基于磁感應通信的水下鏈式網絡MAC協議研究

趙東陽,蔡文郁,劉一博,陳 宇

(1.杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州 310018;2.近地面探測技術重點實驗室,江蘇 無錫 214035)

0 引 言

水下通信技術可分為兩種,分別是水下有線通信和水下無線通信。水下有線通信可以通過鋪設海底光纜來實現,工程實施難度大,成本高。相較于水下有線通信,水下無線通信更值得研究,且應用也更為廣泛。水下無線通信主要有水聲通信、水下電磁波通信、水下光通信和水下磁感應通信,各通信技術優劣對比如表1所示[1]。

表1 水下無線通信技術對比

水下無線磁感應通信技術,作為一種較為新興的水下無線通信技術,具有低功耗、低時延、跨介質傳輸等優勢,基于上述特性,把磁感應通信作為技術基礎,來構建水下無線傳感網絡有著得天獨厚的優勢。由于工作環境在水下,水下無線傳感網絡通信技術與傳統地面上的無線傳感網絡相比,通信介質不同、部署以及更替難度大。所以對于水下傳感網絡的媒質接入控制MAC(Medium Access Control Protocol,MAC)協議必須考慮更多的因素,設計一個有效的MAC協議可以在吞吐量、能耗、延遲和數據包投遞率PDR (Packet Delivery Ratio)等方面都有著很明顯的影響。

L. Sivagami[2]等人提出一種基于集群的水下無線傳感網絡沖突避免和TDMA(Time Division Multiple Address)調度MAC協議。最初,形成聚類,并根據節能分層聚類算法選擇聚類頭CH(Cluster Heads)。集群成員是CH的單躍點鄰居,它們為所有集群成員安排數據發送時間。使用時空沖突表執行無沖突調度。這允許節點同時傳輸,只要它們的數據包在不同時間到達預定目的地。仿真結果表明,所提MAC協議在提高報文投遞率的同時降低了時延和能耗。

由于時空不確定、節點遠近變化、窄帶寬和難同步等問題,基于競爭的MAC比無競爭的MAC協議更適合水下無線通信網絡。為了解決這些問題,基于競爭的MAC協議按需共享網絡資源。基于競爭的MAC協議可以細分為隨機訪問方法的MAC協議以及基于握手的MAC協議。隨機訪問方法適用于數據速率低、網絡稀疏、數據包小的水下無線通信網絡。相比之下,基于握手的MAC協議適用于數據速率高、網絡更密集、數據包大、傳輸范圍短、距離短的水下無線通信網絡。

Ian F. Akyildiz[3]等人認為,載波偵聽多路訪問協議CSMA(Carrier Sense Multiple Access)方案可以很容易地用于基于水下磁感應通信,因為其傳播延遲可以忽略不計。由于水下磁感應通信的工作頻率相對較高,可以設計和實現頻分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)。Niaz Ahmed[4]等人提出了一種用于無線通信網絡中通信節點的節能MAC協議,同時適用于陸地和超無線通信器網絡,具有極低的功耗和優化的網絡效率。同樣地,Burhan Gulbahar[5]等人對多個用戶磁感應通信多址通道MAC進行了理論建模和分析,并對雙用戶MAC容量進行了明確詳細的信道響應、帶寬和耦合熱噪聲建模。多用戶MAC容量是通過具有相應用戶數優化的拉格朗日解決方案實現的。從理論上分析了最大化容量和接收功率的最佳方向,并對雙用戶MI-MAC進行了數值模擬。

