基于Aqua-Sim 的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 層協(xié)議分析*

李 莉，楊麗娟，李 鋼，趙 靜

(1.沈陽化工大學(xué) 計算機學(xué)院，遼寧 沈陽110142;2.吉林石化公司 丙烯腈廠，吉林 吉林132021)

0 引 言

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是21 世紀(jì)新興的重要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，在科技、軍事和民用領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用前景。目前，很多國家相繼加大了水聲領(lǐng)域的研究力度。國內(nèi)的一些研究機構(gòu)也開展了關(guān)于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，中國科學(xué)院、715 所、東南大學(xué)、廈門大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等單位在我國水下網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究中取得了很多重要成果［1］。但由于水聲環(huán)境的多噪聲、傳輸環(huán)境的不穩(wěn)定以及高傳播延時、多徑效應(yīng)、窄帶寬等復(fù)雜特點，適用于陸上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多優(yōu)秀技術(shù)和協(xié)議，無法直接應(yīng)用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)還有許多重要技術(shù)需要研究和解決，且主要集中在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。

本文研究的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介入控制(media access control，MAC)層協(xié)議是研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 層協(xié)議

1.1 MAC 層協(xié)議分類［2］

在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC 協(xié)議決定了水聲信道的使用方式，它主要解決的是多個用戶怎樣合理有效地利用水聲信道的問題［3］。針對不同的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，研究人員提出了多種MAC 協(xié)議，這些協(xié)議可以按照不同的方式劃分成不同的類別。按照同步網(wǎng)絡(luò)、異步網(wǎng)絡(luò)的劃分方式，可以將MAC 協(xié)議劃分成同步MAC 協(xié)議和異步MAC協(xié)議。按照信道分配方式的不同，可以將MAC協(xié)議分為三大類:采用無線信道的時分復(fù)用方式的MAC 協(xié)議、基于競爭機制的MAC 協(xié)議和輪替分配方式的MAC 協(xié)議。本文主要研究了基于競爭機制的Broadcast MAC 協(xié)議和R－MAC協(xié)議，針對水聲信道仿真分析并比較了兩種協(xié)議的相關(guān)性能。

1.2 協(xié)議介紹

1.2.1 Broadcast MAC［4］協(xié)議

Broadcast MAC 協(xié)議是一種基于競爭機制的非持續(xù)載波偵聽廣播MAC 協(xié)議。它的原理是:當(dāng)一個節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送，先查看信道，如果信道為空，就廣播該數(shù)據(jù)分組;否則，將退避一段時間T。如果T 超出了限值，該數(shù)據(jù)分組有可能會丟失。當(dāng)接收端接收到該數(shù)據(jù)分組時，不需要向發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)(Acknowledgement，ACK)字符確認(rèn)。Broadcast MAC 協(xié)議原理很簡單，在網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)量相對較低時它非常有效。此外，這個協(xié)議可以充分利用水聲信道的廣播環(huán)境，對地理(Geographic，GEO)路由協(xié)議非常適用。

1.2.2 R－MAC［5］協(xié)議

R－MAC 協(xié)議是Aqua－Sim 針對水聲信道提出的一種新協(xié)議，協(xié)議中，每個節(jié)點周期性地偵聽和睡眠。當(dāng)一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，R－MAC 采用基于預(yù)約的方式來同步，以避免數(shù)據(jù)沖突。R－MAC 協(xié)議分為三個部分:1)節(jié)點初始化，節(jié)點之間通過發(fā)送控制信息來測量每兩個節(jié)點間的傳輸延時和傳播延時;2)每個節(jié)點隨機選擇一個偵聽和睡眠周期開始的時間，并向其他節(jié)點廣播這個信息，這樣最終每個節(jié)點都會記錄一個包含所有節(jié)點的周期時間表;3)利用(2)中的時間表，節(jié)點間相互協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)用以避免碰撞。

本文利用基于NS2［6］的Aqua－Sim 仿真軟件對以上兩種協(xié)議進行仿真分析，通過對兩種協(xié)議在平均數(shù)據(jù)包延時、平均能量消耗(每個數(shù)據(jù)包能量消耗的平均值)以及平均吞吐量的比較，分析兩種協(xié)議在集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水聲傳感器子網(wǎng)中的性能。

2 Aqua-Sim 仿真平臺

Aqua－Sim 是一個專門模擬分析水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真軟件，由美國康涅狄格大學(xué)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)研究室于2009 年在NS2 基礎(chǔ)上開發(fā)而成。目前已有兩個版本，Aqua－Sim 1.0 和Aqua－Sim Beta 版本，本文實驗使用的是Aqua－Sim 1.0 版本。

