基于最優(yōu)窗口的水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究

張錦燦，陳衛(wèi)東，王大宇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于最優(yōu)窗口的水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究

張錦燦，陳衛(wèi)東，王大宇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要海洋水聲信道的復(fù)雜性和多變性會(huì)對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)中的介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議性能造成影響。為更好地適應(yīng)水聲環(huán)境，對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)中基于競(jìng)爭(zhēng)窗口的MAC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于最優(yōu)窗口的MAC協(xié)議以及窗口值的優(yōu)化策略，利用開(kāi)源平臺(tái)NS-3對(duì)其進(jìn)行仿真，分析得出了水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、通信帶寬和數(shù)據(jù)包大小與最優(yōu)窗口大小之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，在最優(yōu)窗口下水聲網(wǎng)絡(luò)的吞吐量得到了顯著提升，這一結(jié)論將為今后構(gòu)建水聲網(wǎng)絡(luò)提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞水聲網(wǎng)絡(luò)；介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議；最優(yōu)窗口

Research on MAC Protocol of Underwater Acoustic Network Based on Optimal-window

ZHANG Jin-can，CHEN Wei-dong，WANG Da-yu

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe complexity and variability of oceanic acoustic channel have great influence on the performance of Media Access Control (MAC) protocol of Underwater Acoustic Network (UAN).To be better adapted to underwater circumstance,a strategy of optimal-window has been proposed to improve the performance of MAC protocol based on Contention Window (CW).By using the open source network simulation platform NS-3,the relationship between the optimal-window and the number of nodes,communication bandwidth and size of packet is analyzed in an underwater circumstance.The simulation result shows that in optimal-window,the throughput of UAN is evidently improved.The result provides the data support and a solid theoretical basis for building UANs in the future.

Key wordsUAN;MAC;optimal-window

0引言

水聲網(wǎng)絡(luò)將水下獨(dú)立節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)融合，達(dá)到信息互通和共享的目的，突破了單節(jié)點(diǎn)監(jiān)控范圍和處理能力的限制，可以實(shí)現(xiàn)水下監(jiān)聽(tīng)、情報(bào)采集以及多節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合測(cè)向、定位等功能，在軍事、民用領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景[1,2]。但是，海洋信道的高時(shí)延、低速率、復(fù)雜多途以及多普勒效應(yīng)嚴(yán)重的特點(diǎn)[3]使得傳統(tǒng)的MAC協(xié)議無(wú)法適用于水聲網(wǎng)絡(luò)。

MAC協(xié)議是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一，它是水聲網(wǎng)絡(luò)(UAN)4層結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)的一部分，介于網(wǎng)絡(luò)層和物理層之間，基本任務(wù)是控制各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)通信信道的使用，在保證公平性的同時(shí)兼顧吞吐量和延遲等性能指標(biāo)[4]。近年來(lái)針對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)不同特性，研究和提出了很多專(zhuān)用MAC協(xié)議。隨機(jī)接入型的ALOHA協(xié)議控制幀數(shù)量少，適合應(yīng)用在水下低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境； T-Lohi協(xié)議[5]針對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)攜帶能量有限、通信帶寬窄設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的信道利用率和穩(wěn)定的吞吐率,并且能在一定程度上減少能量的消耗,延長(zhǎng)水聲網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間；MACAW[6]協(xié)議通過(guò)引入握手和預(yù)約信道機(jī)制來(lái)降低水聲網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包之間的沖突，最終提高系統(tǒng)吞吐量和各個(gè)節(jié)點(diǎn)接入信道的公平性；以上協(xié)議均未考慮水聲網(wǎng)絡(luò)中嚴(yán)重的數(shù)據(jù)包沖突問(wèn)題，本文提到的CW-MAC[7]協(xié)議及其優(yōu)化策略，專(zhuān)門(mén)針對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包碰撞沖突率高、水聲信道高時(shí)延、低速率特性設(shè)計(jì)，通過(guò)引入競(jìng)爭(zhēng)窗口和隨機(jī)回退機(jī)制，可顯著降低沖突，進(jìn)而提升水聲網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

