基于動態變化競爭窗口的水下無線傳感器網絡MAC協議

石 岳, 李 成, 郝 琨

基于動態變化競爭窗口的水下無線傳感器網絡MAC協議

石 岳, 李 成, 郝 琨

(天津城建大學 計算機與信息工程學院, 天津, 300384)

為了滿足自主水下航行器(AUV)與靜態水底節點的高效通信, 文中設計了一種動態變化競爭窗口介質訪問控制(DCCW-MAC)協議。該協議根據傳感器節點與AUV的距離優化競爭窗口值, 傳輸成功率高的節點調整退避時間優先發送數據包, 可高效利用信道資源。仿真結果表明, 所提出的DCCW-MAC協議能夠滿足AUV和節點之間的通信。與傳統的CW-MAC協議相比, 在節點數和泊松到達率相同的條件下,其最大吞吐量提高了5%, 端到端時延降低了15%。

自主水下航行器; 水下無線傳感器網絡; 介質訪問控制協議; 競爭窗口; 網絡吞吐量

0 引言

無線傳感器網絡具有范圍廣、高靈活、低成本等優點[1], 其中, 水下無線傳感器網絡(under- water wireless sensor network, UWSN)在資源勘查、災害預測等方面應用技術不斷發展, 受到了專家學者的廣泛關注[2]。但水下通信環境十分復雜, 存在信道帶寬窄、時延高、多徑效應及多普勒效應等問題, 給UWSN研究帶來諸多困難[3]。介質訪問控制(medium access control, MAC)協議能夠合理分配信道資源, 避免數據包的碰撞, 具有改善通信性能的效果[4]。一個優秀的MAC協議對UWSN至關重要, 它應操作簡單, 保證競爭節點的公平性, 同時能夠合理規劃網絡吞吐量和能耗間的平衡。

自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)具有范圍大、高機動性、安全、智能化等優點, 能夠在水下完成一系列復雜工作[5]。AUV可攜帶多種水下傳感器, 實現對水下環境的監測和分析, 也能夠與水下布放的傳感器進行數據傳輸, 擴大UWSN的通信范圍。

由于水下信道的特殊性, 廣泛使用的電磁波信號通信效果有限, UWSN通常采用聲波來進行通信, 這導致了許多UWSN與陸地的MAC協議在設計上有較大區別[6]。目前針對UWSN的MAC協議主要分為基于競爭類和非競爭類這兩類經典方案[7]。

非競爭類協議是將時隙、頻帶或代碼分配給不同節點, 彼此不通過競爭取得信道的使用權, 主要包括時分復用(time division multiplexing, TDM)、頻分復用(frequency division multiplexing, FDM)和碼分復用(code division multiplexing, CDM)等方式。常用非競爭類協議包括以下幾種。多維縮放MAC(multidimensional scaling MAC, MDS-MAC)協議[8]結合了時間同步, 水下定位和通信調度等技術手段, 協議定期重復協調階段和通信階段。在協調階段中, 節點之間執行范圍測量來確定傳播延遲, 并實現相對定位和時間同步; 在通信階段中, 匯聚節點廣播本輪通信調度和路由信息, 其他節點依照調度與匯聚節點通信。但嚴格的時鐘同步使傳感器網絡的實現更加困難, 且高時延使控制包占用更多的信道資源, 增加了沖突和誤碼的幾率, 降低了網絡性能。具有低能耗和高魯棒性的EDETA(energy-efficient adaptive hierarchical and robust architecture)[9]協議將網絡分為多個簇, 每個簇使用獨特的碼分多址(code division multiple access, CDMA)擴展碼實現內部通信, 并用時分多址(time division multiple access, TDMA)進行簇群間的通信調度。簇中匯聚節點組成樹狀結構, 能夠更加高效地與上級節點進行數據傳輸, 但會產生多余的數據重傳, 占用了寶貴的信道資源。雙向并發MAC(bidirectional concurrent MAC, BiC-MAC) 協議[10]提出了一種多回合的雙向通信方式, 利用水聲信道時空不確定特性帶來的高時延, 發送方預約信道后能夠與接收方同時發送數據。該協議雖然提高了網絡吞吐量和信道利用率, 但增加了節點能耗, 減少了網絡的使用壽命。T-Lohi協議[11]采用一種基于載波偵聽多路訪問(carrier sense multiple access, CSMA)的音調爭用機制計算通信中的競爭節點個數, 并根據該個數調整節點的發送時間。該協議具有良好的吞吐量, 一定程度上也降低了網絡能耗, 但在網絡節點分布方面有許多限制, 無法滿足大范圍監測的需要。