與NS2 一樣，Aqua－Sim 同樣采用了面向?qū)ο箢惖脑O(shè)計概念。圖1 展示了Aqua－Sim 1.0 的類圖［4］。“Underwater－Node”對象是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的抽象，它封裝了許多有關(guān)節(jié)點的信息，比如:節(jié)點的位置和節(jié)點的移動速度等參數(shù)信息。“UnderwaterChannel”對象代表的是水聲信道，它向上層提供公共的接口，比如:上層的路由層對象可以通過這個接口獲取信道參數(shù)信息。“UnderwaterPhy”代表的是水聲物理層，它封裝了水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的信息，比如:衰減模型和碰撞模型等，同時，它為傳輸器提供電源開關(guān)接口，并且可以設(shè)置傳輸和發(fā)送的功率。“UnderwaterMAC”代表的是水聲MAC 層，它封裝了MAC 層協(xié)議，Aqua－Sim 1.0的MAC 層封裝了四個MAC 協(xié)議:T－MAC，R－MAC，Broadcast MAC，Aloha MAC。MAC 層的上面是路由層，Aqua－Sim 1.0封裝了四個路由協(xié)議:Vector－Based Forwarding(VBF)，Vector－Based Void Avoidance(VBVA)［7］，Depth－base Routing(DBR)，Q－learning－based Routing(QELAR)。

圖1 Aqua-Sim 1.0 的類圖Fig 1 Class diagram of Aqua-Sim 1.0

3 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 層協(xié)議仿真

3.1 仿真步驟與仿真參數(shù)設(shè)置

在Aqua－Sim 平臺上進行一次MAC 層協(xié)議仿真一般經(jīng)過如下步驟:1)編寫Otcl 仿真代碼，包括設(shè)置仿真參數(shù)信息和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等;2)運行Aqua－Sim 加載仿真腳本進行仿真，執(zhí)行成功后會生成.tr 文件和.nam 文件，.tr 文件即trace跟蹤文件，它記錄了整個仿真過程的詳細(xì)信息，.nam 文件記錄了NAM 動畫輸入信息，可以用它將整個仿真過程展示出來;3)編寫分析網(wǎng)絡(luò)性能的gawk 代碼，用于分析仿真生成的trace 跟蹤文件;4)利用畫圖軟件將上一步中分析出的數(shù)據(jù)以圖形方式呈現(xiàn)出來，本文使用的畫圖工具是Matlab。

本文主要通過Aqua－Sim 仿真軟件分析Broadcast MAC和R－MAC 協(xié)議在集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水聲傳感器子網(wǎng)中的性能。本實驗中，仿真網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都采用統(tǒng)一的能量模型，初始能量為10000 J，根據(jù)UMW 1000［5］型水聲調(diào)制解調(diào)器的參數(shù)，設(shè)置節(jié)點發(fā)送一次報文消耗能量2 W，接收一次報文消耗能量0.75 W，睡眠狀態(tài)下消耗的能量是0.008 W，比特率設(shè)置為10 000 bit/s，仿真時間為500 s，幾何衰減選取球面?zhèn)鞑ツＰ停瑐鞑シ秶鸀?0 m。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指用傳輸媒體互連各種設(shè)備的物理布局，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多跳式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三種基本方式［8］。水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，綜合考慮到覆蓋范圍大、消耗電池能量小、易于接入陸上主干網(wǎng)等要求，通常采用集中式和多跳式混合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在單個子網(wǎng)內(nèi)采用集中式，每個節(jié)點的硬件標(biāo)準(zhǔn)是一致的，這樣當(dāng)中心節(jié)點出現(xiàn)問題時可以從其他節(jié)點中選出合適的節(jié)點來代替。在大范圍上采用多跳式，每個子網(wǎng)選出一個合適的節(jié)點充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，此網(wǎng)關(guān)可以和其他子網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)通信，從而實現(xiàn)多個子網(wǎng)的信息交流［9］。

本文主要針對小范圍的子網(wǎng)內(nèi)的MAC 協(xié)議進行仿真，采用集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實驗設(shè)置了五個節(jié)點，具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig 2 Network topology structure

