水聲通信網(wǎng)絡S-MAC協(xié)議的研究?

（江蘇科技大學電子信息學院 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

水聲通信網(wǎng)絡是一種由計算、通信等不同功能節(jié)點組成的水下無線傳感器網(wǎng)絡，它在海洋環(huán)境監(jiān)測、資源勘探與開發(fā)、海洋災難預警以及援助導航等方面有著廣泛的應用［1］。由于水聲通信網(wǎng)絡的組網(wǎng)形式特殊，同時水下通信面臨長延時、衰落快以及能量有限等問題，所以它的MAC層協(xié)議的設計要求與陸地無線網(wǎng)有所區(qū)別。在水聲通信網(wǎng)絡中，在兼顧吞吐量、時延的情況下，節(jié)約能量成了水聲通信網(wǎng)絡需要解決的主要問題［2］。

為了降低能耗，人們提出了基于MAC層的S-MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議在繼承MAC協(xié)議基本功能的基礎上，采用了周期性睡眠機制，其工作原理是讓沒有發(fā)送或接收任務的節(jié)點進入到睡眠狀態(tài)，節(jié)點空閑偵聽時間的減少可以有效降低系統(tǒng)的能量消耗［3］。在數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送過程中，為了降低數(shù)據(jù)沖突造成的能耗，協(xié)議采取退避機制來競爭信道；S-MAC協(xié)議采用RTS/CTS握手機制，單播信息在發(fā)送者和接收者之間按照RTS/CTS/DATA/ACK的順序進行通信，這樣進一步避免了串音偵聽；S-MAC協(xié)議的周期性睡眠機制如圖1所示。

圖1 S-MAC協(xié)議的周期性睡眠機制

S-MAC協(xié)議是以節(jié)能為需求設計的一種MAC協(xié)議，該協(xié)議目前還存在一些不足，比如其周期內(nèi)節(jié)點的偵聽活動時間是固定不變的。此外，當網(wǎng)絡中活躍的節(jié)點較多時，數(shù)據(jù)包之間的碰撞概率會隨之增大，進而導致網(wǎng)絡系統(tǒng)的吞吐量下降［4］。針對S-MAC協(xié)議的缺點和不足，本文提出了一種自適應 動 態(tài) ES-MAC協(xié) 議（Energy Sensor-MAC，ES-MAC協(xié)議），該協(xié)議首先對S-MAC協(xié)議固定占空比進行了改進，改進的方法是增加動態(tài)偵聽活動時間。此外，ES-MAC協(xié)議在S-MAC協(xié)議原有的退避算法基礎上也進行了優(yōu)化調(diào)整，引入閾值作為競爭窗口分層調(diào)整的判斷依據(jù)［5］。改進后的協(xié)議可以根據(jù)信道中流量的變化情況動態(tài)的調(diào)整偵聽活動時間以及爭用窗口CW的值。

2 自適應動態(tài)S-MAC協(xié)議

2.1 自適應占空比調(diào)整機制

S-MAC協(xié)議采用周期性偵聽/睡眠占空比的工作機制，當信道中沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。雖然該機制在一定程度上減少了能耗，但是因為其采用固定的占空比，所以周期內(nèi)節(jié)點偵聽與睡眠的時間是固定不變的，這樣當信道無數(shù)據(jù)發(fā)送時，節(jié)點長時間處于偵聽狀態(tài)會帶來無謂的能耗［6］。基于S-MAC協(xié)議的主要原理，針對其存在的問題提出了ES-MAC協(xié)議。與S-MAC協(xié)議采用固定的占空比不同，改進后的協(xié)議在周期內(nèi)節(jié)點偵聽時間是動態(tài)變化的［7］，如果信道沒有數(shù)據(jù)發(fā)送、接收時，偵聽時段只保留DT（Dynamic Time，DT）部分，如果在給定時間內(nèi)沒有活動事件請求，那么活動結束，其主要的工作原理如下：

1）當節(jié)點i的隊列中沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，設置給定時間DT=ΔT，這是DT的一個下限；

2）每個周期的空閑偵聽時間長度與△T有關，其中△T應滿足：ΔT＞C+R+T（其中C為競爭信道時間，R為發(fā)送RTS分組的時間，T為RTS分組結束到發(fā)出CTS分組開始的時間）；

3）當節(jié)點i的隊列中分組數(shù)大于0時，DT的值按指數(shù)倍數(shù)增大，即 DT=2αNi×ΔT（α表示增加幅度，與隊列中分組數(shù)有關）。

