水聲網絡MAC協議綜述

上義，杜秀娟，2

（1.青海師范大學計算機學院，西寧 810008；2.高原科學與可持續發展研究院，西寧 810008）

0 引言

水聲網絡（underwater acoustic networks，UANs）的應用范圍與研究價值日益突出，水聲網絡可廣泛應用于軍事、科研、民生等眾多領域［1］。

在水聲網絡中，媒體訪問控制（medium access control，MAC）協議對整個網絡的性能具有重大的影響，因而引起了廣泛關注。水聲網絡具有長端到端延遲、低可用帶寬、低能效性等特性［10］，除此之外，由于受到洋流和海浪的作用，水聲網絡節點處于移動的狀態［2］。這些因素給水聲網絡MAC協議的設計帶來了一定的挑戰。陸地無線網絡的MAC協議不適用于水下環境中，或其工作效率非常低。針對這些情況，設計一個適合水聲網絡通信需求的MAC協議尤為重要。

1 水聲信道特點與衰減

水聲網絡與陸地無線傳感器網絡存在非常多的差異，最明顯的區別在于陸地無線傳感器是通過電磁波來信號來進行通信。電磁波與光波不適用于水下環境，即使能夠使用也會在水中大大衰減，無法達到我們所預期的效果。為了解決電磁波與光波在水下衰減的問題，水下通信通常采用聲波來進行［4］。

水聲信道衰減（dB）可表示為，如式（1）所示。

式（1）中，l表示節點間的傳輸距離，f表示信號頻率，k表示是水聲模型相關量。10 log(a(f))表示吸收系數。

聲信號在水下傳播過程中存在一定的傳輸損耗，如式（2）所示。

式（2）中，k×10 log(l)為總擴散損耗，l×10 loga(f)為吸收損耗。當采用柱形擴散時k=1，采用球形擴散時k=2，一般情況下k=1.5。

根據Throp的表達式計算的能量吸收系數10 loga(f)如式（3）所示。

式（3）一般適用于數百赫茲頻率以上的信號，對于頻率小的吸收系數公式如式（4）。

2 水聲網絡MAC協議設計所面臨的挑戰

媒體訪問控制協議是位于水聲網絡中節點體系架構中的數據鏈路層，其主要責任在于以一定的高效率方式給水聲網絡中的節點分配有限的水聲信道資源，保證節點間的通信互不干擾，從而提高網絡性能［3］。因此，MAC協議能否高效地使用水聲信道是保證水聲網絡通信效率的最關鍵因素之一［5］。選擇一個合適的MAC協議對網絡性能有很大影響，尤其是對于低帶寬和高延遲的信道尤為重要。

由于水下環境的特殊性，所用通信介質的不同，導致許多現有的陸地無線傳感器網絡MAC協議不適用于水聲網絡中，即便能夠使用但其效率也無法達到所預期的效果［6］。同陸地無線傳感器網絡相比，水聲網絡具有長而可變傳播時延、低可用帶寬、能量有限性等特點的限制，給水聲網絡MAC協議的設計帶來了挑戰。在協議設計時，應著重考慮能效性、網絡吞吐量、信道利用率、包交付率、協議公平性和自適應性等因素，同時也要解決隱藏終端、暴露終端、時空不確定性等問題，以下這些約束對MAC協議的設計帶來了重大挑戰。

2.1 能量有限性

一般情況下，能耗在水聲網絡中是一個重要問題，水聲網絡節點工作在惡劣的水下環境中。能耗的增加通常會縮短傳感器節點的電池壽命，再者，在水下環境中更換電池或進行充電都是非常困難且花費成本的工作［7］。為了加長網絡的生存周期，設計MAC協議時應當充分考慮水聲網絡高能耗的特性，提出具有高能效的MAC協議［8-9］。

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2.2 隱藏終端問題

隱藏終端問題可以定義為傳感器節點無法感應到它的傳輸范圍以外的節點狀態，如果節點與其傳輸范圍以外的一個或一個以上的節點具有共同的鄰居節點，即預期目標節點。而且節點與其傳輸范圍以外的節點選擇同一時間點向預期目標節點發送數據包，那么就存在在接收節點處發生碰撞的可能性。如圖1所示，節點B和節點C在同一時刻向節點A進行傳輸報文，當節點C向節點A發送數據時，由于節點B無法感知節點C的傳輸，同時向節點A發送數據，從而在接收節點A處發生數據沖突，節點C在節點B的傳輸范圍外，但在接收節點A的傳輸范圍之內，因此當節點B向節點A發送數據時，節點C對于節點B來說是隱藏終端。同理，節點B是節點C的隱藏終端。隱藏終端極容易造成數據碰撞，從而影響網絡的性能。

圖1 隱藏終端示意圖

2.3 暴露終端

所謂暴露終端，是節點偵聽到信道中信號傳輸，以為信道此刻處于忙碌狀態若發送可能會發生沖突，從而推遲其自身的傳輸。實際上，其發送對正在進行的通信不會發生沖突，這種情況就是出現了暴露終端問題。如圖2所示，節點B正向節點A發起傳輸，此時節點C試圖向節點D發送數據，但是節點C監聽到信道中節點B的傳輸，并且節點C認為自己的傳輸可能與節點B的傳輸引起沖突，因此節點C延遲其傳輸。實際上，節點C的傳輸不會干擾節點B的通信。暴露終端會造成水聲信道資源的浪費，從而導致網絡吞吐量比較低。

