水聲網(wǎng)絡(luò)全雙工定向碰撞避免媒體接入控制協(xié)議

劉奇佩 喬鋼 Suleman Mazhar

(哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001)

(海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工程大學(xué)) 哈爾濱 150001)

(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

1 引言

過去幾十年中，由于水聲網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Network, UAN)在艦船導(dǎo)航、海洋勘探、災(zāi)害預(yù)警等方面的潛力，人們對其產(chǎn)生了極大的興趣。然而，盡管UAN的性能和魯棒性在此期間有了很大提高，仍有許多困難需要解決。這些挑戰(zhàn)主要來自水聲信道，作為已知最復(fù)雜的信道環(huán)境[1]，水聲信道具有信號傳播速度低(相比較無線信道低5個(gè)數(shù)量級，導(dǎo)致高傳播時(shí)延)、信號衰減高、可用帶寬低、多普勒頻偏嚴(yán)重等不利特點(diǎn)，為高效的水聲網(wǎng)絡(luò)上層協(xié)議設(shè)計(jì)帶來巨大挑戰(zhàn)。

受上述條件制約，水聲通信的物理層通信速率往往較低，通常只有幾十到幾千bps，具體取決于通信距離和通信頻率等因素[2,3]，因此相比較于信號的傳播時(shí)延，信號的傳輸時(shí)延無法忽略。這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)的傳輸極易受到干擾，因此即便不考慮誤碼的情況整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也會(huì)遭受嚴(yán)重的數(shù)據(jù)包沖突，浪費(fèi)了本就有限的能量。由于數(shù)據(jù)發(fā)送在水聲網(wǎng)絡(luò)中是一項(xiàng)代價(jià)高昂的行為，相對于數(shù)據(jù)接收來說消耗的能量超出2個(gè)數(shù)量級[4,5]，因此采用高效的媒體接入控制(Medium Access Control, MAC)協(xié)議減少數(shù)據(jù)包沖突以節(jié)省能量非常必要[6]。

MAC協(xié)議根據(jù)對信道的接入方式可分為非競爭式協(xié)議和競爭式協(xié)議，前者主要包括時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiple Access, TDMA)、碼分復(fù)用(Code Division Multiple Access, CDMA)、頻分復(fù)用(Frequency Division Multiple Access, FDMA)等，這類協(xié)議通過給每個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)先分配信道資源的方式工作，無法有效利用高傳播時(shí)延的水聲信道，且無法處理節(jié)點(diǎn)流量分布不均的情況[7]；后者通過競爭的方式接入信道，這類協(xié)議又可以具體分為隨機(jī)接入方式和握手方式。隨機(jī)接入?yún)f(xié)議(典型的如Aloha協(xié)議)由于直接發(fā)送較長的數(shù)據(jù)包會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的沖突，因此并不適合UAN；握手協(xié)議(如文獻(xiàn)[8,9])通過一個(gè)典型的4次握手過程實(shí)現(xiàn)信道預(yù)約、數(shù)據(jù)發(fā)送、可靠傳輸過程，能夠一定程度上避免碰撞并節(jié)省能量，但由于無線信道的廣播特性又引入了“隱藏終端”和“暴露終端”問題[10]，如圖1所示。

“隱藏終端”發(fā)生在一個(gè)節(jié)點(diǎn)A感知不到某個(gè)位于其發(fā)送范圍外但位于目的節(jié)點(diǎn)接收范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)B時(shí)，會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)C處發(fā)生沖突；而“暴露終端”問題正好相反，發(fā)生在一個(gè)節(jié)點(diǎn)C無意中監(jiān)聽到其他傳輸行為(表示為圖1(b)所示B到A的藍(lán)線)時(shí)，會(huì)進(jìn)行退避。但事實(shí)上A,B的傳輸行為并不會(huì)影響C向D發(fā)送數(shù)據(jù)，這就導(dǎo)致了信道利用率的無意義下降。

