基于最優窗口的水聲網絡MAC協議研究

張錦燦，陳衛東，王大宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于最優窗口的水聲網絡MAC協議研究

張錦燦，陳衛東，王大宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要海洋水聲信道的復雜性和多變性會對水聲網絡中的介質訪問控制協議性能造成影響。為更好地適應水聲環境，對水聲網絡中基于競爭窗口的MAC協議進行改進，提出了基于最優窗口的MAC協議以及窗口值的優化策略，利用開源平臺NS-3對其進行仿真，分析得出了水聲網絡節點數量、通信帶寬和數據包大小與最優窗口大小之間的關系。仿真結果表明，在最優窗口下水聲網絡的吞吐量得到了顯著提升，這一結論將為今后構建水聲網絡提供理論基礎和數據支撐。

關鍵詞水聲網絡；介質訪問控制協議；最優窗口

Research on MAC Protocol of Underwater Acoustic Network Based on Optimal-window

ZHANG Jin-can，CHEN Wei-dong，WANG Da-yu

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe complexity and variability of oceanic acoustic channel have great influence on the performance of Media Access Control (MAC) protocol of Underwater Acoustic Network (UAN).To be better adapted to underwater circumstance,a strategy of optimal-window has been proposed to improve the performance of MAC protocol based on Contention Window (CW).By using the open source network simulation platform NS-3,the relationship between the optimal-window and the number of nodes,communication bandwidth and size of packet is analyzed in an underwater circumstance.The simulation result shows that in optimal-window,the throughput of UAN is evidently improved.The result provides the data support and a solid theoretical basis for building UANs in the future.

Key wordsUAN;MAC;optimal-window

0引言

水聲網絡將水下獨立節點進行組網融合，達到信息互通和共享的目的，突破了單節點監控范圍和處理能力的限制，可以實現水下監聽、情報采集以及多節點的聯合測向、定位等功能，在軍事、民用領域都有廣闊的發展前景[1,2]。但是，海洋信道的高時延、低速率、復雜多途以及多普勒效應嚴重的特點[3]使得傳統的MAC協議無法適用于水聲網絡。

MAC協議是保證網絡高效通信的關鍵協議之一，它是水聲網絡(UAN)4層結構中數據鏈路層(DLL)的一部分，介于網絡層和物理層之間，基本任務是控制各網絡節點對通信信道的使用，在保證公平性的同時兼顧吞吐量和延遲等性能指標[4]。近年來針對水聲網絡不同特性，研究和提出了很多專用MAC協議。隨機接入型的ALOHA協議控制幀數量少，適合應用在水下低負載網絡環境； T-Lohi協議[5]針對水聲網絡攜帶能量有限、通信帶寬窄設計，能夠實現較高的信道利用率和穩定的吞吐率,并且能在一定程度上減少能量的消耗,延長水聲網絡的生存時間；MACAW[6]協議通過引入握手和預約信道機制來降低水聲網絡中數據包之間的沖突，最終提高系統吞吐量和各個節點接入信道的公平性；以上協議均未考慮水聲網絡中嚴重的數據包沖突問題，本文提到的CW-MAC[7]協議及其優化策略，專門針對水聲網絡數據包碰撞沖突率高、水聲信道高時延、低速率特性設計，通過引入競爭窗口和隨機回退機制，可顯著降低沖突，進而提升水聲網絡吞吐量。

1CW-MAC協議

CW-MAC協議是對著名的ALOHA協議的改進，在ALOHA協議中，任何網絡節點在有數據要發送時，立即發送，無需考慮數據幀碰撞、信道監測等因素。研究發現[8,9]，ALOHA協議在網絡負載較小時性能較好，能夠達到合理的吞吐量和時延，但隨著系統負載的增加，尤其是在超過18.4%這一門限值后，數據幀之間的碰撞愈發頻繁，系統性能迅速惡化。

針對這一問題，CW-MAC協議中提出的解決措施是引入競爭窗口和隨機回退機制，即設置一個初始化為0的CW(競爭窗口)值，時間片長度σ(保證節點在一個σ內可以檢測信道占用狀況)，當節點需要發送數據時，隨機地在0~CW-1選取一個值N，同時啟動時間為N*σ的計時器，在計時器到期時立即發送數據。如果發送數據產生碰撞，則將CW值加倍，繼續重復這一過程，直到數據發送成功，將CW值置為零。CW-MAC協議有限狀態機如圖 1所示。

