水聲網絡數據鏈路層協議

海麗萍+王宏云

摘 要 水聲網絡（UAN）一般由海底傳感器節點、自動化水下載體和作為網關向岸上基站提供無線電通信鏈路的水面基站連接組成。UAN研究領域的一個重要難點是研究可以減小能量損耗和降低時間、空間和頻率對淺海信道傳輸信號影響的網絡協議。文章提出了淺海水聲網絡數據鏈路層協議，并對它進行了仿真。

關鍵詞 水聲網絡；數據鏈路層協議；Mac協議；Macaw協議

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）205-0146-02

在過去的幾十年里，水聲通信的研究和工程應用迅速增長，過去主要應用于軍事領域，現在已經逐步擴展到了商業領域。水聲網絡（UAN）一般由海底傳感器節點、自動化水下載體和作為網關向岸上基站提供無線電通信鏈路的水面基站連接組成[ 1 ]。

UAN研究領域的一個重要難點是研究出可以減小能量損耗和降低時間、空間和頻率對淺海信道傳輸信號影響的網絡協議。本文提出了淺海水聲網絡數據鏈路層協議，并對它進行了仿真。

1 數據鏈路層協議

UAN的設計通常以分層結構的形式來實現。這三層分級結構是物理層、數據鏈路層和網絡層。物理層主要負責通信通道中邏輯信息（比特0和1）到傳輸信號的轉變。在接收終端，物理層負責檢測出被噪聲干擾的信號和其他信道的失真信號，并把信號轉換回邏輯比特。在網絡層中選擇合適的通道即尋找從源節點到目標節點的路徑并開始信息交換。

數據鏈路層主要有兩個功能：幀編碼和誤差糾正控制。幀編碼意味著定義一個包含信息頻率、位同步、源地址、目標地址以及其他控制信息的數據包。數據鏈路層協議又被分為兩個子層：邏輯鏈路控制（LLC）協議和媒體訪問控制（MAC）協議。

1.1 邏輯鏈路控制協議

在邏輯鏈路控制子層，我們通過執行一個停止或等待自動重復檢索（ARQ）協議來檢測誤差和請求重傳錯誤幀。源節點A在發送下一幀數據之前等待一個來自目標節點B的回執（ACK）。如果在預置暫停時間內沒接收到回執，A重傳這幀數據。在數據幀來回傳播的時間段內，信道保持空閑。在全雙工通信鏈路，如果節點A在等待ACK時連續傳送相同的數據幀，網絡吞吐量可以增大。

當接收數據幀有錯誤時，需要重新發送數據幀，因此實際延時絕對大于Tt。

1.2 媒介訪問控制子層

數據鏈路層最關鍵的技術就是媒體訪問控制（MAC）。它的作用是平均分配存在競爭和高吞吐量節點之間的信道資源。帶沖突避免的多址接入（MACA）協議利用兩個叫做請求/發送（RTS）和清除/發送（CTS）的信號幀來檢測沖突。它是MAC子層的常用協議。當源節點A想要發送信息到目標節點B時，它會首先發出一個RTS命令。如果節點B收到RTS，它則會發送回一個CTS命令。如果節點A沒有在預定時間內接收到CTS，它將重新發送RTS。只要節點A一收到CTS，它就立刻開始傳輸數據幀[2]。任何監聽到CTS的其他節點將會延遲一個數據包長度的時間來避免沖突。

MACAW協議是MACA協議的改良版，它提高了UAN的性能和可靠性。

1.2.1 退避計數器的改進

源節點發送攜帶退避計數器的數據幀，接收數據幀的目標節點復制退避計數器的值。在數據幀傳輸完成后，所有退避計數器的值都還原成最小值。同時，MACAW協議用乘法增加線性減少（MILD）算法來代替二進制指數算法。在MILD算法中，當數據幀每次發生沖突時，退避計數器將會線性增加1.5倍從x到Bomax，在傳輸成功后，退避計數器將會從1秒衰減到最小的Bomax。

1.2.2 監控幀和ACK幀的增加

在MACAW協議中，作為信道握手的兩個節點之間發生交換，利用RTS-CTS-DS-DATA-ACK幀替代。

DS幀用來確定暴露節點和RTS-CTS握手成功與否。在單個信道中，暴露節點不能發送數據。當RTS-CTS在節點A和目標節點B之間成功處理時，源節點A首先發送DS幀，然后節點A發送數據幀到B。除了B之外接收到DS幀的其他節點是暴露節點，它們將延遲數據幀傳輸。如果暴露節點監聽到RTS幀而沒有監聽到DS幀，那么RTS或者CTS將發生沖突，它將立刻發送數據，從而提高信道的利用率。

如果節點A沒有收到節點B發送的CTS，它將在超時后轉播RTS。如果節點A一直沒有收到數據，則退避計數器值增加。如果節點A收到ACK，則退避計數器值減少。如果節點A收到CTS，則退避計數器值不變。

MACAW協議的主要優勢是通過添加DS幀部分解決隱藏節點和暴露節點問題并且減少了數據幀之間的沖突。在信道誤碼率較高的情況下，加入ACK幀可以增加網絡吞吐量。MILD退避算法提升了節點共享信道資源的公平性。在高負載情況下，MACAW協議將會增加吞吐量并提高資源分配的公平性。

2 UAN設計

我們研究的淺海水聲通信網絡大約在100m左右深度。通過網絡傳播的水聲數據一般是經過多信道反射的傳播。

水聲網絡機構包括一個主網點和多個子網點。兩個網點之間的直線距離增大到750m。每個網點都有4個功能：收集水下數據；接收數據；發送數據和處理數據。主網點可以通過海上中繼器或者岸上基點來上載數據。子網點可以和其他網點在海底進行通信，但只能通過主網點上載重要數據。

在離散網點對之間的UAN是異步半雙工通信，可用帶寬是8kHz～15kHz。在網絡中，每個網點的理想數據傳輸率是100bit/s。在最遠距離情況下，最小信噪比SNR是20dB。

每個網點處理數據的平均時間滿足7s泊松分布。

3 仿真結果

在UAN的仿真過程中，衡量網絡性能的統計量主要有平均吞吐量和終端對終端時延。平均吞吐量的定義是每單位時間內成功傳輸數據包的數量。終端對終端的時延是在數據到達源網點之后完成一個MACAW協議的時間間隔。這里忽略數據在網點的排隊時間。

平均吞吐量定義的是每單位時間內成功傳輸數據包的數量。流量負荷是指每秒鐘被提供到網絡中傳輸的數據包的數量。在流量負荷到達每秒105個數據包之前，吞吐量逐漸地增大。當系統達到飽和狀態時，系統吞吐量保持恒定。此時如果繼續增加流量負荷，系統的吞吐量則開始減少。

終端對終端時延隨著流量負荷的增加而迅速增加。當網絡任務完成，時延保持不變。當主網絡附近的其他網點發生擁塞時，網絡吞吐量減少，系統也將減少時延。這主要是因為網絡節點的高度擁塞，導致沒有足夠的時間完成傳輸任務，從而發送數據包丟失。

4 結論

本文討論了數據鏈路層協議和UAN網絡設計。這些協議只能部分解決隱藏節點和暴露節點的問題。通過仿真，本文認為通過增加系統的流量負荷可以改變平均吞吐量和終端對終端的時延。同時，在水下信道中，它們還會受低速率、高延時、能量受限等因素的影響。

參考文獻

[1]John G.Proakis et al，“Shallow Water Acoutis Networks”，IEEE Communications

[2]Magazine.Vol.39，November，2001：114-119.endprint