各節點將自己的工作時隙映射到本地時鐘上進行工作，避免復雜的全局時鐘同步。同時，在數據傳輸過程中完成時鐘漂移的修正，避免時鐘漂移帶來的數據沖突。協議工作流程分為3部分:時間表注冊、數據傳輸和時鐘漂移修正。

2.1 時間表注冊

時間表注冊包括時延估計與時間表安排兩步驟。

2.1.1 時延估計

進行時延估計的目的是為了對數據發送時刻與接收時刻的交錯布置，提高網絡吞吐量。文章提出的協議中，并不關心子節點之間的傳播時延，只需要主節點與各子節點的傳播時延值。獲取傳播延時的流程如圖2所示。

網絡初始化時，由主節點O向周圍的子節點廣播時間表注冊指令RIS(require initial signal)，并記錄當前時刻ts，子節點i收到RIS指令后，隨機選擇一個時刻發送時間表注冊響應信號CIS(clear initial signal)，CIS中包含i從收到RIS指令到回復CIS信號的時間間隔Δti，主節點收到子節點i回復的CIS信號后記錄當前時刻tri，主節點與子節點i的時延Tdi由下式表示:

子節點回復注冊響應信號CIS在主節點處可能會發生沖突，對于這種沖突，提出如下解決方案:

1)對于未知的網絡，采用多輪注冊的方式。第一輪結束后，主節點提取注冊成功的節點ID號、保留時延信息，并發起第二輪注冊。在發起第二輪注冊的RIS信息中廣播已經注冊成功的節點ID號，注冊成功的節點保持靜默，剩余節點則進行再次注冊。重復此步驟，直到主節點廣播完RIS信號后，沒有收到子節點的注冊信號，認為整個網絡的注冊完成。

2)對于已知的網絡，采用輪詢的方式。主節點根據節點ID輪詢獲取與子節點之間的時延信息。

圖2 傳播時延獲取流程Fig.2 Flow chart of propagation delay acquisition

2.1.2 時間表安排

主節點根據時延值大小對各子節點的工作時刻進行交錯布置，減少空閑等待時間，提高網絡吞吐量，時間表信息如圖3所示。

圖3 時間表信息Fig.3 Time table information

網絡中所有節點采用相同的工作周期T，主節點將安排好的時間表信息廣播給網絡中的所有子節點，子節點收到時間表后，根據ID信息查找本節點的發送時刻調整值tmi，進行本地時鐘映射。

2.2 本地時間軸映射與數據傳輸

子節點以收到時間表的tir時刻為起始時刻，數據發送時刻tis由下式表示:

子節點發送完數據后進入監聽，判斷是否要進行時鐘漂移的修正，監聽時間為Tdi，監聽結束后進入休眠，等到下一個工作周期自動喚醒進入工作狀態，整個過程如圖4所示。

圖4 本地時間軸映射Fig.4 Local timemapping

2.3 時鐘漂移修正

對于由洋流擾動導致節點間距離的變化、本地時鐘精度不同等原因造成的節點工作時鐘漂移，在數據傳輸過程中進行修正。主節點在初始化階段，根據時間表將對應節點的數據接收時刻映射到本地時間軸上，相鄰的數據接收時間段之間留有保護間隔，當數據接收時刻超出對應的臨界范圍時，發送ACK信號通知對應節點在下個周期進行工作時間調整，調整值包含在ACK信號中，反之，則不發送任何信息。圖5所示為主節點時間軸上在一個工作周期內對各個子節點的數據接收窗設置。

圖5 時間表修正Fig.5 Schedule modification

以接收節點i(數據i)為例，按初始化時的時間表安排，數據i應該到達的時刻為t0，數據接收持續時間為Tdata，數據i在安全時間Ts內接收完畢，則不會與相鄰的數據接收產生沖突，安全時間Ts為

則數據i的到達時刻tri在(t0Tg)內時，不與相鄰數據的接收產生沖突，主節點不返回任何信息，反之，則發送ACK通知節點i在下個工作周期進行時間調整，調整值Δtm為

