分布式水下組網MAC協議的設計與仿真

周鋒， 夏凡， 喬鋼， 王思遠

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.海洋信息獲取與安全工業和信息化部重點實驗室(哈爾濱工程大學)，黑龍江 哈爾濱 150001； 3. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001； 4. 中船重工安譜(湖北)儀器有限公司，湖北 宜昌 443000； 5.哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著計算機網絡水平的提高和水聲通信技術研究水平的進步，以二者為基礎的水下通信網絡得到了更多的關注，無論是在軍事應用方面還是在其他領域中水下通信網絡都將得到更為廣泛的應用[1]。在水聲通信網絡中，傳統的MAC協議包括ALOHA協議、MACAW協議和TDMA協議等。

TDMA協議適用于規模較大的網絡或者在需要發送的數據包較大的場景中，但是其相比于其他常用的MAC協議[2]而言，通常具有更大的端到端時延。由于水下的傳播時延遠遠大于無線電中的傳播時延，因此在TDMA協議中，網絡對于時間同步的精度要求比較高，并且空閑時隙會造成信道資源在時間上的浪費[3]。為了提高水下網絡的數據傳輸效率，本文在傳統TDMA協議的基礎上提出一種基于傳播時延特性的改進協議并對2種TDMA協議的性能進行對比分析。

1 水下組網MAC協議的設計

TDMA協議相對于其他基于競爭的MAC協議具有更好的可靠性，而且相對于其他固定分配MAC協議而言實現起來更為簡單[4]。為了解決TDMA協議在水聲通信網絡中傳輸效率較低的問題，本文在傳統的TDMA協議的基礎上設計了一種動態時隙的TDMA協議。

1.1 動態時隙TDMA協議設計

傳統的TDMA協議網絡中，在某一節點發包時間段內，其他節點不發送數據，來避免產生沖突，但是由于水聲信道具有時延較長和傳輸距離較遠等特點，傳統TDMA協議會造成網絡的通信過程中產生較大范圍的時間空閑，導致信道資源沒有被充分的利用。然而，如果能夠根據各個非時基節與時基節點之間的時延長短將時隙進行適應性的分配，并且設置合適的保護間隔，就可以大大節約時間資源從而提高整個網絡的工作效率。

在節點全部入網后，時基節點開始周期地發送入網消息，下一次發送入網消息的時間為上次發送入網消息的時刻加上5個時隙間隔再減去各個非時基節點與時基節點之間傳播時延的總和。各非時基節點就可以根據計算出來的與時基節點之間的傳播時延來確定各自的業務時隙。從圖1中可以看出改進后的協議傳輸的空閑時間縮短了，由原來設定的固定值變為了動態值。

圖1 時隙分配原理Fig.1 Schematic diagram of time slot allocation

在網絡開始時首先需要應用Tri-Message協議完成時鐘同步過程，保證每個節點的時間基準是統一的。Tri-Message協議是一種輕量級時間同步協議，它在TSHL協議上進行了改進，在保證精度的同時大大降低了時間同步開銷，通過主從節點的3次信息交互來估計從節點的時鐘頻偏及時鐘偏差。由于水聲通信網絡的吞吐量十分有限，這使得該協議在水聲通信網絡中十分適用。Tri-Message協議的本地時鐘模型為：

y=sx+a

式中：y為本地時間；x為全局時間；s是時鐘偏移率；a是時鐘偏移量，μs。當式中s=1且a=0時，模型為y=x，此時的本地時間和全局時間一直保持一致為理想狀態。

當時鐘偏移存在時則需要通過建模計算出s和a的值并進行修正來進行時鐘同步。為了模擬實際網絡中各個節點的時鐘偏移，需要人為地加入時鐘偏移量和時鐘偏移率來模擬同步過程，它們均為(30,50)和(-50，-30)之間的隨機數，其原理如圖2所示。其中，時基節點為使用其本地時間作為網絡時鐘基準的節點，非時基節點為需要與時基節點進行同步的節點。

圖2 Tri-Message協議原理Fig.2 Schematic diagram of Tri-Message protocol

首先時基節點發送同步請求數據包RTS，數據包在發送時會被添加含有發送時間信息的Header，并記錄當前的時間為T1。當非時基節點接收到數據包時首先判斷是否為RTS幀，若是則回復給時基節點一個確認數據包CTS，并記錄接收到RTS的時刻T2，發送CTS的時刻T3。最后在時基節點接收到CTS數據包時則會回復給非時基節點一個確認信號ACK，接收到CTS時間為T4，發送ACK的時刻為T5，非時基節點接收到ACK的時間為T6。