改進后的協(xié)議可以更好地適應網(wǎng)絡流量的變化。當網(wǎng)絡活躍節(jié)點較多時，DT的值開始增大；當網(wǎng)絡中活躍節(jié)點較少時，DT的值會逐漸減小［8］。改進前與改進后的周期性睡眠機制對比如圖2所示。從圖中可以看出，與S-MAC協(xié)議相比，改進后的ES-MAC協(xié)議增加了動態(tài)偵聽時間DT部分，當網(wǎng)絡中無數(shù)據(jù)發(fā)送或較少數(shù)據(jù)發(fā)送時，可以有效減少處于活動狀態(tài)的時間。

圖2 S-MAC協(xié)議與改進后協(xié)議基本機制的對比

2.2 退避算法的改進

雖然S-MAC協(xié)議采取了數(shù)據(jù)包發(fā)送過程中進行通信握手機制以及節(jié)點載波監(jiān)聽等機制，但在通信過程中依然存在數(shù)據(jù)包沖突的問題［9］。S-MAC協(xié)議采用的是二進制指數(shù)退避算法［10］，為了避免數(shù)據(jù)間的沖突，在傳輸過程中會選擇一段隨機的時間進行退避，退避算法將使用一個隨機退避時間作為計數(shù)器，計數(shù)器將在（0，CW）之間選取一個數(shù)，其中CW的值被稱為競爭窗口。如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則增大退避窗口CW的值；如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則減小退避窗口CW的值［11］。雖然BEB退避算法在一定程度上減少了節(jié)點競爭信道的沖突次數(shù)，但當網(wǎng)絡活躍結點數(shù)較多時，碰撞概率開始增大，網(wǎng)絡的吞吐率明顯降低。

為了減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的碰撞，提高網(wǎng)絡節(jié)點接受、發(fā)送數(shù)據(jù)的效率，引入E［CW］作為信道競爭程度閾值（E［CW］的值與網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)有關），退避算法競爭窗口的調(diào)整方法如下，

l）當CW＜E［CW］時，在數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，減少競爭窗口CW的值減并與CWmin比較，CW的值計算公式為式（2）；如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則采用乘性線性增加的方法增大競爭窗口CW的值，以便競爭窗口盡量快速增大，達到CWmax時乘性增加結束，此時CW計算公式為式（1）。

2）當 CW ≥E［CW］時，認為當前網(wǎng)絡負載較大，在數(shù)據(jù)發(fā)生沖突前，增大競爭窗口CW的值，CW的值計算公式為式（3）；成功發(fā)送后，競爭窗口CW開始減小，此時CW計算公式為式（4）：

改進的退避算法流程圖如圖3所示。

圖3 改進的退避算法流程圖

3 實驗仿真與分析

為了驗證ES-MAC協(xié)議在網(wǎng)絡仿真環(huán)境中的效果，需要對ES-MAC協(xié)議進行仿真驗證，實驗仿真將在NS2平臺［12］上進行。本次仿真實驗選取能量消耗、吞吐量以及網(wǎng)絡時延三個性能指標來評估ES-MAC協(xié)議的性能。本文實驗仿真參數(shù)與參數(shù)值見表l。

表1 仿真參數(shù)及參數(shù)值

3.1 能量效率分析

能耗問題直接影響水聲通信網(wǎng)絡的生命周期。仿真實驗中選取數(shù)據(jù)分組間隔作為橫坐標的變化量，分組間隔越小說明網(wǎng)絡負載流量越大［13］。縱坐標選取平均能耗，平均能耗為每傳輸一個字節(jié)所消耗的能量大小［14］，網(wǎng)絡平均能量消耗計算公式（5）為

從圖4中可以看出，在網(wǎng)絡初始階段ES-MAC協(xié)議平均能耗比S-MAC協(xié)議的平均能耗低一些，但是兩者相差不大。當分組間隔減少3s～8s時，網(wǎng)絡流量逐漸增大，由于S-MAC協(xié)議采用的爭用窗口機制是在數(shù)據(jù)碰撞發(fā)生后進行調(diào)整的，此時能量已經(jīng)消耗，再加上流量增大的情況下會帶來潛在碰撞概率的增加，導致重傳次數(shù)增多，所以其能耗增大明顯。改進后的ES-MAC協(xié)議采用的是動態(tài)爭用窗口機制［15］，當網(wǎng)絡信道中流量增大時，在發(fā)送數(shù)據(jù)前爭用窗口會根據(jù)網(wǎng)絡流量情況自行地進行調(diào)整，動態(tài)的爭用窗口機制對網(wǎng)絡的適應性更強。因此，ES-MAC協(xié)議在這段時間內(nèi)的能耗雖然有所增加，但是整體的變化不會太大。從仿真實驗結果可以看出，整個仿真過程中，在平均能耗方面，ES-MAC協(xié)議一直低于S-MAC協(xié)議。