若Δtm＞0，表示接收時刻延后，節點i下個周期工作時間需要提前Δtm;若Δtm＜0，表示接收時刻超前，節點i下個周期工作時間需要延后Δtm。

3 協議性能分析與仿真

3.1 協議性能分析

下面對傳統的CSMA協議和文章提出的RTCTDMA協議進行性能分析與比較。RTC-TDMA協議在進行正常工作之前需要先進行初始化，初始化所需要的時間與網絡規模和所選擇的初始化方式有關。在實際工程應用中，節點布放完成后，整個網絡都需要進行連通性測試和初始化，而RTC-TDMA協議的初始化工作可以在這個階段完成，所以在這里僅比較進入工作狀態后兩種協議的性能。網絡拓撲采用圖1的形式，由1個主節點和N個子節點組成。

3.1.1 端到端時延

端到端時延定義為數據從源節點產生到被目的節點成功接收所花費的時間。選取網絡中任意一個子節點為研究對象，用TRTS、TCTS、TDATA、TACK分別表示節點完成RTS、CTS、DATA、ACK信號編解碼所需要的時間，假定信號編碼與解碼所需時間相同，Tpd表示此子節點與主節點進行通信時信號的傳播時延，Nload表示網絡負載。

僅考慮由于沖突引起的數據重傳，傳統的CSMA協議的端到端時延可以表示為

式中:pn表示進行n次重傳的概率，是關于網絡負載的函數。根據式(5)，CSMA協議的端到端時延與網絡負載有關，網絡負載越大，沖突產生的機率越大，端到端時延越大。

采用RTC-TDMA協議時，平均端到端時延為:

式中:td表示此子節點在網絡時間表中一個周期內的發送時間延遲量，m表示延遲發送的周期個數，C表示RTC-TDMA協議中每個時隙的發送容量，?」表示向下取整，T表示RTC-TDMA協議的工作周期。根據式(6)，RTC-TDMA協議的端到端時延與網絡負載、工作周期和每個發送時隙的發送容量有關，選擇一個合理的工作周期和發送容量是縮短端到端時延的關鍵。

3.1.2 能量消耗

假設節點只包含發送、接收和休眠這3個能耗狀態，其中休眠狀態相比其他2種狀態功率低得多，只考慮發送和接收能耗［10］。用Psnd表示發送功率，Prcv表示接收功率，假設信號的編解碼所需要的時間相同。則CSMA協議完成一次完整的數據包收發需要消耗的能量為

RTC-TDMA協議完成一次完整的數據包收發需要消耗的能量為

比較式(7)和式(8)，采用RTC-TDMA協議完成一次數據傳輸能節省的能量為

3.2 協議性能仿真

為驗證協議的性能，在OMNeT++4.0仿真環境中進行仿真，仿真參數如下:

1)網絡拓撲采用圖1所示的結構，由1個主節點和5個子節點組成，子節點隨機分布在以主節點為中心，半徑1 km的范圍內，節點間通信的最大距離為1 km。

2)能量消耗模型采用WHOI的modem能量模型［11-12］，接收功率為80 mW，發射功率為10W。

3)控制包長為64 bit，數據包長度為256 bit，編解碼速率為200 bit/s。

4)RTC-TDMA協議工作周期為T，主節點時間軸上數據接收時隙與保護間隔之比為10∶1。

5)CSMA協議采用二進制退避算法，最大重發次數為3次。

仿真過程中，分別對網絡的吞吐量、端到端時延、能量消耗進行了統計，得到的結果如下。

圖6所示為CSMA協議與RTC-TDMA協議網絡吞吐量對比曲線，RTC-TDMA協議的周期為60 s。

圖6 吞吐量對比曲線Fig.6 Throughput comparison

從兩者對比來看，RTC-TDMA協議性能整體上優于CSMA協議。在網絡負載較小的情況下，兩者吞吐量比較接近，隨著網絡負載的增加，RTC-TDMA協議的吞吐量要明顯高于CSMA協議。從單條曲線上看，CSMA協議的網絡吞吐量有一個先增加后減少的過程，是因為對CSMA協議來說，隨著網絡負載的增加，在握手成功的情況下可以激勵網絡吞吐量，但沖突的可能性也隨之增加，當網絡負載增加到一定程度后，沖突的抑制作用超過了網絡負載的激勵作用，吞吐量隨著網絡負載的增加而減小。RTC-TDMA協議的吞吐量有一個先增加后平穩的過程，這是因為在RTCTDMA協議中，網絡為每個子節點分配了固定的工作時隙，子節點在每個時隙內的發送容量是有上限的，當網絡負載沒有超過容量上限時，吞吐量隨網絡負載的增加而增加，當超過容量上限時，吞吐量不受網絡負載的影響，進入一個平穩狀態。