圖1　CW-MAC協議有限狀態機

傳統的CW-MAC協議下，競爭窗口越大，隨機退避機制解決沖突的能力就越強，在使用較大的窗口值時，選擇相同隨機退避時間的可能性大大減小。一方面，輕負載情況下，小的窗口值保證了較小的時延；另一方面，重載情況下，隨機等待時間隨著沖突產生次數增加指數遞增，降低了沖突發生的概率。該機制的引入雖然最終結果是數據沖突的概率降低,但是處理過程中頻繁改變窗口值，無形中增加了節點等待時間，造成資源浪費，影響到系統吞吐量。

本文通過仿真發現，由于水聲通信環境的復雜性，其高時延和時變、空變特性使得在窗口值較小時碰撞和錯誤發生的概率依然較大。因此，提出基于最優窗口值的改進措施。具體方法是通過分析仿真數據,找到數據包大小、通信速率和節點數量三大變量對最優窗口值CWopt的影響，直接在協議運行最初將窗口值設置為最優。由于避開了小窗口值時隨機回退收益較小的初級階段，使得數據包沖突在協議運行最初即降為最低，能夠降低通信時延，進而增加系統吞吐量。

2NS-3仿真平臺

在現代通信網絡技術的研究中，對協議和設備的驗證、測試以及設計、開發中，需要先進的網絡模擬技術，現在常用的網絡模擬器主要有OPNET、OMNeT++[10]和NS-3[11,12]。綜合仿真速度、可靠性和易用性等多種因素，本文采用NS-3作為仿真平臺進行分析。NS-3的最大優勢在于其模塊都采用C++編寫，結合tutorial和大量的示例代碼，很容易上手。NS-3的仿真腳本支持2種語言，C++和Python，易用性和可擴展性都很好。NS-3的基本模型如圖2所示。

圖2　NS-3 基本模型

一次完整的仿真流程可以概括如下：應用層產生數據，利用Socket仿真程序實現數據分組的向下傳遞進入TCP/IP協議棧，層層封裝、逐層下發，最終到達網絡設備，在形成比特流，通過具有某種傳輸特性的信道傳輸給目的節點。目的節點接收到比特流，按規則合成數據幀，再從下往上逐層轉交并解封裝，最后經由傳輸層的端口號轉交給相應的應用程序。

3仿真結果及分析

仿真中，系統為Linux發行版Ubuntu12.04LTS,NS-3使用的版本是ns-allinone-3.23。本文使用到的仿真場景中,水聲網絡節點分布在70 m水深處，時間片長度σ=0.2 s。單次仿真持續時間100 s,為了確保得到的數據有效可靠，每100 s即對實驗拓撲進行重新隨機分布。控制變化的參量主要有數據包大小、競爭窗口大小、節點個數及通信速率。

CW-MAC協議的吞吐量計算方法如式(1)所示。設置記錄接收數據量的變量，每次成功接收到數據包進行累加，最后和仿真時間進行運算即可得到該次仿真中實際吞吐量大小。由于需要研究不同CW值下吞吐量的變化規律，因此每次CW值發生變化都需要重置接收量參數。

(1)

在NS-3仿真得到的原始數據中，詳細記錄下了每個節點發送及接收數據的時間、源節點、目的節點和包大小，從中可以分析出仿真中不同競爭窗口值下的吞吐量，根據仿真數據得到以下仿真結果。

不同通信速率下，系統吞吐量隨窗口值大小之間的變化曲線如圖 3所示。其中，圖 3(a)是實測數據，圖 3(b)是根據實測數據得到的四階多項式擬合曲線。圖3中可以發現，由于CW-MAC協議采用的沖突避免機制有效減少了ALOHA協議想發就發造成的大量數據沖突和重發，因此不管通信速率大小如何，只要窗口值合適，CW-MAC協議的吞吐量都可以突破傳統ALOHA協議18.4%的最大吞吐量。并且當窗口大小達到CWopt之后，吞吐量開始呈下降趨勢。這是由于隨著窗口的增大，隨機回退機制帶來的吞吐量增加紅利消失，取而代之的是由于節點頻繁大幅度的回退造成的時延增加，使得吞吐量逐步下降。