圖1 隱藏終端和暴露終端問題

“暴露終端”問題的解決只能通過裝備多個(gè)天線(UAN里對應(yīng)為水聲換能器)解決[11]。為此，文獻(xiàn)[12]提出了一種全雙工協(xié)議解決上述兩類問題。該文獻(xiàn)中節(jié)點(diǎn)額外裝備了一個(gè)工作于不同頻帶的水聲換能器，使得節(jié)點(diǎn)可以在接收數(shù)據(jù)時(shí)使用額外的空閑天線對信號來源進(jìn)行回復(fù)而不干擾主換能器接收數(shù)據(jù)，通過告知其接下來的數(shù)據(jù)傳輸是否會(huì)對自身產(chǎn)生影響，而消除了該問題。具體來說，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B向A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，C需要向D發(fā)送數(shù)據(jù)，由于信道的廣播特性B也會(huì)受到C的請求，經(jīng)其判斷D并不在自己的影響范圍內(nèi)，因此不進(jìn)行操作，那么C,D之間就可以建立通信鏈接。C在這種情況下成為“暴露發(fā)送終端”。然而當(dāng)C成為接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，其處于B的傳輸范圍內(nèi)，無法正確接收D發(fā)送的數(shù)據(jù)包，因此C回復(fù)CTS(Clear-To-Send)的時(shí)候會(huì)被節(jié)點(diǎn)B回復(fù)警告信息繼而中斷接收。該問題稱為“暴露接收終端”。

可以看出，全雙工技術(shù)對“暴露接收終端”問題是無能為力的，這完全由通信機(jī)制問題決定，只要讓節(jié)點(diǎn)C在節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候不受影響即可解決。定向通信技術(shù)(如文獻(xiàn)[13,14])可以通過波束形成將波束范圍有效約束在一個(gè)較小空間范圍內(nèi)從而降低對非通信節(jié)點(diǎn)的影響達(dá)到該目的。但是該技術(shù)會(huì)帶來“聾節(jié)點(diǎn)”問題[15]，即一個(gè)節(jié)點(diǎn)無法感知到其他正在進(jìn)行的通信過程從而多次發(fā)起通信請求而得不到回應(yīng)，最終會(huì)誤認(rèn)為鏈路中斷導(dǎo)致無法通信的情況。

為此，本文提出一個(gè)全雙工定向碰撞避免(Full-Duplex Directional Collision Avoidance,FDDCA)MAC協(xié)議，結(jié)合全雙工通信技術(shù)和定向通信技術(shù)的優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)鏈路的無干擾傳輸，進(jìn)而提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和能量效率。

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)基于聲強(qiáng)理論建立了一個(gè)高精度多模態(tài)指向性換能器能量模型；

(2)針對定向網(wǎng)絡(luò)的聾節(jié)點(diǎn)問題，提出一種使用全雙工和定向通信結(jié)合的解決方案；

(3)基于上述分析，提出一種全雙工定向水聲網(wǎng)絡(luò)碰撞避免MAC協(xié)議，該協(xié)議首創(chuàng)并實(shí)現(xiàn)了一種多扇區(qū)管理機(jī)制，最大化網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用。

2 系統(tǒng)模型

2.1 多模態(tài)水聲換能器

模態(tài)換能器是一種可以通過激發(fā)不同波束模態(tài)以獲得預(yù)期指向性的特殊水聲換能器[16]，大多數(shù)模態(tài)換能器具備3個(gè)不同模態(tài)，其各個(gè)模態(tài)對應(yīng)的波束指向性表現(xiàn)如圖2所示。

圖2 單個(gè)模態(tài)對應(yīng)的波束指向性

如果結(jié)合這3種模態(tài)，并加以相應(yīng)權(quán)重，可以得到聲壓函數(shù)p(θ)與聯(lián)合波束模態(tài)的關(guān)系

其中，Ai對 應(yīng)于各種模態(tài)的權(quán)重，θ為空間方位角。

如果對Ai進(jìn) 行A0=1的正則化，可以得到不同的指向性表現(xiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[17]對多模態(tài)換能器最佳參數(shù)的研究，本文選擇A1=1.8305,A2=1.3019，此時(shí)得到指向性波束相應(yīng)的–3 dB帶寬大約為70°。根據(jù)該結(jié)果建立一個(gè)波束數(shù)量為6的可切換天線(換能器)系統(tǒng)，其收/發(fā)指向性如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)收/發(fā)指向性

整個(gè)歐氏平面可以被該波束通過旋轉(zhuǎn)完全覆蓋。需要注意的是，由于節(jié)點(diǎn)只裝備了1個(gè)模態(tài)換能器，同一時(shí)刻只有1個(gè)扇區(qū)可以被覆蓋。