圖7 平均端到端時延對比曲線Fig.7 Average end to end delay comparison

圖7所示為CSMA協議與RTC-TDMA協議的平均端到端時延對比曲線。從圖中可以看出，CSMA協議的平均端到端時延隨網絡負載的增加而增大，這是因為網絡負載的增加導致了沖突的加劇，數據重發次數增加，進而導致端到端時延的增加。RTC-TDMA協議的平均端到端時延變化規律與工作周期有關，在仿真中，分別對工作周期為60、30、15 s這3種情況進行了統計，從三者的對比情況來看，在網絡負載較小的情況下，周期越小，平均端到端時延越小，但在網絡負載較大的情況下，周期越大，平均端到端時延越小。這是因為網絡負載較小的情況下，在每個子節點的工作時隙內需要發送的數據量小于發送容量上限，根據式(2)、式(6)和仿真條件，周期越大，空閑等待時間越大，導致端到端時延越大。而在網絡負載較大的情況下，周期小導致每個子節點在每個工作時隙內需要發送的數據量超過發送容量上限，未發送的數據則要等到m個周期后才能被發送，導致端到端時延變大。從總體上來看，RTC-TDMA協議的端到端時延要小于CSMA協議的端到端時延，在使用RTC-TDMA協議時，根據網絡負載和發送容量選擇一個合適的周期是提高性能的關鍵。

圖8為2種協議各發送1 000個數據包消耗的總能量隨網絡負載變化的曲線。從圖中可以看出，CSMA協議在相同的網絡負載條件下發送相同數量的數據包消耗的能量要高于RTC-TDMA協議，并且CSMA協議的能量消耗隨網絡負載的增加而增大，而RTC-TDMA協議相對比較平穩。這是因為CSMA協議在負載增大的情況下，沖突增加，數據重傳導致消耗的能量隨之增加，而RTC-TDMA協議節點都在固定的時隙內工作，產生沖突的機率很小，即使有時鐘漂移，也可以在通信過程中自動進行修正，因此受網絡負載變化的影響較小。

圖8 能量消耗對比曲線Fig.8 Energy consumption comparison

4 實驗驗證

在哈爾濱工程大學的信道水池對協議性能進行了驗證性實驗。實驗采用圖1所示的網絡拓撲結構，由1個主節點和5個子節點組成，由于水池尺寸有限，通過給每個子節點的發送時刻設置不同的時延來模擬子節點與主節點的不同距離。物理層通信采用FSK調制方式，控制包長64 bit，數據包長256 bit。實驗過程中，根據仿真曲線選擇幾組典型的網絡負載進行統計。

圖9 成功接收的數據包數量統計Fig.9 Statistic of successfully received packets

圖9為在不同網絡負載情況下，主節點上對兩種協議成功接收的數據包數量進行統計的結果。每種網絡負載下，兩種協議的統計時間各為1 h。從圖中可以看出，在網絡負載較小的情況下，相同時間內兩種協議成功接收的數據包數量比較接近，隨著網絡負載的增加，RTC-TDMA協議成功接收的數據包數量要遠高于CSMA協議成功接收的數據包數量，與仿真結果中的吞吐量性能曲線一致。由于統計端到端時延比較困難，在實驗中對2種協議在不同網絡負載下發送500組數據所需要的時間進行了統計，結果如圖10所示。

圖10 發送時間統計Fig.10 Statistic of sending time

從整體上看，RTC-TDMA性能優于CSMA協議，但RTC-TDMA協議的發送時間與網絡負載有關。在網絡負載較低的情況下，周期越大，發送空閑等待時間越多，導致發送時間越長，如在周期為60 s時，RTC-TDMA協議的發送時間要大于CSMA協議的發送時間。隨著網絡負載的增加，空閑等待時間時間減少，發送時間縮短。在低網絡負載的情況下，選擇相對較小的工作周期可以獲得較高的性能;在高網絡負載的情況下，選擇相對較大的工作周期可以獲得較高的性能。