對于高效的通信網絡,能源消耗、網絡吞吐量和服務質量QoS(Quality of Service)需求都是重要的性能指標。為了節省能源和提供更好的QoS,水下無線傳感器網絡傾向于使用跨層協議設計方法。Shih-Chun Lin[6]等人提出了一種用于無線地下傳感器網絡的分布式環境感知協議,而不是采用目前的分層協議方法。首先,詳細概述了從物理層到網絡層的不同通信功能以及應用程序的QoS要求。利用不同層之間的交互,開發一種稱為DEAP(Distributed Environment-Aware Protocol)的分布式環境感知協議,以滿足統計QoS保證,并同時實現最佳的節能和吞吐量增益。Supriya Tambe[7]等人針對基于磁感應通信的水下、地下傳感網絡,提出了一種通過優化簇的數量來減少傳感網絡能耗的跨層設計方法,但是每個MAC和網絡層的能耗卻增加了,論文通過權衡以最大程度地降低整體能耗。

本文針對以上研究現狀與問題,提出了一種基于磁感應通信的水下鏈路網絡MAC協議—LM-MAC,通過為每個節點設置不同的等級值和優化的睡眠機制提高網絡傳輸效率。

1 基于磁感應通信的水下鏈式網絡MAC協議設計

1.1 基于磁感應通信的水下鏈式網絡架構

采用磁感應通信技術構建水下傳感網絡有著獨特的優勢,如通信距離適中、低延時、低功耗等。本文以磁感應通信為基礎構建水下鏈式網絡,通過高密度部署低成本的磁感應通信節點,實現一種較大范圍的感知網絡。水下鏈式通信網絡的應用示意如圖1所示,多個沿線部署的固定節點通過中繼磁感應通信將數據匯聚到匯聚節點(Sink節點)。單鏈網絡拓撲可以應用于水下油氣管道檢測,沿管道部署低成本磁感應通信節點,最終為管線檢測提供可選的測量方案。

圖1 水下鏈式網絡總體架構

為了檢驗MAC協議的穩定性與泛化性,本文除了構建單鏈拓撲結構還構建了雙鏈網絡拓撲,網絡中存在兩個匯聚節點用于數據匯聚,單個節點除了可以和前后節點進行數據通信外,還可以和相鄰單鏈網絡中的其他節點進行通信,通信網絡的覆蓋范圍進一步提高。

1.2 磁感應通信節點設計

本文設計了一種三線圈收發一體磁感應通信節點,實現了三維全向磁感應通信。整體硬件電路結構如圖2所示,包括嵌入式主控模塊、信號發送模塊、信號接收模塊、電源模塊、收發功能切換模塊,能量供給采用高密度的鋰電池。

圖2 三線圈全向磁感應通信電路結構圖

三線圈全向磁感應耦合模型如圖3所示,展示了位于Oxyz坐標系原點的發射線圈在感應線圈處的磁場分布情況如,感應耦合線圈設計成三維正交形狀,從而保證全向都能達到磁通量的最大值。當三源線圈時該模型在正交坐標維度下擴展,通過實測電路參數可以獲得等價元件參數。接收天線的三個線圈全部都能接收到信號,所以對于接收端的信號處理,就是選取接收信號強度最大的一個線圈,進行信號處理。

圖3 三線圈全向磁感應耦合模型

1.3 LM-MAC協議

針對鏈式拓撲結構的水下磁感應網絡系統,本文提出了一種基于等級劃分的高效MAC協議,LM-MAC。LM-MAC協議根據每一個通信節點到匯聚節點的邏輯跳數給每個節點分配一個等級值:某一個通信節點的等級值越小,說明該通信節點到匯聚節點的跳數越少。每一個通信節點都擁有一個唯一ID(Identity Number)值和初始等級值0,匯聚節點的等級值設為0。每一個通信節點只會接收并轉發來自等級值更大的節點數據,最終將數據聚集至匯聚節點,從而減少通信開銷,提高網絡能耗效率。

每個節點的等級建立過程如下:由匯聚節點廣播帶有自身等級值L=1的路由請求消息RREQ(Route Request),包括信源地址、廣播ID、序列號、信源節點等級等字段。信源地址表示發送RREQ消息的節點地址,廣播ID與源地址構成了一次RREQ消息的唯一表示。序列號是一個單調遞增的數字,由每個發起節點管理,序列號用于檢測該消息的新舊程度。若沒有收到RREP(Route Reply)消息則重發RREQ消息,序列號加1,否則重置序列號。RREP消息包括信源地址、信宿地址、廣播ID、序列號等字段。