1CW-MAC協(xié)議

CW-MAC協(xié)議是對(duì)著名的ALOHA協(xié)議的改進(jìn)，在ALOHA協(xié)議中，任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，立即發(fā)送，無(wú)需考慮數(shù)據(jù)幀碰撞、信道監(jiān)測(cè)等因素。研究發(fā)現(xiàn)[8,9]，ALOHA協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)性能較好，能夠達(dá)到合理的吞吐量和時(shí)延，但隨著系統(tǒng)負(fù)載的增加，尤其是在超過(guò)18.4%這一門(mén)限值后，數(shù)據(jù)幀之間的碰撞愈發(fā)頻繁，系統(tǒng)性能迅速惡化。

針對(duì)這一問(wèn)題，CW-MAC協(xié)議中提出的解決措施是引入競(jìng)爭(zhēng)窗口和隨機(jī)回退機(jī)制，即設(shè)置一個(gè)初始化為0的CW(競(jìng)爭(zhēng)窗口)值，時(shí)間片長(zhǎng)度σ(保證節(jié)點(diǎn)在一個(gè)σ內(nèi)可以檢測(cè)信道占用狀況)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，隨機(jī)地在0~CW-1選取一個(gè)值N，同時(shí)啟動(dòng)時(shí)間為N*σ的計(jì)時(shí)器，在計(jì)時(shí)器到期時(shí)立即發(fā)送數(shù)據(jù)。如果發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，則將CW值加倍，繼續(xù)重復(fù)這一過(guò)程，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功，將CW值置為零。CW-MAC協(xié)議有限狀態(tài)機(jī)如圖 1所示。

圖1　CW-MAC協(xié)議有限狀態(tài)機(jī)

傳統(tǒng)的CW-MAC協(xié)議下，競(jìng)爭(zhēng)窗口越大，隨機(jī)退避機(jī)制解決沖突的能力就越強(qiáng)，在使用較大的窗口值時(shí)，選擇相同隨機(jī)退避時(shí)間的可能性大大減小。一方面，輕負(fù)載情況下，小的窗口值保證了較小的時(shí)延；另一方面，重載情況下，隨機(jī)等待時(shí)間隨著沖突產(chǎn)生次數(shù)增加指數(shù)遞增，降低了沖突發(fā)生的概率。該機(jī)制的引入雖然最終結(jié)果是數(shù)據(jù)沖突的概率降低,但是處理過(guò)程中頻繁改變窗口值，無(wú)形中增加了節(jié)點(diǎn)等待時(shí)間，造成資源浪費(fèi)，影響到系統(tǒng)吞吐量。

本文通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，由于水聲通信環(huán)境的復(fù)雜性，其高時(shí)延和時(shí)變、空變特性使得在窗口值較小時(shí)碰撞和錯(cuò)誤發(fā)生的概率依然較大。因此，提出基于最優(yōu)窗口值的改進(jìn)措施。具體方法是通過(guò)分析仿真數(shù)據(jù),找到數(shù)據(jù)包大小、通信速率和節(jié)點(diǎn)數(shù)量三大變量對(duì)最優(yōu)窗口值CWopt的影響，直接在協(xié)議運(yùn)行最初將窗口值設(shè)置為最優(yōu)。由于避開(kāi)了小窗口值時(shí)隨機(jī)回退收益較小的初級(jí)階段，使得數(shù)據(jù)包沖突在協(xié)議運(yùn)行最初即降為最低，能夠降低通信時(shí)延，進(jìn)而增加系統(tǒng)吞吐量。

2NS-3仿真平臺(tái)

在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究中，對(duì)協(xié)議和設(shè)備的驗(yàn)證、測(cè)試以及設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)中，需要先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)，現(xiàn)在常用的網(wǎng)絡(luò)模擬器主要有OPNET、OMNeT++[10]和NS-3[11,12]。綜合仿真速度、可靠性和易用性等多種因素，本文采用NS-3作為仿真平臺(tái)進(jìn)行分析。NS-3的最大優(yōu)勢(shì)在于其模塊都采用C++編寫(xiě)，結(jié)合tutorial和大量的示例代碼，很容易上手。NS-3的仿真腳本支持2種語(yǔ)言，C++和Python，易用性和可擴(kuò)展性都很好。NS-3的基本模型如圖2所示。