圖11 沖突數量統計Fig.11 Statistic of collisions

獲取發送數據實際消耗的能量比較困難，但在前文分析中已經說明成功完成一次相同的數據發送，CSMA協議消耗的能量要高于RTC-TDMA協議，并且數據沖突會導致CSMA協議消耗更多的能量。在實驗過程中，對兩種協議在不同網絡負載下完成500組數據發送產生的沖突數進行了統計，其中RTC-TDMA協議沒有沖突，CSMA協議沖突數統計結果如圖11所示。從圖中可以明顯看出，隨著網絡負載的增加，CSMA協議產生沖突的機率增加，由此導致的數據重傳會增加能量的消耗。

5 結論

文章針對水聲通信網絡時鐘同步困難的問題設計了一種基于相對時鐘的TDMA協議(RTC-TDMA協議)。RTC-TDMA協議不需要嚴格的全網時鐘同步，并可在數據通信過程中完成時鐘漂移的修正。仿真研究與水池實驗表明:

1)在網絡負載較小的情況下，RTC-TDMA協議與傳統的CSMA協議性能比較接近，隨著網絡負載增大，RTC-TDMA協議比傳統的CSMA協議具有更高的吞吐量、更小端到端時延和更低的能耗。

2)RTC-TDMA協議的端到端時延與單位時隙的發送容量和工作周期有關，選擇一個合理的工作周期是降低端到端時延的關鍵。

3)RTC-TDMA協議在低網絡負載的情況下，選擇相對較小的工作周期T可以獲得較高的性能;在高網絡負載的情況下，選擇相對較大的工作周期T可以獲得較高的性能。

RTC-TDMA協議在集中式網絡中可以獲得較高的性能，在分布式網絡中的應用需要進一步研究。另外，在實際應用過程中，對于具體的水聲通信網絡，如何根據網絡規模、信道環境選取一個最優的工作周期T也還需進一步研究。

［1］AKYILDIZ IF，POMPILID，MELODIA T.Underwater acoustic sensor networks:research challenges［J］.Ad Hoc Networks，2005，3(3):257-279.

［2］HOU B，HINTON O R，ADAMSA E，et al.An time-domain-oriented multiple access protocol for underwater acoustic network communications［C］//OCEANS’99 MTS/IEEE.Seattle，USA，1999:585-598.

［3］CAYIRCIE，TEZCAN H，DOGAN Y，et al.Wireless sensor networks for underwater survelliance systems［J］.Ad Hoc Networks，2006，4(4):431-446.

［4］CARDEIM.Energy-efficient scheduling and hybrid communication architecture for underwater littoral surveillance［J］.Computer Communications，2006，29(17):3354-3365.

［5］KEBKAL A，KEBKAL K，KORMAR M.Data-link protocol for underwater acoustic networks［C］//Oceans 2005 Europe.Brest，France，2005:1174-1180.

［6］DENG J，HAN Y S，HAAS Z J.Analyzing split channel medium access control schemes［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2006，5(5):967-971.

［7］楊文，李霞.一種用于水聲通信網的全動態TDMA協議［J］. 東南大學學報:自然科學版，2012，42(1):7-13.YANGWen，LI Xia.A fully dynamic TDMA protocol for underwater acoustic networks［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2012，42(1):7-13.

［8］PARK M K，RODOPLU V.UWAN-MAC:an energyefficientMAC protocol for underwater acoustic wireless sensor networks［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2007，32(3):710-720.

［9］童峰，陸佶人.一種用于水聲通信網的TDMA方案［J］.通信學報，2003，24(4):104-109.TONG Feng，LU Jiren.A TDMA protocol for underwater acoustic network［J］.Journal of China Institute of Communications，2003，24(4):104-109.

［10］HARRISA F，STOJANOVICM，ZORZIM.Idle-time energy savings through wake-up modes in underwater acoustic networks［J］.Ad Hoc Networks，2009，7(4):770-777.

［11］KREDO IIK，MOHAPATRA P.Medium access control in wireless sensor networks［J］.Computer Networks，2007，51(4):961-994.

［12］SYED A A，WEIY，HEIDEMAN J.T-Lohi:a new class of MAC protocols for underwater acoustic sensor networks［C］//27th IEEE Communications Society Conference on Computer Communications.Phoenix，USA，2008:789-797.