基于競爭類協議允許各節點根據需求獲取信道的使用權, 協議依托隨機訪問來分發傳輸, 并采取一些恢復機制應對數據包沖突, 主要包括信道預約類協議、載波監聽類協議以及隨機多址類協議。其中, 競爭窗口MAC(contention window MAC, CW-MAC)協議[12]包含虛擬載波監聽機制和隨機退避機制, 能夠減小數據包的碰撞率, 且該協議結構簡單、運算復雜度低、利于實現, 在性能和資源有限的水下環境中很有優勢。但是在節點較多的傳感器網絡中, CW-MAC協議的效果并不理想, 無法有效保證競爭節點的公平性。而且協議中競爭窗口值CW固定, 當網絡環境發生變化時容易產生信道擁堵或信道資源的浪費, 降低網絡性能。

基于此, 文中設計了一種AUV輔助的動態變化競爭窗口MAC(dynamic change contention window MAC, DCCW-MAC)協議。該協議中AUV先廣播控制包, 各個節點利用接收信號強度指示(received signal strength indication, RSSI)測距模式求得與AUV的距離, DCCW機制根據距離差異調整節點退避時間, 從而提高網絡的吞吐量和傳輸的成功率。

1 網絡場景分析

水下傳感器節點的部署方式可劃分為3類: 二維UWSN、三維UWSN和包含AUV的三維UWSN。圖1為包含AUV的三維UWSN模型[13], UWSN通過水下節點將采集到的數據信息發送給水面基站, 水面基站再用無線電通信與陸地或衛星進行數據傳輸。利用機動靈活的AUV攜帶多個傳感器和水聲通信模塊, 能夠給UWSN的工作帶來更大的便利, 可以更大地擴展網絡的監測范圍, 與傳統UWSN相比也更具靈活性。

圖1 三維UWSN結構圖

文中采用AUV作為匯聚節點負責收集水底節點的數據, 水底節點采用拋錨的方式固定在水底, 但由于水下的復雜情況, 節點損壞或電量用盡都會導致網絡結構改變, 影響通信效果。AUV的高機動性能夠彌補節點的空缺, 較大的活動范圍和充足的電池與固定的水底節點相比也有更好的實用性。

2 DCCW-MAC協議

基于上述分析, 為了能夠使AUV更加高效地接收數據, 文中設計了一種基于發送端與AUV間距離動態調整競爭窗口的發送策略: DCCW-MAC協議。該協議的傳輸過程如圖2所示, AUV在到達工作區域后會周期性發送通知發送標志(notification to send, NTS), 其中有包含網絡距離信息的距離字段。待發送節點和接收后先利用RSSI測距模式求得自身到AUV的距離, 再通過DCCW機制求得退避時間并進入退避狀態, 退避狀態結束后節點發送數據。而對于節點, 在退避狀態中檢測到發送的數據包, 則停止計時等待信道空閑后繼續發送。

DCCW-MAC協議利用RSSI測距模式來獲得位置距離, 并采用DCCW機制調整節點競爭窗口值的大小。同時數據包中的距離幀可以在傳輸過程中調整距離參數, AUV和各發送節點能夠實時掌握彼此的距離, 并以此為依據調整退避時間, 降低傳輸時延, 提高網絡性能。

圖2 AUV與節點的1次成功傳輸

2.1 CW-MAC協議原理

圖3 CW-MAC協議發送節點狀態圖

對于競爭窗口值, 由于水聲信道端到端高延時特性, CW-MAC協議不適合使用二進制退避(binary exponential backoff, BEB)算法來調整競爭窗口值[14], 而采用全局競爭窗口, 競爭窗口值是固定不變的。為了能夠適應復雜的網絡環境, 需要從吞吐量、發送成功率和能耗等方面選定競爭窗口值。如果競爭窗口初值設置過小, 節點的退避時間區間減小, 發送會更加激進, 造成更多數據包碰撞而降低網絡性能; 如果競爭窗口初值設置過大, 過長的退避時間會降低信道的利用率, 節點工作時間加長, 增加了能量消耗。但水下環境復雜多變, 節點數目和分布都有可能發生變化, 固定不變的競爭窗口值無法適應變化的環境, 影響網絡的整體性能。而在UWSN中面臨的最大問題是電量耗盡導致節點無法工作, 如果采用全局競爭窗口, 其產生的影響是退避時間在總時間的占比將增加, 降低了網絡吞吐量, 也增加了節點的監聽能耗。同時, CW-MAC協議滿足靜止匯聚節點通信的要求, 并不適用于移動的AUV節點。為了提高水聲信道的利用率降低信道傳輸時延, 確保AUV在巡航中接收數據的穩定、高效, 需要對CW-MAC協議做出優化。

2.2 RSSI測距模式

水下定位算法能夠有效計算出各發送節點與AUV之間的距離。根據信號測量的不同, 分為4種主流測距方法, 即RSSI法、時差定位(time difference of arrival, TDOA)法、到達時延(time of arrival, TOA)法和達到角度(angle of arrival, AOA)法[15]。其中RSSI法不需要節點滿足時間同步和復雜的信號處理過程, 成本低、易實現, 使其在水下環境中被廣泛采用[16]。

RSSI測距模式依據聲信號在水聲信道中傳播時的衰減特性測量距離。在DCCW-MAC協議中, 發送節點首先發送一定強度的信號, 信號在信道中經過擴散和吸收, 其強度會發生變化, 節點在接收后基于信道衰減模型得出該信號傳輸的距離, 信道衰減模型為