圖2　NS-3 基本模型

一次完整的仿真流程可以概括如下：應(yīng)用層產(chǎn)生數(shù)據(jù)，利用Socket仿真程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分組的向下傳遞進(jìn)入TCP/IP協(xié)議棧，層層封裝、逐層下發(fā)，最終到達(dá)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在形成比特流，通過(guò)具有某種傳輸特性的信道傳輸給目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)接收到比特流，按規(guī)則合成數(shù)據(jù)幀，再?gòu)南峦现饘愚D(zhuǎn)交并解封裝，最后經(jīng)由傳輸層的端口號(hào)轉(zhuǎn)交給相應(yīng)的應(yīng)用程序。

3仿真結(jié)果及分析

仿真中，系統(tǒng)為L(zhǎng)inux發(fā)行版Ubuntu12.04LTS,NS-3使用的版本是ns-allinone-3.23。本文使用到的仿真場(chǎng)景中,水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在70 m水深處，時(shí)間片長(zhǎng)度σ=0.2 s。單次仿真持續(xù)時(shí)間100 s,為了確保得到的數(shù)據(jù)有效可靠，每100 s即對(duì)實(shí)驗(yàn)拓?fù)溥M(jìn)行重新隨機(jī)分布。控制變化的參量主要有數(shù)據(jù)包大小、競(jìng)爭(zhēng)窗口大小、節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及通信速率。

CW-MAC協(xié)議的吞吐量計(jì)算方法如式(1)所示。設(shè)置記錄接收數(shù)據(jù)量的變量，每次成功接收到數(shù)據(jù)包進(jìn)行累加，最后和仿真時(shí)間進(jìn)行運(yùn)算即可得到該次仿真中實(shí)際吞吐量大小。由于需要研究不同CW值下吞吐量的變化規(guī)律，因此每次CW值發(fā)生變化都需要重置接收量參數(shù)。

(1)

在NS-3仿真得到的原始數(shù)據(jù)中，詳細(xì)記錄下了每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送及接收數(shù)據(jù)的時(shí)間、源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和包大小，從中可以分析出仿真中不同競(jìng)爭(zhēng)窗口值下的吞吐量，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得到以下仿真結(jié)果。

不同通信速率下，系統(tǒng)吞吐量隨窗口值大小之間的變化曲線如圖 3所示。其中，圖 3(a)是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，圖 3(b)是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的四階多項(xiàng)式擬合曲線。圖3中可以發(fā)現(xiàn)，由于CW-MAC協(xié)議采用的沖突避免機(jī)制有效減少了ALOHA協(xié)議想發(fā)就發(fā)造成的大量數(shù)據(jù)沖突和重發(fā)，因此不管通信速率大小如何，只要窗口值合適，CW-MAC協(xié)議的吞吐量都可以突破傳統(tǒng)ALOHA協(xié)議18.4%的最大吞吐量。并且當(dāng)窗口大小達(dá)到CWopt之后，吞吐量開(kāi)始呈下降趨勢(shì)。這是由于隨著窗口的增大，隨機(jī)回退機(jī)制帶來(lái)的吞吐量增加紅利消失，取而代之的是由于節(jié)點(diǎn)頻繁大幅度的回退造成的時(shí)延增加，使得吞吐量逐步下降。

圖3　系統(tǒng)吞吐量隨CW值變化曲線

不同通信速率下，吞吐量達(dá)到最大時(shí)對(duì)應(yīng)的窗口值如表1所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著水聲網(wǎng)絡(luò)通信速率的增大,節(jié)點(diǎn)密度過(guò)低導(dǎo)致現(xiàn)有帶寬利用不充分。同時(shí)，窗口值過(guò)大帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)開(kāi)始起作用，越來(lái)越早地出現(xiàn)吞吐量拐點(diǎn)，最終呈現(xiàn)出隨著通信速率的增加，最大吞吐量反而下降的現(xiàn)象。

表1　不同速率下CWopt值

不同數(shù)據(jù)包大小情況下，系統(tǒng)吞吐量隨窗口值大小變化的曲線如圖 4所示。結(jié)合圖 4(a)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和圖 4(b)四階擬合曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著單個(gè)數(shù)據(jù)包的增大，系統(tǒng)吞吐量得到提升，這種趨勢(shì)在窗口值較大的時(shí)候更加明顯。由圖4(b)的擬合曲線，可以更加清晰地看出這種現(xiàn)象，數(shù)據(jù)包的增大，延緩了CWopt的出現(xiàn)，吞吐量得以繼續(xù)攀升。