等級更新過程如圖4、圖5所示:匯聚節點廣播自身等級為Lcur=1,接收到該消息的節點如果自身等級Lcur≠1,則需更新自身等級為1,記錄匯聚節點地址,并回復匯聚節點RREP消息。當等級為Lcur=i的節點接收到來自等級L=i-1的節點的消息,那么該節點的等級正確,并記錄下發送消息的等級為i的節點地址,并回復RREQ消息。但是過程中往往會有許多不同的情況,首先接收到等級為L=i-1的節點的消息后,如果當前節點沒有記錄有效的低級地址則選擇記錄發送方的地址,并根據發送方的等級更新自己的等級為Lcur=i。如果已經記錄了有效的路由信息,根據發送方的等級更新自己的等級為Lcur=i。整個網絡等級更新將會定時進行,以維持整個通信網絡的穩定性。

圖4 1級節點的等級更新過程

圖5 Lcur(Lcur≥2)級節點的等級更新過程

當所有節點都完成等級更新后,每個節點也已經構建一個簡單的路由信息表,用于確定與周圍節點的收發消息關系,確保不會存在由低等級節點向高等級節點傳遞信息的情況。該方法的優勢在于節點不需要構建到達匯聚節點的路由表信息,只需要知道低于該節點1級的節點地址即可。這樣,每一個通信節點都只需要知道整個通信網絡都的局部信息,在傳輸消息到匯聚節點的過程都只有且僅有一條傳輸路徑,就可以完成消息的傳輸。所有節點的等級信息更新完成之后,即可開始信息傳輸過程。

一個等級為i的通信節點一般具有四種狀態:從等級為i+1的節點接收數據(狀態R)、將數據發送給等級為i-1的節點(狀態T)、睡眠狀態S和監聽狀態Listening。通信方式借鑒了RTS/CTS握手機制,該機制也被廣泛應用于一些現有的基于競爭MAC協議中,如F-MAC[8]、T-MAC[9]、S-MAC[10]等。以圖6示例進行說明,假設節點C需要傳輸信息到傳送到匯聚節點,首先節點C廣播RTS(Ready To Send),如果一定時間內沒有收到CTS(Clear To Send)消息,則再次廣播。B節點在接收到C節點的RTS消息后,回復C節點CTS消息,C節點和B節點握手成功,開始數據傳輸,傳輸完成后,B節點回復C節點ACK消息確認,A節點在整個過程中都處于睡眠狀態。然后B節點向A節點發送RTS消息,C節點接收到RTS消息后,但是B節點的等級比C節點高,所以不處理直接進入睡眠狀態,A節點向B節點回復CTS消息,A節點和B節點握手成功,完成消息傳遞,A節點向B節點發送ACK(Acknowledgement Character)消息確認。迭代上述過程,直到將所有的傳感數據中繼傳輸至匯聚節點。

圖6 LM-MAC協議數據傳輸過程

圖6中SIFS(Short Inter-frame Space)為短幀間隔,表示了兩幀之間最短的時間區段,IEEE 802.11規定SIFS為9.6us表示為96個比特時間,本文所研究的磁感應通信傳輸速率為1200bit/s,一個比特為833us,所以SIFS值設為79968us,約80ms。在LM-MAC中,發送節點的RTS數據包含該節點的等級信息,而且由于每一個節點都知道下一跳節點的地址,所以發送節點廣播的RTS數據包含需要接收該信息的節點地址,相應的低級別節點的CTS數據就不會存在沖突,大幅度提高節點握手成功的概率。LM-MAC協議通過讓干擾節點在聽到RTS或CTS數據包后就進入睡眠狀態來避免無用的監聽。由于數據包通常比控制數據包長,因此該方法可以防止相鄰節點監聽到不需要的長數據包和ACK包。