3.3 仿真結(jié)果與分析

實驗分別仿真了Broadcast MAC 和R－MAC 兩種不同協(xié)議在五個節(jié)點的集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的數(shù)據(jù)傳輸過程，計算得到了平均數(shù)據(jù)包延時、平均能量消耗以及平均吞吐量等性能參數(shù)，如圖3～圖5 所示。

圖3 平均數(shù)據(jù)包延時Fig 3 Average packet delay

圖4 平均能量消耗Fig 4 Average energy consumption

圖5 平均吞吐量Fig 5 Average throughput

由圖3 可以看出:Broadcast MAC 協(xié)議和R－MAC 協(xié)議在平均數(shù)據(jù)包延時上相差很小，Broadcast MAC 略低一些，但總體來看兩者的延時都比較小，均低于0.1 s。圖4 是每個包的平均能量消耗圖，可以看出R－MAC 協(xié)議在能耗上要明顯優(yōu)于Broadcast MAC 協(xié)議，Broadcast MAC 隨著節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)速率的增加，能量消耗越來越大，在0.3 包/s 時，達到了27 J，而R－MAC 一直維持在2 J 左右，這是因為在RMAC 中精確計算了傳播延時和傳輸延時，并且在此基礎(chǔ)上節(jié)點間有序地發(fā)送數(shù)據(jù)而幾乎避免了碰撞，從而降低了能量消耗。但是這也導(dǎo)致了在吞吐量上R－MAC 沒有優(yōu)勢，如圖5 所示，大約在數(shù)據(jù)速率達到0.06 包/s 后，Broadcast MAC 慢慢超過R－MAC，在0.3 包/s 時，Broadcast MAC 的吞吐量超過了400 bps，而R－MAC 依然保持在100 bps 左右。因此，從集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水聲傳感器子網(wǎng)來看，Broadcast MAC 協(xié)議更適合于要求較高吞吐量的應(yīng)用環(huán)境，而R－MAC協(xié)議更適合于在能量消耗方面有嚴(yán)格要求的應(yīng)用環(huán)境。

4 結(jié) 論

本文研究了水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC 層協(xié)議，主要利用Aqua－Sim 仿真平臺在五個節(jié)點的集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中模擬了Broadcast MAC 協(xié)議和R－MAC 協(xié)議的傳輸過程，分析比較了兩種協(xié)議在平均數(shù)據(jù)包延時、平均能量消耗以及平均吞吐量方面的差異。在平均數(shù)據(jù)包延時方面，兩種協(xié)議相差不大，在平均能量消耗方面，R－MAC 協(xié)議要明顯優(yōu)于Broadcast MAC 協(xié)議，而在平均吞吐量上，隨著節(jié)點數(shù)據(jù)速率的增加，Broadcast MAC 協(xié)議遠遠超過了R－MAC協(xié)議。因此，從本文研究的集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水聲傳感器子網(wǎng)來看，Broadcast MAC 協(xié)議更適合于吞吐量要求較高的應(yīng)用環(huán)境，而R－MAC 協(xié)議更適合于在性能方面要求比較節(jié)能的應(yīng)用環(huán)境。

［1］ 王 宇.基于NS2 的水下自組網(wǎng)MAC 層協(xié)議設(shè)計［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2012:1－2.

［2］ 袁 科.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議仿真研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010:13－20.

［3］ 張洪東.基于NS2 的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬仿真技術(shù)研究［D］.青島:中國海洋大學(xué)，2009:18－21.

［4］ Peng Xie，Zhong Zhou，Zheng Peng，et al.Aqua－Sim:An NS－2 based simulator for underwater sensor networks［C］∥Proc of OCEANS’09，Biloxi，USA:IEEE，2009.

［5］ Xie Peng，Cui J H.R－MAC:An energy－efficient MAC protocol for underwater sensor networks［C］∥Proceedings of International Conference on Wireless Algorithms，Systems，and Applications(WASA)，Chicago，USA:IEEE Computer Society，2007:187－198.

［6］ 于 斌，孫 斌，溫 暖.NS2 與網(wǎng)絡(luò)模擬［M］.北京:人民郵電出版社，2007:1－9.

［7］ Xie Peng，Zhou Robert Zhong，Zheng James Peng，et al.Void avoidance in three－dimensional mobile underwater sensor networks［C］∥Proceedings of International Conference on Wireless Algorithms，Systems，and Applications(WASA)，Boston，USA，2009:305－314.

［8］ 吳 云.基于時分的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2011:4－6.

［9］ 楊長清.水下通信網(wǎng)MAC 層協(xié)議研究［D］.南京:東南大學(xué)，2004:44－47.