將以上記錄的6個時刻T1、T2、T3、T4、T5、T6代入時鐘偏移公式，可以得到一個方程組：

式中d1、d2和d3分別為3次數據傳輸的傳輸時延。假設同步過程中傳播時延基本穩定，可得d1=d2=d3，則可解出s和a分別滿足：

則推得修正時間可表示為：

式中：yn為第n個節點的本地時鐘；xn為此時的全局時間。

在仿真時，根據上面介紹的Tri-Message時間同步協議的原理，設計時間同步幀如下：

1)Type表示時間同步幀的類型，長度8 bits，包括RTS，CTS和ACK 3種，依次對應前文介紹的同步的3次通信過程；2)Length表示當前數據幀的長度，長度為8 bits；3)TimeStamp用于存放當前的時間戳信息，用于計算時鐘偏移，長度32 bits；4)Node_ID為當前正在進行時鐘同步的節點編號，duration為分組的入隊時間，Src記錄源地址，Dest記錄目的地址從，長度均為8 bits。

同步過程結束之后通過應答的方式測出各個節點與時基節點之間的時延，B節點測時延的原理如圖3所示。

圖3 時延測量原理Fig.3 Schematic diagram of delay measurement

B節點在收到A點發送的入網消息之后，會主動發送一個測時延請求信號“BA”，并記錄發送的時刻TsendBA，發送完畢之后B節點即進入等待狀態，等待A節點的回復信號。而A節點接收到B節點發送的測時延請求信號“BA”之后，記錄接收時刻TrecvBA，并回復響應信號“AB”，同時記下回復的時刻TsendAB并計算A節點從接收“BA”到發送回復信號的處理時間作為參數一同發送給B節點。最后計算出B節點與A節點的時延差為：

由于計算時間差所用的2個時刻是以A的時鐘為基準來計算的，而計算時延所用的時刻則是以B節點的時鐘作為基準，所以計算時延的過程中無需調整2個節點之間的時鐘完全一致。至此B節點與A節點之間的時延測量完畢，C節點與D節點測量時延的方式與A節點完全相同。但是B、C、D節點的數據包發送時如果在時間上發生重疊，就會產生信號沖突從而導致A節點無法正確地接收每個節點的請求信號，所以3個非時基節點發送測時延請求信號的時候要在時間上錯開來發送。

1.2 動態時隙TDMA協議的仿真流程

時基節點在開啟網絡時首先需要進行同步過程，首先生成一個新的packet，再初始化一個UanHeaderCommon類的指針，利用SetTimeStamp()方法為其打上時間戳，并將其添加到生成的packet中，之后廣播發送此packet給其他節點，并等待其他節點回復。在待機狀態時，若有數據包到達時基節點首先利用GetType()函數判斷幀的類型，若為TYPE_DATA則判斷本數據包是否為發送給本節點的數據，若是則刪除header并接收本數據包，若不是發給本節點則丟棄。若幀類型是TYPE_CTS同步幀則提取出時間戳信息和節點號，并向節點發送ACK幀，計算出各個節點與時基節點之間的時延，在同步過程之后發送時隙分配信息并開始在自己的時隙發送業務數據，時基節點的工作流程如圖4所示。

圖4 時基節點工作流程Fig.4 Time base node work flow chart

非時基節點工作的流程如圖5所示。非時基節點判斷時鐘同步過程是否結束，如果已經完成時鐘同步過程則按照分配給該節點的時隙發送數據包，若沒有完成同步過程則只要收到TYPE_DATA類型的數據包就丟棄。若收到的是TYPE_RTS類型的包則回復一個TYPE_CTS類型的數據包并等待下一個同步數據的到來；若為TYPE_ACK類型的同步包則提取時間戳信息并修正時鐘偏移完成同步的過程。

圖5 非時基節點工作流程Fig.5 Work flow chart of non-time base node

2 網絡仿真環境的搭建

本文選用的仿真軟件環境是NS-3(Network Simulator 3)網絡模擬器[5-6]。NS-3是一款近幾年應用比較多的網絡仿真工具軟件，在網絡通信技術的科研和教學中都有較為廣泛的應用。在NS-3平臺下，科研人員可以直接設計所需要的MAC協議并添加到相應的模塊中，在仿真時直接進行協議的配置即可。NS-3相對其他仿真軟件來說較為簡單易學，擴展性好，節約資源并且仿真性能好，能得到與真實的情況更加接近的仿真結果，所以目前應用越來越廣泛。NS-3是一款基于Linux操作系統的軟件，在控制臺運行時會給程序的調試和代碼的修改帶來麻煩，因此本文中使用eclipse編譯器來進行程序的調試和仿真。