在IEEE802.11[11]協議中,每一個節點會保持監聽到來自其鄰居節點的所有傳輸信息,以確保執行有效的虛擬載波監聽。因此,每一個節點都會監聽到并非執行自己的數據信息,從而造成能量的浪費,在節點密度高和數據負載很大時,更為明顯。LM-MAC協議與IEEE802.11MAC主要有三個不同:發送節點發送的RTS包含該節點的等級信息,只有相鄰的低級別節點才會用CTS應答;每個節點傳輸的地址根據節點的等級確定,在節點更新的過程中,可能會出現動態變化,以提高整個網絡的效率與穩定性;發送節點廣播RTS消息,會使用競爭窗口CW(Contention Window),退避時間在隨機性的基礎上,增加了等級的約束,隨機退避時間backoff如公式(1)所示,所以等級低的節點優先級最高,在競爭過程,更容易獲勝。

backoff=random[0,10]+10×(Lcur+1)

(1)

LM-MAC協議通過讓干擾節點在聽到RTS或CTS數據包后就進入睡眠狀態來避免無用的監聽。由于數據包通常比控制數據包長,因此該方法可以防止相鄰節點監聽到不需要的長數據包和ACK包。

由此可見,睡眠時間的設置對整個磁感應通信網絡的工作效率至關重要。如圖6所示,假設數據發送和數據接收所需的時間一致,數據發送T和數據接收R所需要的時間tT和tR為:

tT=tR=tDIFS+tCW+3tSIFS+tRTS+tCTS+tDATA+tACK

(2)

其中,tDIFS、tCW、tSIFS、tCTS、tRTS、tCTS、tDATA、tACK為對應消息所需要的時間。

如圖6所示,節點C和節點A的睡眠狀態時間分別為:

tSR=tCTS+3tSIFS+tDATA+tACK

(3)

tSC=2tSIFS+tDATA+tACK

(4)

睡眠時間的計算方式根據接收到進入睡眠狀態的信號不同而不同:節點接收到RTS消息后,睡眠時間計算方式為3個SIFS時間、1個CST消息幀時間、1個DATA數據幀時間、1個ACK確認幀時間的總和;節點接收到CTS消息后,睡眠時間計算方式為2個SIFS時間、1個DATA數據幀時間、1個ACK確認幀時間的總和。

如圖7所示,水下鏈式通信網絡共包含六個節點,受限于最大通信距離,每個節點只能接收到相鄰節點的數據。假如節點C要向節點D發送數據,為了保證節點D能夠正確接收,節點F需要進入睡眠狀態。節點A與節點E顯然不會對D產生干擾,所以不需要進入睡眠狀態。節點B距離節點D兩跳距離,其數據傳輸不影響D的數據接收,但是由于節點C的數據傳輸占用了信道,所以節點B無法接收到有效的回應數據。如果節點A對節點B進行數據傳輸也是浪費能量,所以節點B也需進入睡眠狀態,直到節點C對節點D的數據傳輸結束。

圖7 傳輸信息狀態分析

圖8和表2詳細敘述了LM-MAC協議的狀態轉移圖及其狀態轉換條件。

圖8 LM-MAC狀態轉移圖

表2 狀態轉換條件

2 仿真與結果分析

2.1 仿真場景設置

為了驗證LM-MAC協議的性能,本文利用OPNET網絡模擬器對LM-MAC協議的性能進行分析。單鏈網絡拓撲和雙鏈網絡拓撲如圖9所示:單鏈網絡拓撲由1個Sink節點和序號為1-7的傳感器節點組成,競爭較小;雙鏈網絡拓撲由2個Sink節點和兩排序號為1-7的傳感器節點組成,除匯聚節點外的每個節點的下一跳都存在兩個中繼節點。在數據傳輸過程中同級的兩個節點競爭同一個下級節點,所以數據沖突概率會大幅度提高。