圖2 暴露終端示意圖

2.4 時空不確定性

由于水聲網絡具有長傳播延遲等特點，并節點會隨著水的流動而移動，因此接收節點接收到數據幀的時間不僅與發送數據幀的時間有關，而且與接收節點與發送節點的位置距離有關。因此，在傳輸過程中數據碰撞問題主要關乎于時間和空間的2維不確定性，這個問題稱為時空不確定性［10］。

如圖3（a）所示，發送節點1和2選擇同一時刻向一個接收節點發送數據幀，顯而易見兩個數據幀在接收節點處沒有發生碰撞，這是因為發送節點1，2到同一接收節點的位置距離不相等；在圖3（a）中，發送節點1和2也是選擇同一時刻向接收節點發送數據幀，但由于發送節點1因移動其位置發生改變，從而導致發送節點1和2到接收節點的距離相等，因此兩個數據幀在接收節點處發生碰撞。

圖3 時空不確定性

2.5 遠近效應

由于水下工作環境的特殊性，遠近效應是影響協議性能的因素之一，設計MAC協議時需要考慮的問題。遠近效應是受傳輸距離的影響，當發送信號時節點采用大小相同功率的情況下，那么傳輸距離越大，則信號衰弱越大；傳輸距離越小，則信號衰弱越小［10］。如圖4所示，節點D與節點A之間的距離明顯節點B與節點A之間的距離，因此，接收節點A接收來自每個發送節點的不同信噪比級的信號。

圖4 遠近效應

3 水聲網絡MAC協議分類

根據水聲網絡的特征，通信介質的不同，眾多學者已提出了許多適用于水下環境的MAC協議。這些協議按照節點競爭信道的方式，大致可分為三類：無競爭型的MAC協議、基于競爭型的MAC協議以及混合MAC協議［11］，如圖5所示。

圖5 水聲網絡MAC協議分類

3.1 基于無競爭型MAC協議

無競爭mac協議的優點主要包括：避免了節點間進行數據傳輸時的沖突；減少了節點間相互干擾造成的能量損耗；在傳輸過程中不需要太多的控制信息，節省了控制包的開銷；信道利用率相對較高；數據通信延遲比較小［15-16］；可進行并發傳輸。然而，該類型的MAC協議在低負載網絡環境中時，空閑時隙會增多，網絡吞吐量會降低，信道利用率也降低，且可擴展性較差，靈活性較低，難以適應網絡中因節點加入或失效而引起的拓撲結構的變化［13］。

3.2 基于競爭MAC協議

基于競爭Mac協議，是網絡中所有有數據要傳輸的節點通過競爭的方式去搶占信道使用權。如果節點在信道中傳輸的數據與其他節點產生了沖突碰撞時，則節點需要以一定的規則進行重傳，直到數據傳輸成功為止［15］。基于競爭MAC協議的優勢在于節點搶占到信道使用權后使用信道的全部帶寬去傳輸數據，同時這種協議對時間同步要求較低。因此，基于競爭MAC協議更適合于低負載、節點稀疏的網絡環境。然而，在網絡負載高或節點密集的網絡環境中，這種MAC協議大大增加了節點間因競爭信道使用權而發生沖突的概率，不僅降低了數據交付率，同時浪費了網絡能量等資源。基于競爭MAC協議包括隨機多址接入方式和基于握手多址接入方式以及基于狀態接入方式。

3.3 混合MAC協議

近年來，水下混合MAC協議的研究與設計引起了部分學者的關注。不同類型MAC協議其應用場景與優缺點各異，為了能夠更好地發揮不同類型MAC協議的優勢，部分學者通過研究多種類型MAC協議設計出混合MAC協議，提高網絡性能。目前已被提出的混合MAC協議有：①Kredo等人提出了一種混合MAC協議［19］，H-MAC協議利用基于競爭和基于調度的優勢，協議周期分為競爭周期與調度周期，在競爭周期中預約信道，在調度周期中傳輸數據。H-MAC協議通過基于競爭和基于調度的優勢提高了協議的利用率［17］，降低了能耗。②文獻［20-22］提出了一種基于分布式CDMA與Aloha節能MAC協議（UW-MAC），該協議采用CDMA機制傳輸有效數據之前，通過隨機訪問機制傳輸擴展頭（EH）的短幀，然后發送節點調整其偽隨機序列的長度和信號功率，來降低在接收節點處的多址干擾（MAI）。UW-MAC協議的目標是保證高網絡吞吐量、低信道訪問延遲和低能耗。

3.4 水聲網絡MAC協議比較

近年來，許多國內外學者提出了大量適用于水下環境的MAC協議，下面簡單地比較幾種典型的水聲網絡的MAC協議，如表1所示。

表1 水下MAC協議性能比較

4 結語

近年來，水聲網絡的研究取得了一定的成果，其中包含優秀MAC協議的提出。本文闡述了MAC協議的分類和相應的優缺點，并通過表1對近年來的幾種典型MAC協議的性能進行比較。同時介紹了水聲信道的特點與衰減，總結了設計MAC協議時需要考慮的因素和解決的問題。目前，較多的水聲網絡MAC協議是為了實現高吞吐量、高能效性等性能而進行設計或改進，但同時這些MAC協議也犧牲了一些性能，比如擴展性、自適應能力，等等。目前有許多優秀MAC協議解決了隱藏終端等問題，模擬水下仿真中實現了高性能，但實際水下環境中網絡拓撲是處于移動狀態，且在水下很難實現精確的時間同步，因此，這些MAC協議在真實的水下環境中，其工作效率無法達到預期的效果。

未來研究中，我們應當著重考慮水下環境中節點的移動性和時間同步的問題。設計一種能夠自適應網絡規模變化和拓撲移動，并能實現精確時間同步的高性能水聲網絡MAC協議。