圖4　系統(tǒng)吞吐量隨數(shù)據(jù)包大小變化曲線

水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同情況下，系統(tǒng)吞吐量隨窗口值大小變化的曲線如圖 5所示。圖5表明在通信速率和覆蓋范圍不變的情況下，水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多會(huì)造成數(shù)據(jù)包沖突增多，給吞吐量造成負(fù)面影響。同時(shí)，擬合曲線的特性表明，節(jié)點(diǎn)密度增加使得系統(tǒng)能夠在更大的窗口范圍內(nèi)維持在較高的吞吐量，延緩了CWopt的出現(xiàn)。

圖5　系統(tǒng)吞吐量隨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)變化曲線

4最優(yōu)窗口值

通過(guò)上述的仿真數(shù)據(jù)及其分析可以發(fā)現(xiàn)，能夠獲得最大吞吐量的最優(yōu)窗口值CWopt主要受到節(jié)點(diǎn)數(shù)量、通信速率和數(shù)據(jù)包大小的影響。進(jìn)一步，對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)CW-MAC協(xié)議運(yùn)行機(jī)制和主要變量進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N，平均通信距離d，聲速v，則傳輸時(shí)延ttrans=d/v，數(shù)據(jù)包大小為p，通信速率Rb，則發(fā)送時(shí)延為tdelay=p/(Rb)，已知時(shí)間片長(zhǎng)度σ，則可計(jì)算單個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸成功所需窗口值Win：

(2)

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計(jì)算出Win值和由以上各式擬合曲線CWopt之間的關(guān)系，散點(diǎn)圖可以得到線性擬合趨勢(shì)線如圖 6所示。

圖6　Win和CWopt關(guān)系曲線

得到了Win值CWopt之間關(guān)系：

CWopt=2*Win-6。

(3)

有了二者之間關(guān)系式，可根據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)布設(shè)環(huán)境進(jìn)行窗口值預(yù)設(shè)，最優(yōu)的窗口值可以減少傳統(tǒng)處理機(jī)制在不停碰撞、回退和重發(fā)過(guò)程中引起的時(shí)延和能量消耗。

根據(jù)式(3)修改水聲網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，得出結(jié)果如表2所示，從吞吐量對(duì)比中可以看出，改進(jìn)后，最優(yōu)窗口的CW-MAC協(xié)議在吞吐量表現(xiàn)上均優(yōu)于傳統(tǒng)CW-MAC協(xié)議，而且CWopt值越大，性能提升越明顯。其原因在于最優(yōu)窗口值的協(xié)議在運(yùn)行一開(kāi)始就將沖突概率降為較低水平，而傳統(tǒng)機(jī)制在不停的回退、沖突和重設(shè)窗口值的循環(huán)過(guò)程中加大了時(shí)延，拉低了平均吞吐量。

表2　不同策略下水聲網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比

5結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)仿真分析得出了CW-MAC協(xié)議中最優(yōu)窗口值和通信速率、節(jié)點(diǎn)密度、數(shù)據(jù)包大小因素之間的線性關(guān)系。對(duì)得出的關(guān)系公式進(jìn)行反向驗(yàn)證，結(jié)果顯示本文提出的基于最優(yōu)窗口的改進(jìn)策略進(jìn)一步優(yōu)化CW-MAC協(xié)議，提升了水聲網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

隨著國(guó)家策略向海洋傾斜，未來(lái)大規(guī)模的水聲網(wǎng)絡(luò)必將投入應(yīng)用，相信基于最優(yōu)窗口的水聲網(wǎng)絡(luò)CW-MAC協(xié)議將在其中發(fā)揮重要作用。

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張錦燦男,(1987—)，碩士研究生。主要研究方向：水聲通信網(wǎng)絡(luò)。

陳衛(wèi)東男,(1968—)，研究員。主要研究方向：通信信號(hào)處理、軟件無(wú)線電。

作者簡(jiǎn)介

中圖分類(lèi)號(hào)TN911.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)02-0010-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐資助項(xiàng)目(2014BAK02B04)。

收稿日期：2015-11-09

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.03

引用格式：張錦燦，陳衛(wèi)東，王大宇.基于最優(yōu)窗口的水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究[J].無(wú)線電工程，2016，46(2)：10-13,30.