圖3　系統吞吐量隨CW值變化曲線

不同通信速率下，吞吐量達到最大時對應的窗口值如表1所示。可以發現，隨著水聲網絡通信速率的增大,節點密度過低導致現有帶寬利用不充分。同時，窗口值過大帶來的負面效應開始起作用，越來越早地出現吞吐量拐點，最終呈現出隨著通信速率的增加，最大吞吐量反而下降的現象。

表1　不同速率下CWopt值

不同數據包大小情況下，系統吞吐量隨窗口值大小變化的曲線如圖 4所示。結合圖 4(a)實測數據和圖 4(b)四階擬合曲線圖可以發現，隨著單個數據包的增大，系統吞吐量得到提升，這種趨勢在窗口值較大的時候更加明顯。由圖4(b)的擬合曲線，可以更加清晰地看出這種現象，數據包的增大，延緩了CWopt的出現，吞吐量得以繼續攀升。

圖4　系統吞吐量隨數據包大小變化曲線

水聲網絡節點數量不同情況下，系統吞吐量隨窗口值大小變化的曲線如圖 5所示。圖5表明在通信速率和覆蓋范圍不變的情況下，水聲網絡節點數量的增多會造成數據包沖突增多，給吞吐量造成負面影響。同時，擬合曲線的特性表明，節點密度增加使得系統能夠在更大的窗口范圍內維持在較高的吞吐量，延緩了CWopt的出現。

圖5　系統吞吐量隨節點個數變化曲線

4最優窗口值

通過上述的仿真數據及其分析可以發現，能夠獲得最大吞吐量的最優窗口值CWopt主要受到節點數量、通信速率和數據包大小的影響。進一步，對水聲網絡CW-MAC協議運行機制和主要變量進行數學建模分析，設節點數量為N，平均通信距離d，聲速v，則傳輸時延ttrans=d/v，數據包大小為p，通信速率Rb，則發送時延為tdelay=p/(Rb)，已知時間片長度σ，則可計算單個數據包傳輸成功所需窗口值Win：

(2)

根據仿真數據計算出Win值和由以上各式擬合曲線CWopt之間的關系，散點圖可以得到線性擬合趨勢線如圖 6所示。

圖6　Win和CWopt關系曲線

得到了Win值CWopt之間關系：

CWopt=2*Win-6。

(3)

有了二者之間關系式，可根據水聲網絡布設環境進行窗口值預設，最優的窗口值可以減少傳統處理機制在不停碰撞、回退和重發過程中引起的時延和能量消耗。

根據式(3)修改水聲網絡參數進行驗證，得出結果如表2所示，從吞吐量對比中可以看出，改進后，最優窗口的CW-MAC協議在吞吐量表現上均優于傳統CW-MAC協議，而且CWopt值越大，性能提升越明顯。其原因在于最優窗口值的協議在運行一開始就將沖突概率降為較低水平，而傳統機制在不停的回退、沖突和重設窗口值的循環過程中加大了時延，拉低了平均吞吐量。

表2　不同策略下水聲網絡吞吐量對比

5結束語

經過仿真分析得出了CW-MAC協議中最優窗口值和通信速率、節點密度、數據包大小因素之間的線性關系。對得出的關系公式進行反向驗證，結果顯示本文提出的基于最優窗口的改進策略進一步優化CW-MAC協議，提升了水聲網絡吞吐量。

隨著國家策略向海洋傾斜，未來大規模的水聲網絡必將投入應用，相信基于最優窗口的水聲網絡CW-MAC協議將在其中發揮重要作用。

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張錦燦男,(1987—)，碩士研究生。主要研究方向：水聲通信網絡。

陳衛東男,(1968—)，研究員。主要研究方向：通信信號處理、軟件無線電。

作者簡介

中圖分類號TN911.7

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)02-0010-04

基金項目：國家科技支撐資助項目(2014BAK02B04)。

收稿日期：2015-11-09

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.03

引用格式：張錦燦，陳衛東，王大宇.基于最優窗口的水聲網絡MAC協議研究[J].無線電工程，2016，46(2)：10-13,30.