基于能量跨層優化的MAC協商策略

徐軒軒,楊彥紅,曹少中

(北京印刷學院信息工程學院,北京102600)

1 引言

水聲通信網絡作為一種新興網絡,在海上工業和海洋軍事等領域具有廣闊的應用前景,近年來成為了學者們研究的熱點。在水聲通信網絡中,節點間通過水聲信道進行數據交換,MAC協議決定了水聲信道的使用方式,能夠保障網絡可靠通信,是構建網絡系統的基礎[1]。但由于水聲通信其自身具有低帶寬、高時延等鮮明的特點,導致得原本適用于陸地的通信協議及算法不能用于水下通信環境中,因此設計一款高效的水下MAC協議是構建水聲通信網絡的首要任務[2]。

近年來,用于水下的MAC協議得到了廣泛的研究。這些協議都有各自的優缺點,可以根據特定的應用背景進行有針對性的設計。Kredo等人提出了H-MAC協議[3],這是基于競爭和調度的混合MAC協議,該協議結合TDMA和隨機信道訪問方法,通過減少碰撞來降低能源消耗。UWMAC[4,5]是Pompili專為水下通信設計的MAC協議,該協議結合CDMA和閉環分布式算法,設置最佳發射功率和包長度來減少多徑效應的影響。UWMAC是第一個針對水下低帶寬問題,利用CDMA特性實現多路訪問的協議。

2 水下MAC協議

在通信網絡中,研究人員最初采用握手協議來解決隱藏終端問題,握手流程如圖1所示,但是簡單的握手協議并不能完全避免沖突的發生。當發送節點S與接收節點R的距離較近,而可能產生干擾的節點N1距離較遠時,由于N1在收到節點R的發出的CTS信號前已經將RTS包發出,這可能導致RTS包與節點R接收的數據包發生沖突,如圖2所示。因此,為了避免類似的碰撞發生,握手類多址接入協議需要滿足如下兩個要求:①RTS包長大于最大傳輸延時;②CTS包長大于RTS包長加2倍最大傳輸時延再加上硬件“發送一接收”轉換時間[6]。這些條件構成了FAMA協議基礎。

圖1 握手協議時序圖

圖2 發生碰撞的握手協議

當傳統FAMA協議應用于水聲網絡時,由于水聲網絡的延遲遠大于陸地基于電磁波網絡,因此導致控制包(RTS,CTS)包長過大,發送過長的控制包會大大降低網絡效率并增加網絡能耗。為了改進FAMA使其能在水聲網絡應用,Hollins和Mica提出了 Slotted FAMA協議,具體流程如圖3所示[7]。Slotted FAMA協議將時間軸劃分為若干時隙并規定數據包和控制包只能在時隙開始時刻發送,并通過設計合理的時隙長度避免之前可能產生的碰撞。但這對于傳輸的數據包的大小有嚴格的控制,違反條件將導致數據沖突,并且沒有明顯降低端到端延遲。

圖3 Slotted FAMA時序圖

基于此,在設計水聲通信網絡的MAC協議時,需要注意其它一些關鍵問題:

1) 節點時空不確定性[8]。為了避免MAC層數據包的碰撞,需要注意的是:收、發節點的傳輸時延不僅和數據包的發送時間有關,還與節點間的距離有關。因此,在設計信道協商方案的時候,不僅需要考慮時間上的分配機制,還需要考慮空間上的節點分布情況來有效降低數據包的碰撞率;

2) 節點能量消耗。在水聲通信網絡中,節點電量有限且通常電池不能再充電,因此在設計水下MAC協議時需要考慮節點的能量消耗,避免節點多次利用導致的關鍵節點死亡,延長網絡壽命。

考慮到這兩個問題,提出的DMMAC協議可以通過節點間的廣播,確定節點間的位置距離,計算最佳發送包的長度,進行信息壓縮,降低碰撞的概率。同時根據接收端的剩余能量進行通信質量評估,將信道進行優先級排序,動態選擇最佳信道。分析和仿真結果表明,DMMAC在網絡吞吐量、端到端時延和能量消耗方面都有顯著提升。

3 DMMAC協議設計

DMMAC協議是一種基于Slotted FAMA的能量跨層優化的MAC協議。DMMAC包括信息收集與處理、信道選擇和數據傳輸三個階段。在信息收集與處理階段,節點通過偵聽控制信道確認是否有傳輸任務,收集鄰居節點信息以便后續最佳信道的選擇。在信道選擇階段,節點通過RTS/CTS收集數據,根據收集到的信息計算最佳傳輸包大小,同時根據接收端剩余能量進行通信質量評估,根據應用場景將數據包進行優先級排序,動態選擇最佳信道。在數據傳輸階段,節點間通過切換數據通道進行數據傳輸。