2.2 通信模式

在全向網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)只要位于彼此的通信范圍內(nèi)就可以進(jìn)行通信，這種類型的網(wǎng)絡(luò)通常可以由單位圓圖進(jìn)行表示，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的通信模式為全向發(fā)送全向接收(Omni-directional transmission with Omni-directional reception, OO)模式。而使用定向通信技術(shù)時(shí)，一對通信節(jié)點(diǎn)只能在它們位于彼此的波束范圍內(nèi)的條件下才能建立連接，即它們的波束必須朝向?qū)Ψ剑藭r(shí)節(jié)點(diǎn)的通信模式為定向發(fā)送定向接收，(Directional transmission with Directional reception, DD)模式。還有一種通信模式介于兩者之間，也就是全向發(fā)送定向接收(OD)或定向發(fā)送全向接收(DO)模式。3種通信模式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，本文使用OO模型進(jìn)行一些控制包的傳輸以達(dá)到盡可能大的廣播范圍，而對于較長且重要的數(shù)據(jù)包使用DD模式進(jìn)行發(fā)送和接收，這兩類通信模式如圖4所示。

圖4 本文所用兩種通信模式示意圖

2.3 能量模型

根據(jù)水聲傳播原理[18]，一束聲波表面的聲強(qiáng)I可以表示為

其中，Wp表示信號的聲功率，S表示該聲波波束的表面積，因此有Wp=IS，表明在聲強(qiáng)一定的情況下，聲功率與波束表面積呈正比關(guān)系。因此，在假定電轉(zhuǎn)換效率相同的情況下，可以通過計(jì)算波束的表面積獲得不同發(fā)送模式的能量消耗。

以Cm表 示模式m的能量消耗，其中m ∈{D,O}分別表示定向模式和全向模式，因此使用微元法計(jì)算CD的過程如圖5所示。

圖5 微元法計(jì)算模態(tài)換能器能量消耗

根據(jù)旋轉(zhuǎn)體表面積公式，可知該波束表面積為

利用換元法將其轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)空間，可得

其中，ρ(θ)表 示位于方位角θ時(shí)表面微元的聲壓，最后可以求得α=0,β=π時(shí)CD ≈2.41。

對于m=O的情況，可以直接代入球體表面積公式計(jì)算，可得CO=4π≈12.57。定義能效比(Energy Efficiency Ratio, EER)為兩種不同傳輸模式的能量消耗比，可得

說明在傳播范圍相同的情況下，使用定向通信技術(shù)可以節(jié)省約80.8%的能量。如果使用相同發(fā)射功率，可以計(jì)算得到此刻的定向增益G為

本結(jié)論與文獻(xiàn)[16]極為接近，證明了本模型的精度。

3 FDDCA協(xié)議詳解

3.1 協(xié)議概述

該協(xié)議建立在以下對通信節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的假設(shè)上：(1)節(jié)點(diǎn)能夠通過硬件或者算法[19]實(shí)時(shí)獲取自身的位置信息；(2)節(jié)點(diǎn)裝備1個(gè)能夠全向收發(fā)的普通換能器和1個(gè)能夠進(jìn)行定向收發(fā)的模態(tài)換能器；(3)上述兩個(gè)換能器工作在不同頻帶，普通換能器工作頻帶稱為“全向頻帶”，定向換能器工作頻帶為“定向頻帶”；(4)定向換能器可以自由調(diào)整激活扇區(qū)，但同一時(shí)刻只能激活其中1個(gè)。