圖9 仿真網絡拓撲結構

OPNET仿真中主要進程轉換狀態如圖10所示,4個紅色的狀態分別為發送狀態、接收狀態、睡眠狀態與監聽狀態。在發送狀態下,有發送RTS幀、發送數據、等待CTS等狀態轉換;在接收狀態下,有接收數據、發送CTS幀、接收ACK幀等狀態轉換;在睡眠狀態下,節點處于低功耗狀態等待喚醒;在監聽狀態下,根據監聽到的信息進行狀態轉換,節點監聽狀態時會進行等級更新。

圖10 OPNET仿真進程結構

2.2 仿真結果分析

本文采用如表3所示的指衡量標進行算法性能驗證,網絡吞吐量、傳輸時延、數據包投遞率在不同網絡負載情況下的性能比較。

表3 性能指標

本文分別仿真了LM-MAC單鏈結構與雙鏈結構的各項性能,同時在單鏈的情況下橫向對比了LM-MAC與IEEE802.11MAC。

圖11顯示了網絡吞吐量與網絡負載之間的關系,可以看到在負載較小時,吞吐量與負載兩者的關系為正相關,隨著負載的增加,LM-MAC的單鏈網絡、雙鏈網絡與IEEE802.11MAC的吞吐量逐漸增加。雙鏈網絡在負載較小的時候吞吐量要大于單鏈網絡,當負載達到一定程度,吞吐量就到達上限,之后即使網絡負載再增加,吞吐量也將維持不變,在此趨勢的基礎上,IEEE802.11MAC單鏈網絡的整體吞吐量要小于LM-MAC。

圖11 吞吐量與負載變化趨勢

圖12表明了傳輸時延與網絡負載之間的關系,單鏈網絡在網絡負載為40%之前傳輸時延都非常小,可見在低負載的情況下,數據沖突小,傳輸效率高,之后由于沖突加大傳輸時延增加,但一直到滿負載基本維持一條水平線,說明LM-MAC協議有效緩解了沖突概率。雙鏈網絡與單鏈網絡的變化趨勢類似,但是在負載為20%之后傳輸時間就開始陡增,由于雙鏈網絡的沖突比單鏈網絡更多,所以整體傳輸時延較高。但是在負載增大后,傳輸時延維持了一個比較穩定的數值,而IEEE802.11MAC的整體延時要高于單鏈網絡,但因為網絡結構比雙鏈簡單,所以延時低于雙鏈網絡。

圖12 數據包傳輸時延與負載變化趨勢

圖13展現了數據包投遞率與網絡負載之間的關系,可以看到兩種MAC單鏈網絡在負載為30%之前,數據包投遞率都是一直為100%。隨著負載的增加而逐漸減小,IEEE802.11整體要低于LM-MAC,而雙鏈網絡整體上隨著負載的增加,數據包投遞率一直在變小,但曲線逐漸平緩,也表明數據包投遞率逐漸穩定。

圖13 數據包投遞率與負載變化趨勢

綜上所示,LM-MAC協議應用在單鏈網絡由于結構簡單,消息沖突少,整體性能要優于IEEE802.11MAC,而且LM-MAC應用在雙鏈網絡的結果表現出其對于沖突情況有著很好的處理能力,整體通信網絡依然可以保持較好性能。

3 結 論

本文提出了一種基于磁感應通信的水下鏈式網絡MAC協議—LM-MAC,依據拓撲位置生成每個節點的不同等級值,每個節點根據等級控制數據轉發規則。每個節點設置了接收、發送、監聽和睡眠四種狀態機,根據工作條件不同進行狀態轉換。仿真結果表明了LM-MAC協議可以減少網絡通信負荷,在傳輸延時、數據包成功投遞率等指標都有明顯提高。