基于NS3的RCHF MAC協議優化改進分析*

韓多亮，杜秀娟，朱建連

（青海師范大學 青海省物聯網重點實驗室，青海 西寧 810008）

0 引 言

隨著海洋資源在國際競爭中的地位日益重要，海洋開發和信息產業不斷發展，水下傳感器網絡（Under-Water Sensor Network， UWSN）成為人們研究的熱點，可廣泛應用于海洋資源勘探、海洋環境監測以及資源開發等領域[1]。水下傳感器網絡具有長延時、低帶寬和高誤碼率等特點，在一定范圍內信號不能同時傳輸，所以水下傳感器網絡是共享信道?？梢姡O計節能、高傳輸可靠性的MAC協議，在水下通信中非常重要[2]。

合理有效的MAC協議是解決UWSN通信中數據包沖突的有效方法。MAC協議根據節點對信道的占用方式，主要分為無競爭的MAC協議和基于競爭的MAC協議[3]。無競爭的MAC協議有TDMA、FDMA和CDMA，根據水下信道的特殊性，實現水聲通信的資源復用。基于競爭的MAC協議，節點通過隨機接入信道或者握手進行信道預約，然后有選擇性地接入信道[4]。

1 相關工作

針對水下傳感器網絡，研究者已經提出了很多MAC協議。

夏威夷大學于1968年提出了Aloha協議，節點只要有數據產生，就會將數據立即發送到信道上，若在規定時間內收到回復，則表示發送成功；否則，發送節點重新發送數據。傳輸過程中，如果數據產生沖突，則會等待一段隨機的時間再次發送，直到數據成功發送為止[5]。該協議在數據傳輸過程中重傳和沖突處理機制較少，導致交付率和能耗較大。

Roberts等于1972年提出了時隙Aloha協議，將時間分為離散的時間片，節點如果要發送數據，必須等到下一個時間片開始，因此避免了節點隨意的發送數據[6]。與Aloha協議相比，時隙Aloha協議減小了信道沖突，節約了能耗，但沒有對重傳和回復確認做處理，沖突較大，能量損耗嚴重。

Marcal Molins等提出了Slotted FAMA協議。該協議引入了時隙結構，節點在數據傳輸過程中進行三次握手。節點在發送數據前利用控制報文預約信道，如果預約成功，則在時隙開始時發送報文；如果預約失敗，則節點進入退避狀態，等待下一次的信道預約[7]。該協議保證了在某一時刻信道上只有一對節點進行通信，有效減少了通信中的報文沖突。

Professor Du 等提出了一種基于RLT編碼的無握手可靠傳輸的MAC協議（RLT Code Based Handshake-Free，RCHF），節點根據自身和鄰居狀態進行數據的發送與接收[8]。本文針對RCHF MAC協議實驗過程中發現的問題進行優化改進，利用NS3網絡平臺進行仿真，并在青海湖進行測試，根據實驗過程中的輸出信息，對改進后節點的狀態和層級變化進行驗證。實驗結果表明，改進后的RCHF MAC協議能準確及時地更新節點的狀態和層級。

2 網絡模型

網絡初始化狀態：30個傳感器節點隨機均勻分布在M×N×N的長方體內。1個sink節點布在水面（長方體上表面），模型如圖1所示，圖中“·”表示傳感器節點，“●”表示sink節點，假設水下傳感器網絡具有以下性質：

（1）水下傳感器網絡是由固定在水下的靜態節點、懸浮在水中的動態節點和水面的sink節點構成；

（2）所有節點都具有唯一的ID，非sink節點均勻地分布在水下；

（3）節點能感知本身的深度信息；

（4）節點根據預先設置好的功率進行數據通信，部署完成后，功率不再發生改變；

（5）節點根據數據獲取時間，周期性采集信息，并將數據傳送至sink節點；

（6）節點具有相似的處理數據的能力[9]。

圖1 網絡模型

3 RCHF協議概述

RCHF MAC協議中，源節點將數據包分組為k個數據塊。然后，源節點對分組后的數據包編碼并發送。編碼后的分組會被逐跳轉發至sink節點，從而上傳至服務器。

網絡初始化后，每個節點維護一個鄰居動態表，主要包括節點的id、層級和狀態。狀態字段記錄鄰居節點的實時狀態。狀態“0”表示鄰居節點處于發送狀態，狀態“1”表示鄰居節點處于接收狀態，“2”表示處于未知狀態，“3”表示鄰居節點處于發送避免階段。

當節點具有發送數據資格時，先在鄰居表中搜索狀態為“2”或者“3”的下一跳節點，如果發送節點自身狀態為接收或者未知，發送節點則發送第一幀，并將自己的狀態切換為接收狀態，準備接收接收節點回復的第一幀確認控制報文（ACK）。收到第一幀ACK后，將剩余的N-1幀發送出去，再將自己的狀態切換為接收狀態，準備接收最后一幀ACK控制幀。如果狀態為“0”或“1”，它將推遲交付，直到狀態大于“1”。