本節(jié)所使用術(shù)語如表1所示。

表1 術(shù)語解釋

本協(xié)議分為3個(gè)階段，分別是ND階段、信道競爭階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。通過ND階段節(jié)點(diǎn)會(huì)建立相應(yīng)的鄰節(jié)點(diǎn)MAC地址和扇區(qū)映射表，為下一步競爭信道做準(zhǔn)備。進(jìn)入信道競爭階段后，節(jié)點(diǎn)會(huì)以全向的方式向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS(因此該包是ORTS)以競爭信道，并將定向換能器方向調(diào)整為目的節(jié)點(diǎn)方向，等待接收。如果目的節(jié)點(diǎn)此時(shí)空閑，在收到ORTS后會(huì)以定向的方式向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)DCTS。源節(jié)點(diǎn)一旦收到相應(yīng)的DCTS，就開始進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，否則說明目的節(jié)點(diǎn)正在忙碌，需要進(jìn)行隨機(jī)退避。由于OACK的產(chǎn)生，該退避時(shí)間可能會(huì)隨著OACK的收到而提前結(jié)束，這就增加了信道的利用率。如果在退避計(jì)時(shí)器超時(shí)前仍未收到OACK，可以再次嘗試競爭信道，由于競爭發(fā)生在控制信道，且目的節(jié)點(diǎn)的定向換能器指向其通信節(jié)點(diǎn)，該次競爭不會(huì)導(dǎo)致可能的數(shù)據(jù)信道沖突，在目的節(jié)點(diǎn)控制信道的沖突概率也很低，因?yàn)榭刂瓢L度很小。

3.1.1 鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)算法

由于定向協(xié)議工作需要鄰節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)信息，因此考慮到目前水聲網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小但節(jié)點(diǎn)分布范圍較大，該協(xié)議設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)雜度為O(1)的稀疏網(wǎng)絡(luò)ND算法，具體來說，即節(jié)點(diǎn)會(huì)在網(wǎng)絡(luò)初始化后一段時(shí)間內(nèi)隨機(jī)發(fā)送n個(gè)OHELLO包進(jìn)行鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)。這個(gè)過程不需要采用握手方式，原因在于OHELLO僅僅包含自身的MAC地址和2維坐標(biāo)，長度分別為8 bit和128 bit，在物理層通信速率2000 bps的情況下該數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收僅僅不到0.1 s，與1500 m傳播時(shí)延比起來不足1/10，其碰撞幾乎可以忽略。為了提高節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)概率，令n=3，只要鄰節(jié)點(diǎn)能成功收到其中任何一個(gè)OHELLO即可成功將建立相應(yīng)映射。

如果該過程采用握手方式，則一個(gè)節(jié)點(diǎn)至少要發(fā)送1 +Ni次 (Ni取決于網(wǎng)絡(luò)密度)，且伴隨較大的碰撞概率和時(shí)延，在這種情況下，由于OHELLO包的發(fā)送是廣播形式，一旦碰撞發(fā)生，該節(jié)點(diǎn)無法得知是哪個(gè)報(bào)文丟失，只能再次重復(fù)該過程。

為了應(yīng)對可能發(fā)生的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)不完全和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，節(jié)點(diǎn)會(huì)維護(hù)一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)表。每個(gè)表項(xiàng)具備一定的生存期，節(jié)點(diǎn)每收到一個(gè)報(bào)文就會(huì)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)信息更新該表的生存期，直到生存期結(jié)束就會(huì)將其中的無效表項(xiàng)刪除，直到再次收到該鄰節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)報(bào)文。

3.1.2 信道預(yù)約

一旦ND階段結(jié)束，節(jié)點(diǎn)嘗試發(fā)送ORTS進(jìn)行信道預(yù)約，這是因?yàn)楸M管獲得了目的節(jié)點(diǎn)的扇區(qū)位置，但此刻其定向換能器的朝向未知，無法保證該數(shù)據(jù)包能被正確接收。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到ORTS后會(huì)立即向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)DCTS，雖然該過程引入了“隱藏終端”問題，如圖1(a)所示，節(jié)點(diǎn)B在收到A的ORTS后無法通過傳統(tǒng)CTS的廣播告知節(jié)點(diǎn)C進(jìn)行退避，但由于控制包和接下來數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收發(fā)生在不同換能器，即便C此刻接入信道，其行為也不會(huì)影響到A,B之間的數(shù)據(jù)交換。如果C節(jié)點(diǎn)向B請求發(fā)送，由于B此時(shí)已同A建立連接，會(huì)向C以全向方式回復(fù)一個(gè)OEW告知其進(jìn)行等待，該包包含了自己的預(yù)期忙碌時(shí)間，C節(jié)點(diǎn)收到后會(huì)靜默該段時(shí)間后重新競爭信道。對于節(jié)點(diǎn)A也是同樣的情況。