2.1 NS-3中應用的主要模塊

對水聲通信網絡的MAC協議仿真時，首先要根據需要選擇需要的仿真模塊，包括用于實現NS-3基本功能的core模塊，UAN模塊和用于設置節點布放位置的Mobility移動模塊等。其中UAN模塊是NS-3中的水聲通信網絡模塊，它的功能是能夠方便研究人員研究模擬各種水下場景。UAN模型提供水下聲學信道的精準建模，它主要分為4個部分：信道、PHY、MAC和自主水下航行器模型。圖6為水聲通信網絡在NS-3仿真時的結構圖。從圖中可以看出網絡應用是使用套接字來控制節點發送和接收數據的，在節點中需要利用網絡設備安裝PHY模型和MAC協議等相關模塊，另外2節點之間通過安裝的水聲信道模型來傳輸數據。由于本文主要研究水聲通信網絡中的MAC協議，所以UAN中的MAC協議模型是本文仿真時重點使用的模型。在設計MAC協議時要定義一個繼承于UanMac類的子類，如UanMacMacaw、UanMacTDMA等，在使用時利用UanHelper::SetMac()函數完成MAC協議的選擇。在NS-3中提供的有CW-MAC協議、RC-MAC協議和ALOHA協議等，而對本文設計的動態時隙TDMA協議仿真時需要自行編寫和添加相應協議的代碼模塊。

圖6 UAN模塊結構Fig.6 UAN module structure diagram

2.2 仿真中的水聲信道模型

UAN模塊中提供3種水聲信道模型[7]分別為理想信道模(ns3::UanPropModelIdeal)、Thorp傳播模型(ns3::UanPropModelThrop)和Bellhop傳播模型[8](ns3::UanPropModelBh)。所有的傳播模型都遵循ns3:: UanPropModel中的完整接口，在仿真中利用Channel類完成對水聲信道模型的配置。其中理想信道模型是水聲信道在理想狀態下的模型，Bellhop模型是用高斯近似方法比較好地減弱了能量焦散和絕對影區等問題，而Thorp傳播模型則是利用Thorp經驗公式模擬海水的吸收特性對真實的水下環境進行模擬。

本文的目的主要是為了驗證動態時隙TDMA相比于傳統TDMA的性能變化情況，所以選的信道模型為理想信道模型，該信道模型提供了功率延遲分布(power delay profile,PDP)和路徑損耗信息，假設在圓柱形區域內的路徑損耗為0，延遲時間為接收器與發送器的距離除以聲速(1 500 m/s)。使用返回類型UanPdp的GetPdp方法檢索PDP。 ns3:: UanPdp是Taps的容器類每個抽頭具有對應于到達時間(相對于第1個抽頭到達時間)和幅度的延遲和幅度成員，它利用的是如圖7的聲學通道的抽頭延遲線模型[9]。

圖7 抽頭延遲線模型Fig.7 Tapped delay line model

2.3 網絡拓撲結構的想定

在通信網絡中常用的拓撲結構[10]一般有集中式、分布式和多跳式3種。考慮水下網絡的應用場景和功能需求，本文中選擇的拓撲結構為分布式，其拓撲結構圖如圖8所示。在分布式網絡中，無中心節點，各個節點都可以與任何其他節點之間通信發送和接收數據。分布式拓撲結構適合網絡節點之間距離較近的網絡，這樣各個節點相互之間的距離都小于最大通信距離，就可以實現任意2個節點之間的通信。但是如果在節點之間距離相對比較大的網絡中，要想進行正常通信就需要提高發射機的發射的功率，由于大部分通信節點是采用自主電源供電的，就會增加系統總體的功耗。