圖4 平均能耗仿真圖

3.2 吞吐量分析

網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流的吞吐量是指目的節(jié)點在整個工作時間內(nèi)成功接收到的數(shù)據(jù)包的總數(shù)量。本文仿真的是端到端的平均吞吐量［16］，其單位為kbps。網(wǎng)絡平均吞吐量計算公式（6）為

從圖5可以看出，當分組間隔減小時，意味著網(wǎng)絡負載的增大，由于S-MAC協(xié)議采用的BEB退避算法不能根據(jù)網(wǎng)絡負載動態(tài)的調(diào)整競爭窗口［17］，當網(wǎng)絡活躍節(jié)點較多時，發(fā)送數(shù)據(jù)間的碰撞概率增大，同時S-MAC協(xié)議采用固定的占空比機制，源節(jié)點在進行數(shù)據(jù)分組發(fā)送時，需要等待目的節(jié)點從睡眠狀態(tài)中醒來，這樣會導致網(wǎng)絡中節(jié)點競爭的加劇以及大量的數(shù)據(jù)分組丟失，所以網(wǎng)絡吞吐量一直較低［18］。改進后的ES-MAC協(xié)議能根據(jù)網(wǎng)絡的流量變化情況提前調(diào)整競爭窗口的值，更好的網(wǎng)絡適應性可以有效降低數(shù)據(jù)之間的碰撞。同時協(xié)議增加了動態(tài)活動的時間，有效減少了網(wǎng)絡擁擠帶來的潛在碰撞，降低了在傳輸中數(shù)據(jù)分組的丟失以及重傳次數(shù)。整個仿真階段，在網(wǎng)絡吞吐量性能上，ES-MAC協(xié)議始終高于S-MAC協(xié)議。

圖5 吞吐量仿真圖

3.3 時延狀況分析

時延是指在網(wǎng)絡中從首個數(shù)據(jù)分組發(fā)送開始計時，到最后一個數(shù)據(jù)分組被接收到截至的時間，平均時延［19］是總時間除以分組的數(shù)目。本文的性能指標采用的是平均時延，網(wǎng)絡平均時延計算公式（7）為

圖6 平均時延仿真圖

從圖6可以看出，在分組間隔10s～8s范圍內(nèi)，由于網(wǎng)絡處在低負載的狀態(tài)，ES-MAC協(xié)議與S-MAC協(xié)議在時延上沒有明顯區(qū)別。隨著分組間隔逐漸減少，S-MAC協(xié)議固定不變的爭用窗口會導致數(shù)據(jù)間碰撞概率的增加［20］，數(shù)據(jù)發(fā)送失敗后的重傳直接增大了網(wǎng)絡的時延。尤其是當分組間隔減少3s后，其時延變現(xiàn)更為明顯。ES-MAC協(xié)議引入了動態(tài)占空比機制，同時改進了退避算法，在網(wǎng)絡在時延方面有著更好的表現(xiàn)。當網(wǎng)絡負載變大時，引入閾值判斷的退避算法可以根據(jù)當前網(wǎng)絡情況及時調(diào)整競爭窗口的大小，即使網(wǎng)絡處于擁擠狀態(tài)，依然可以有效減少數(shù)據(jù)間碰撞帶來的網(wǎng)絡時延［21］。在整個仿真過程中，在平均時延性能方面，ES-MAC協(xié)議的基本上一直小于S-MAC協(xié)議。

4 結語

本文對S-MAC協(xié)議進行了理論分析，針對其節(jié)點空閑偵聽時間過長以及固定的爭用窗口不能很好地適應網(wǎng)絡流量變化的情況，提出了自適應動態(tài)ES-MAC協(xié)議。該協(xié)議通過增加動態(tài)偵聽活動時間部分，當網(wǎng)絡無數(shù)據(jù)發(fā)送或較少數(shù)據(jù)發(fā)送時，節(jié)點可以有效降低對信道空閑偵聽的活動時間，同時改進后的協(xié)議使用動態(tài)可爭用窗口來適應網(wǎng)絡流量的變化。仿真實驗結果驗證了ES-MAC協(xié)議的可行性與有效性，同時與S-MAC協(xié)議相比，該協(xié)議在節(jié)能、吞吐量以及時延方面均具有更好的性能。