3.1.3 數(shù)據(jù)傳輸

一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到發(fā)給自身的DCTS后將會(huì)以定向方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，之后會(huì)等待ACK。為了保證可靠性傳輸采用了自動(dòng)重發(fā)請求(Automatic RepeatreQuest,ARQ)技術(shù)，為每個(gè)數(shù)據(jù)包設(shè)置了傳輸計(jì)數(shù)器，如果能夠在一定時(shí)間內(nèi)收到相應(yīng)的OACK說明該數(shù)據(jù)被成功接收，否則進(jìn)行重傳，直到目的節(jié)點(diǎn)成功接收或者該數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)超過上限。

3.2 多扇區(qū)狀態(tài)管理

對于裝備了單個(gè)全向換能器的節(jié)點(diǎn)來說，其沖突域往往是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的干擾范圍，這是由于它能夠影響周圍的整個(gè)區(qū)域，該范圍內(nèi)任何一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的傳輸都可能會(huì)受到干擾。而對于裝備了單個(gè)定向換能器的節(jié)點(diǎn)來說，問題變得更加復(fù)雜，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)在某個(gè)時(shí)刻只能干擾到1個(gè)扇區(qū)，因此對于每一個(gè)扇區(qū)而言，都需要單獨(dú)管理其狀態(tài)，包括忙碌還是空閑，這是由于在復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，不能保證節(jié)點(diǎn)的每個(gè)扇區(qū)只存在1個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)。

因此為該協(xié)議設(shè)計(jì)了一個(gè)多扇區(qū)狀態(tài)管理器(Multi-Sector State Manager, MSSM)，該MSSM通過全向換能器偵聽到的數(shù)據(jù)包對相應(yīng)扇區(qū)進(jìn)行管理，為其設(shè)置合適的退避時(shí)間，在計(jì)時(shí)器運(yùn)行時(shí)該扇區(qū)狀態(tài)為忙碌，此時(shí)無法在該扇區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。直到計(jì)時(shí)器超時(shí)或者全向換能器偵聽到該扇區(qū)方向上的OACK，會(huì)重新設(shè)置其狀態(tài)為空閑。

3.3 兩類終端問題解決辦法

FDDCA通過全雙工技術(shù)解決“隱藏終端”和“暴露發(fā)送終端”問題，通過定向通信技術(shù)解決“暴露接收終端”問題，具體方法如下。

如圖6所示，節(jié)點(diǎn)A和B建立連接后節(jié)點(diǎn)C試圖接入信道，向節(jié)點(diǎn)B請求發(fā)送數(shù)據(jù)，C成為A的隱藏終端，此時(shí)A已經(jīng)成功預(yù)約信道，因此B會(huì)估算忙碌時(shí)間，并將該信息包含在OEW包中以全向的方式發(fā)送給C。C收到該OEW包后會(huì)按照要求設(shè)置相應(yīng)扇區(qū)為忙碌狀態(tài)，在超時(shí)后重新發(fā)起競爭。如果提前收到來自B的OACK包則直接退出計(jì)時(shí)器并更新狀態(tài)為空閑，并重新開始競爭信道。

圖6 FDDCA解決“隱藏終端”

當(dāng)節(jié)點(diǎn)B試圖向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，B和C同時(shí)成為對方的“暴露發(fā)送終端”，如圖7所示。節(jié)點(diǎn)B檢查收到來自C的ORTS后，發(fā)現(xiàn)其目的節(jié)點(diǎn)并不位于自身范圍內(nèi)，說明其接下來的發(fā)送行為不會(huì)造成干擾，因此忽略該ORTS。同樣對于節(jié)點(diǎn)C來說也是如此，因此實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的同步發(fā)送。

圖7 FDDCA解決“暴露發(fā)送終端”

如果節(jié)點(diǎn)C向D發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候A向B請求發(fā)送，那么此時(shí)節(jié)點(diǎn)B成為節(jié)點(diǎn)C的暴露接收終端，該問題在通常全雙工技術(shù)下難以解決，但可以利用定向通信技術(shù)解決。從圖8可以看出，A嘗試向B發(fā)起通信的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)C已經(jīng)與節(jié)點(diǎn)D建立了連接，且由于范圍原因A并未收到C的ORTS，因此A競爭信道的行為不會(huì)受到影響。當(dāng)B收到A的ORTS后會(huì)判斷相應(yīng)扇區(qū)空閑，且沒有干擾威脅，會(huì)向節(jié)點(diǎn)A回復(fù)DRTS，成功建立連接，實(shí)現(xiàn)了信道的空間復(fù)用。