如圖4所示,發送節點S通過監聽信道確認控制信道是否空閑,當控制信道空閑時,節點S發送RTS。RTS包括發送節點的位置信息和剩余能量、接收節點的標識和數據包長度。在接收節點收到RTS后,結合節點本身,根據接收到的信息進行處理,發送CTS給S節點,S節點根據CTS中最佳數據包長度和通信質量評估結果,進行信息壓縮。然后,發送節點S和接收節點R都切換到數據通道進行數據傳輸。在傳輸完成后,接收節點會廣播ACK,鄰居節點可以重新進行傳輸請求。

圖4 DMMAC時序圖

3.1 最佳包長度

DMMAC協議在信息的收集與處理階段,通過解析收到RTS中的信息,結合自身節點位置信道,計算最佳數據包的長度,以防傳輸碰撞。如圖5所示,接收速率隨著數據包長度的增加而降低,所以選擇一個合適的包長度尤為重要。

圖5 接收速率和數據包長度之間的關系

圖6 傳輸路徑選擇示例

發送節點S向接收節點R準備發長度為L的數據包,從開始到接收結束的時間如下

tdelay=ts+ttp+tr

(1)

即總延遲為發送延遲、傳輸延遲和接收延遲之和。發送延遲、接收延遲和數據包長度、發送速率的關系為

(2)

傳輸延遲與發送節點S、接收節點R和傳播速度的關系為

(3)

當實際傳輸總延遲小于額外通信傳輸所需時間時,可以避免發生碰撞

tdelay<2ttp

(4)

基于以上討論,綜合(1)、(2)、(3)、(4)式,得

(5)

當傳輸數據包長度小于閾值時,可以直接進行數據傳輸,否則需要先進行數據壓縮再傳輸。

3.2 通信質量評估

在水下通信中,在信道質量較好的情況下才會有較大的吞吐量,但是水下節點的能量是有限的,同個節點經過多次傳輸,能量會急劇消耗,這很容易導致通信鏈路中斷,降低網絡壽命。所以,DMMAC協議通過節點平均能量消耗來進行通信質量評估,動態選擇最佳傳輸路徑。因此,通信質量評估可以通過以下公式計算

(6)

表1展示了節點S傳輸到節點R的所有傳輸路徑。通過式(5)計算S到A的最佳傳輸方式為S到A2,若最后計算得到的值相同,則通過節點間的位置距離進行判斷,優先選擇距離較近的節點進行傳輸。

表1 節點傳輸過程

4 仿真分析

為評估DMMAC協議的性能,進行了仿真分析,在Aqua-Sim-NG環境中實現了一個完整的網絡仿真,并和基于RTS/CTS的MAC和Slotted FAMA進行了比較。在本文中,在50×50×50(km)的區域內隨機部署20個水下節點,由于沒有考慮到網絡維護,還需要設置一些參數,具體仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數設置

端到端延遲指數據包從發送到接收的時間,圖7展示了三種協議隨檢測數據量的變化產生的端到端延遲變化的趨勢。從圖中可以看出,相較于RTS/CTS和Slotted FAMA協議,在檢測數據量較低時,DMMAC表現出了較高的端到端延遲,而當檢測數據量較高時,DMMAC的端到端延遲比RTS/CTS和Slotted FAMA的端到端延遲變化更穩定。這是因為在檢測速率較低時,節點間可以通過直接握手來降低時延,而在檢測速率較高時,它需要判斷最佳數據包大小來進行壓縮處理,從而減少通信次數。

圖7 端到端延遲

吞吐量可以詳細描述為接收節點收到包的個數和發送節點傳輸包總數的比率,圖8展示了三種協議吞吐量的變化趨勢。從圖中可以看到,基于RTS/CTS的MAC協議的吞吐量在整體上隨著檢測數據量的增加而降低,這是因為隨著檢測數據量的增加,網絡負載也會急劇增加,從而導致了數據包沖突率的增加。Slotted FAMA和DMMAC隨著檢測數據量的增加,吞吐量趨于穩定,這是因為它們通過沖突檢測機制或鏈路質量評估,動態選擇了最佳信道,以避免過多的沖突。對比Slotted FAMA和DMMAC可以發現,DMMAC的吞吐量性能要優于Slotted FAMA,這是因為DMMAC綜合考慮了節點的能量消耗和通信鏈路質量,減少了通信次數,提高了網絡壽命。

圖8 吞吐量

5 結論

本文提出了一種基于能量跨層優化的MAC協商策略DMMAC。DMMAC根據節點距離計算最佳傳輸包的大小,讓發送節點進行數據包的壓縮,從而降低碰撞概率。DMMAC在選擇傳輸路徑時,考慮了節點的壽命,根據節點平均能量來評估通信質量,通過節點的充分利用有效提高網絡通信壽命。仿真結果表明,DMMAC性能要優于基于RTS/CTS的MAC和Slotted FAMA。