在環境較為穩定的水底, 通信速度100 bit/s, 發射頻率15 kHz的水下試驗環境中, 該方法距離在1~5000 m的估計誤差如圖4所示。從圖中可以看出, 在節點距離小于1000 m時, 距離誤差很小。應用在文中仿真環境中, 能有效減少RSSI測距的誤差, 不影響協議運行和網絡性能。

圖4 Lambert W函數計算結果

2.3 DCCW機制

圖5 發送確認字符時延差異

式中,為協議競爭窗口的初始值, 可以根據節點數量和網絡環境設置適合的數值。由此得出該節點的實際競爭窗口值為

3 仿真結果與分析

采用NS-3作為仿真平臺來驗證CW-MAC協議和DCCW-MAC協議的各項性能。利用NS-3的水聲通信網絡模塊UAN(underwater acoustic network)模擬水下環境, 并實現水聲信道、物理層和MAC層。幀結構含有UAN的公共包頭字段, 忽略幀結構中同步頭的影響。傳感器節點隨機分布在以AUV為中心的正方形區域中。協議共仿真25次, 每次104s, 主要仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數列表

圖6 歸一化吞吐量隨泊松到達率變化曲線

圖7 歸一化吞吐量隨節點數變化曲線

圖8 平均端到端時延隨泊松到達率變化曲線

圖9為不同節點數下平均端到端時延變化曲線。從圖中可以看出, CW-MAC協議的時延增長率更高, 而DCCW-MAC協議則降低30%。這是因為隨著節點的增加, 公共信道會經常處于忙碌狀態。在CW-MAC協議中, 競爭窗口值不能適應不斷變化的網絡, 節點發送前的等待時間會變得更長, 從而影響端到端時延。而在DCCW-MAC協議中, 讓距離近、發送成功率高的節點優先傳輸, 有效減少了節點的等待時間, 從而減少平均端到端時延。

圖9 平均端到端時延隨節點數變化曲線

圖10和圖11中的平均能耗是指平均成功傳輸1個數據包所需要的能量消耗, 所以通信的成功率也影響著平均能耗的大小。DCCW-MAC協議較之CW-MAC協議具有更短的平均端到端時延, 減少了發送節點的等待時間, 等待同時監聽信道產生的能耗也能夠有效降低。同時, 優化后的DCCW-MAC協議有著更高的吞吐量和發送成功率, 由式(13)可知, 成功接收的數據包數目越多, 平均能耗就越低。DCCW-MAC協議降低了節點發送中的碰撞概率, 與CW-MAC協議相比減少了節點重傳的次數, 減少了能量的浪費。所以該協議發送每個數據包的平均能耗與CW- MAC協議相比都有所降低。

圖10 平均能耗隨泊松到達率變化曲線

4 結束語

文中所提出AUV輔助的DCCW-MAC協議, 利用RSSI測距模式計算出發送節點與AUV的距離, 并采用DCCW機制來設定競爭窗口降低時延, 使發送節點能夠高效傳輸, 提高了網絡性能。仿真試驗表明, DCCW-MAC協議在吞吐量、端到端時延和平均能耗的性能上均優于CW-MAC協議, 能夠滿足AUV在水下環境中的數據收集。下一步工作將研究適用于UWSN的睡眠調度算法, 在保證網絡性能的基礎上降低節點能耗, 延長網絡壽命。

圖11 平均能耗隨節點數變化曲線

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Underwater Wireless Sensor Network MAC Protocol Based on Dynamical Change Contention Window

SHI Yue, LI Cheng, HAO Kun

(School of Computer and Information Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

A dynamical change contention window-media access control(DCCW-MAC) protocol is designed to improve the efficiency of communication between autonomous undersea vehicle(AUV) and sensor nodes. The protocol optimizes the contention window value according to the distance between sensor nodes and AUV, and the sending node with high transmission success rate adjusts the back-off time to transmit data package first, which can efficiently utilize channel resources. Simulation results show that DCCW-MAC protocol is applicable to the communication between AUV and nodes, and compared with the traditional CW-MAC protocol under the same number of nodes and Poisson arrival rate, its maximum throughput increases by 5% and the end-to-end delay is reduced by 15%.

underwater wireless sensor network(UWSN); media access control(MAC) protocol; autonomous undersea vehicle(AUV); contention window; network throughput

TJ630.34; TP393

A

2096-3920(2020)02-0174-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.009

2016-11-19;

2016-12-18.

國家自然科學基金(61902273); 天津市自然科學基金面上項目(18JCYBJC85600); 青海省物聯網重點實驗室開放課題(2017-ZJ-Y21).

石 岳(1995-), 男, 碩士, 主要研究方向為水下無線傳感網絡MAC協議.

石岳, 李成, 郝琨. 基于動態變化競爭窗口的水下無線傳感器網絡MAC協議[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(1): 174-181.

(責任編輯: 陳 曦)