圖8 FDDCA解決“暴露接收終端”

3.4 聾節(jié)點(diǎn)問題的解決

“聾節(jié)點(diǎn)”問題發(fā)生在如圖9所示場景下。對于只裝備單個(gè)定向換能器的節(jié)點(diǎn)來說，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A試圖與節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行通信，而此刻節(jié)點(diǎn)B和C已經(jīng)建立了連接，由于B和C的波束必須同時(shí)指向?qū)Ψ剑怨?jié)點(diǎn)B無法知道A曾嘗試與其通信。在這種情況下，A會(huì)反復(fù)請求與B進(jìn)行通信，導(dǎo)致退避時(shí)間越來越長，最終會(huì)誤認(rèn)為鏈路無效而刪除鏈路。可以看出該問題產(chǎn)生的關(guān)鍵所在，是節(jié)點(diǎn)B無法收到A的發(fā)送請求。

圖9 “聾節(jié)點(diǎn)”問題

該問題可通過FDDCA協(xié)議有效解決：A向B請求發(fā)送時(shí)會(huì)使用額外的全向換能器，而不會(huì)對B正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸造成影響，因此B收到A的發(fā)送請求時(shí)會(huì)通過全向換能器告知其進(jìn)行合理時(shí)間的等待，這樣就避免了節(jié)點(diǎn)A退避計(jì)時(shí)器快速增加而切斷鏈路，最終解決了該問題。

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文所提協(xié)議的性能，本仿真對NS-3進(jìn)行了相應(yīng)擴(kuò)展，并設(shè)計(jì)了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別驗(yàn)證FDDCA的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)性能和數(shù)據(jù)投遞性能。前者通過一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，后者通過一種特定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4.1 ND協(xié)議性能

假設(shè)有若干個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在一塊方形區(qū)域內(nèi)，區(qū)域邊長5000 m，節(jié)點(diǎn)通信范圍1000 m,OHELLO包長144 bit，定義鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)效率

其中，Di是 節(jié)點(diǎn)i發(fā) 現(xiàn)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量，而Ni是i通信范圍內(nèi)存在的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示。

圖10 稀疏網(wǎng)絡(luò)下鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)效率

可以看出，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在只有15個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下，單次發(fā)現(xiàn)概率就達(dá)到了90%以上，隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加，經(jīng)過6次發(fā)現(xiàn)過程也能達(dá)到90%的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)效率，該過程的時(shí)間復(fù)雜度是O(1)，意味著耗費(fèi)的能量和時(shí)間不會(huì)增加。

4.2 FDDCA協(xié)議數(shù)據(jù)投遞性能

為了驗(yàn)證FDDCA協(xié)議對于“暴露終端”和“聾節(jié)點(diǎn)”問題的處理效果，本文設(shè)計(jì)了如圖11所示網(wǎng)格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖11 仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中9個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)按照分別位于網(wǎng)格交點(diǎn)，而4個(gè)接收節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)格中心，這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使節(jié)點(diǎn)構(gòu)成上述不同問題的發(fā)生場景。

由于本協(xié)議裝備了兩個(gè)工作于不同頻帶的換能器，因此表2分別對其進(jìn)行了說明，發(fā)送聲源級的選擇根據(jù)文獻(xiàn)[3]對傳播損失和噪聲提前計(jì)算獲得，保證對于各個(gè)換能器均可達(dá)到2000 m傳播范圍。對比協(xié)議選取了水下Aloha (UW-Aloha)協(xié)議[20]和時(shí)隙地面多址接入(S-FAMA)協(xié)議[9]，分別為兩類典型的水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，具有極強(qiáng)的代表性，針對協(xié)議的吞吐量、能耗、能量效率以及協(xié)議開銷進(jìn)行了對比統(tǒng)計(jì)，其中能量效率Ee定義為

其中，Ec為網(wǎng)絡(luò)總能耗，Brcv表示所有接收節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)量，單位是bit，物理意義為平均成功接收1 bit數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)的能量。