數據發送流程如圖2所示。

圖2 發送數據流程

在ACK控制幀中，主要包括接收節點接收的幀的數量和錯誤率。通過比較原始包的個數和幀中塊的大小，判斷是否接收完整。如果接收節點能夠重組整個數據塊，發送節點收到ACK后，通過解析ACK控制幀；如果未收到的幀序號為0，則將自己的狀態置為“3”；如果不能重組整個數據塊，根據ACK中未收到的數據幀序號，發送節點將未收到的數據重新編碼發送給接收節點。

ACK控制幀部分信息如表1所示。

表1 ACK控制幀部分信息

當節點收到數據后先解碼，更新鄰居表，根據幀內的接收節點的id號，判斷節點本身是否是接收節點。若不是，直接丟棄數據包；若是，則判斷該幀是否是第一幀。若是，則開啟定時器并立刻回復ACK控制；若不是，則將數據發送出去。接收數據流程如圖3所示。

圖3 接收數據流程

4 協議優化與改進

目前，RCHF MAC協議已經應用于湖試和仿真實驗。實驗過程中，對協議做了改進與優化：（1）在ACK控制幀中添加一個控制字段，用于判斷接收節點是否成功接收數據，并直接區分接收數據的類型；（2）對鄰居表的更新做了改進，以保證節點能正確及時更新節點的狀態和層級。

4.1 ACK控制幀的優化

在ACK確認幀幀格式中，數據字段起始處添加一個數據類型確認字段，占2比特，其中第一比特表示接收節點對一個數據幀和數據塊的確認。該比特為“0”時，表示接收節點對一個數據幀的確認；該比特為“1”時，表示對一個數據塊的確認。第二個比特表示接收節點是否完全重構數據包。該比特為“0”時，表示接收節點已經對一個數據塊中的所有原始包成功重構；該比特為“1”時，表示接收節點未完全重構一個Block中的所有原始包。優化后的ACK控制幀格式如表2所示。

表2 ACK控制幀部分信息

發送節點收到ACK控制幀，即可根據ACK幀格式中的數據字段起始處的控制字節的第二個比特，確定自身下一步的狀態和進程。若第二個比特為“0”，則發送節點將進入傳輸避免階段；若第二個比特為“1”時，則發送節點對未恢復的原始包進行重新編碼，并發送給接收節點。發送節點和接收節點可以直接根據第2個比特位的值改變自身狀態，從而確保節點的狀態能正確及時改變。

4.2 鄰居表的更新優化

通信過程中，數據的發送與接收均基于節點狀態，所以鄰居表的維護和更新在通信過程中至關重要。

實驗中發現，節點位置發生變化，由兩跳鄰居轉變為一跳鄰居后，節點層級仍保持不變，說明問題的拓撲如圖4所示。其中，1號節點是sink節點，4號節點是源節點。實驗初始時，3號節點是1號節點的兩跳鄰居，層級為3；當3號節點位置發生變化后，3號節點變為1號節點的一跳鄰居，3號節點的層級應更新為2，但一段時間后3號節點層級仍然未變，數據傳輸不能正常進行，能耗增加。

圖4 實驗拓撲

在每個節點的鄰居表中增加一個老化時間，一段時間后節點將直接刪除鄰居表中老化時間已到的鄰居。當節點收到廣播和數據包時，根據鄰居表中的信息及時更新鄰居表，更新自身的狀態和層級，以保證數據的正常傳輸。

5 仿真實驗

NS3是一款面向網絡系統的離散事件仿真軟件，相比于NS2，各層均進行了改進，得到了教育研究機構的認可。仿真實驗基于NS3進行，網絡模型如圖1所示。

根據網絡模型部署節點，針對問題和提出的解決方案進行開發實現，協議改進優化的部分代碼如下：

對協議優化進行技術上的實現后，進行湖試和仿真實驗，并對實驗過程和實驗結果中節點的狀態、層級進行分析。結果表明，經過優化改進，當節點發生移動時，節點能夠及時準確地更新層級，并根據鄰居表中的信息更新節點狀態。圖5為仿真實驗時輸出的信息，圖6為湖試時輸出的信息。

圖6 實驗輸出信息

實驗過程中，對ACK控制幀中的數據類型確認字段進行驗證，根據兩個比特值的變化，可以判斷接收節點是否成功重構數據并區分確認的數據類型，及時更新狀態。

6 結 語

隨著海洋資源在國際競爭中的地位日益重要，水下傳感器網絡在未來的海洋開發中將迎來更廣闊的使用前景。水下環境復雜多變，對各層協議的要求不同。MAC協議在數據傳輸過程中占據重要地位，因此本文就RCHF MAC協議在應用過程中發現的問題進行分析，做出優化改進。仿真結果表明，節點可以根據ACK控制幀和鄰居表中的信息及時更新狀態，節約了能耗，提高了傳輸可靠性。