圖8 網絡的拓撲結構Fig.8 Network topology diagram

3 仿真及分析

動態時隙TDMA協議是在傳統的TDMA協議的基礎上進行的改進，下面對2種協議從端到端時延、吞吐量和丟包率3個方面對協議進行仿真對比，在仿真中設定參數如表1所示。

表1 仿真網絡參數配置Table 1 Simulation network parameter configuration

仿真過程中的使用NS-3的可視化工具Pyviz查看節點的分布場景如圖9所示：

圖9 節點的分布場景Fig.9 Scenario graph of node distribution

首先分析2種協議對網絡吞吐量的影響，吞吐量定義為單位時間內的成功傳輸的數據量，即節點成功接收的數據包的總數據數量與仿真時間的比值，單位為bit/s，計算公式為：

式中：numpacket_recv為接收數據包的個數， packet_size為數據包的長度， simulation_time 為仿真時間。吞吐量反應通信網絡的數據傳輸效率的高低，吞吐量越大，通信網絡在單位時間內傳輸的數據越多，通信的效率越高，網絡的性能越好。從圖10中可以看出在仿真剛開始時2種網絡的吞吐量相對于網絡穩定之后更小，這是因為此時同步過程還未完全結束，各個節點還沒有分配好各自發送數據包的時隙，此時數據包入隊后暫時不能發出。而時鐘同步過程結束網絡達到穩定之后可以看出，2種協議的吞吐量都保持基本不變，而動態時隙TDMA協議的吞吐量要高于傳統TDMA協議，是因為動態時隙TDMA協議的時隙根據各個節點之間的時延動態確定，提高了信道的利用率，相同的仿真時間內分配的時隙個數更多，因此發送和接收數據包的個數也更多。

圖10 2種TDMA協議吞吐量對比Fig.10 Comparison graph of throughput of two TDMA protocols

丟包率定義為未被成功接收而被丟棄的數據包數量與發送的總的數據包數量之間的比值，其計算公式：

式中：Numpacket_loss為丟失數據包的數量;Numpacket_all 為總的發包量。區別于通信過程中的誤碼率，丟包率統計的是未被成功接收的數據包量，而不是接收成功的數據中錯誤的數據量。丟包率反映的是水聲通信網絡的穩健性，丟包率越小，網絡的性能越好。

從圖11中可以看出2種協議的丟包率在網絡穩定之后都維持在一個很低的水平，這是因為無論是傳統TDMA協議固定分配時隙還是改進后的TDMA協議動態地來分配時隙都是讓網絡中的各個節點只在已經分配好的自己的時隙內才會發送數據包，時隙不會發生重疊各個節點發送的數據包也就不會發生碰撞，在理想的水聲信道模型條件下發生丟包的概率比較低。

圖11 2種TDMA協議丟包率對比Fig.11 Comparison of packet loss rate between two TDMA protocols

端到端時延定義為在網絡通信過程中，發送節點生成分組到分組被接收節點成功接收的時間差。在水聲通信的過程中，端到端時延包括以下3部分：應用層產生分組到分組到達下一層的時間Delay_txdel，分組在水聲信道中從發送機發送到被接收機接收所需的時間即傳輸時延Delay_propdel以及隊列等待時間。端到端時延的計算公式為：

Delay_propdel+TQwait)

式中：packet_size為分組大小，bit;bit_rate為網絡的通信速率，bit/s;distance表示發送端到接收端之間的距離，m。

從圖12可以看出，2種協議在開始時的端到端時延都高于網絡穩定后的端到端時延。這是由于在網絡剛剛建立時需要進行時鐘同步過程，此時各個節點所需發送的數據包只能排隊等待同步過程結束后才發送，因此隊列等待時間會延長，而端到端時延由傳輸時延、傳播時延和隊列等待時間3部分組成，所以總時延比較長。而在網絡保持穩定之后2種協議的端到端時延分別保持在一個穩定的水平，動態時隙TDMA協議的時延相對于傳統TDMA協議會有一定程度的減小，提高了整網的工作效率，這也是對傳統TDMA協議進行改進的主要目的之一。

圖12 2種TDMA協議端到端時延對比Fig.12 Comparison of end-to-end delay between two TDMA protocols

4 結論

1) 本文通過對端到端時延、吞吐量和丟包率3個方面的仿真，證明了設計的動態時隙TDMA協議可以在保持了數據傳輸的準確性的同時提高網絡通信的效率，針對水聲信道時延長對傳統TDMA協議造成傳輸效率較低的問題實現了一定程度的性能優化。

2)由于在本文設計的動態時隙TDMA協議中，網絡性能的提高，一定程度上是以增加網絡的控制開銷來實現的，如何使用更少的控制幀來完成通信中的同步過程是本文尚未解決的問題。

3)本文在仿真中使用的是水聲信道的理想信道模型，為了更加符合真實情況，可以在以后的研究中針對不同的應用場景添加其他信道模型的模塊。