其他相應(yīng)仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

最終得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看出，F(xiàn)DDCA協(xié)議在吞吐量表現(xiàn)方面遠(yuǎn)超UW-Aloha和S-FAMA。盡管UW-Aloha采用了2次握手機(jī)制，使得1次傳輸過程耗費(fèi)時(shí)間相比較FDDCA節(jié)省近1/2，但由于隨機(jī)接入信道方式導(dǎo)致了大量碰撞，導(dǎo)致吞吐量不高。同時(shí)，與S-FAMA的對比說明本協(xié)議使得多對鏈路可以同時(shí)傳輸而不互相影響，取得了良好的信道復(fù)用率，有效解決了暴露終端和隱藏終端問題。

圖12 吞吐量對比

從圖13可以看出，網(wǎng)絡(luò)能耗上FDDCA相比其余協(xié)議取得了絕對優(yōu)勢，且趨勢穩(wěn)定，S-FAMA也有比較平衡的趨勢，這是由于握手過程對信道進(jìn)行了預(yù)約，防止數(shù)據(jù)盲目發(fā)送導(dǎo)致的丟包，因此大大降低了發(fā)送長數(shù)據(jù)包導(dǎo)致的能量浪費(fèi)。而UW-Aloha協(xié)議網(wǎng)絡(luò)能耗隨著網(wǎng)絡(luò)流量的增加呈明顯上升趨勢且沒有回落，這也是隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的主要弊端。

圖13 網(wǎng)絡(luò)能耗對比

最后，對3種協(xié)議的能量效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖14所示。可以看出，隨著數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量的增加，S-FAMA抖動(dòng)較高而UW-Aloha呈穩(wěn)定上升狀態(tài)，后期無法收斂，說明該協(xié)議的穩(wěn)定性較差，不適用于節(jié)點(diǎn)密度較大和數(shù)據(jù)流量較高的網(wǎng)絡(luò)。而FDDCA相比較其他協(xié)議更加穩(wěn)定且能耗一直處于較低水平，是S-FAMA能耗效率的約6%和UW-Aloha的約10%，這完全得益于全雙工技術(shù)和定向通信技術(shù)的結(jié)合。

圖14 網(wǎng)絡(luò)能量效率對比

4.3 FDDCA協(xié)議開銷

由于FDDCA是一個(gè)基于預(yù)約的協(xié)議，會(huì)存在一定的協(xié)議開銷，為了對文中3種協(xié)議的開銷進(jìn)行統(tǒng)一度量，定義協(xié)議開銷

其中，Bsend表 示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)量，該指標(biāo)表示平均收到1 bit數(shù)據(jù)需要額外發(fā)送的數(shù)據(jù)量。

結(jié)果如圖15所示。

圖15 協(xié)議開銷對比

可以看出，在提供的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，F(xiàn)DDCA協(xié)議對于對比協(xié)議具有極高的優(yōu)勢，這得益于其使用的全雙工通信和定向通信技術(shù)，使得通信節(jié)點(diǎn)能夠有效減少對網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的干擾，進(jìn)而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議開銷始終保持在一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)；同采用握手機(jī)制的SFAMA協(xié)議由于節(jié)點(diǎn)沖突域較大而產(chǎn)生嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)間干擾，因此導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)退避和數(shù)據(jù)碰撞使其高于FDDCA協(xié)議，但也相對平穩(wěn)；而UW-Aloha協(xié)議由于是隨機(jī)接入信道而導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)包的碰撞，會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而越來越嚴(yán)重，呈不斷上升趨勢。

5 結(jié)論

本文從理論上介紹了多模態(tài)換能器的指向性增益，并結(jié)合聲強(qiáng)理論提出一種數(shù)學(xué)模型分析其能量消耗，取得了較高的精度。此外，為了有效解決定向傳感器網(wǎng)絡(luò)中的臨界點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、“隱藏終端”、“暴露終端”和“聾節(jié)點(diǎn)”難題，本文基于上述模型提出了一種全雙工定向水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議FDDCA，本協(xié)議通過解決上述問題實(shí)現(xiàn)了信道的空間復(fù)用，并通過仿真驗(yàn)證了其在鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)效率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)能耗、能效和協(xié)議開銷方面的巨大優(yōu)勢。