基于交叉传输的水声通信网络MAC协议

张 曦 ，闫 涛 ，王红卫 ，钟永信

（1.空军工程大学航空航天工程学院 西安 710038；2.空军第一航空学院 信阳 464000；3.94850部队 衢州 324000）

1 引言

随着海洋开发和海洋安全技术等的快速发展，水声通信网络在海洋数据采集、环境监测、灾难预警与军事安全等多方面获得应用，引起了学术界和工业界的高度关注[1～3]。然而水声信道具有复杂多变、传输时延长、可用带宽窄、多径和多普勒效应严重等需要克服的难点，同样也是水声通信网络研究的热点。

水声传感器网络的 MAC协议通常分为基于竞争和基于分配两类。基于竞争的MAC协议要求节点采用竞争的方式获取信道，因此不可避免地会产生信息冲突，从而导致网络能量的浪费，其主要包括ALOHA、CSMA、MACA协议及其改进；基于分配的MAC协议通过对信道资源进行提前分配，可有效地避免数据冲突，其主要包括FDMA、CDMA和TDMA协议。由于水声信道的可用带宽非常有限，FDMA采用频带分割的方法并不适用于水声通信网络的应用；CDMA则因扩频码字的使用，一方面降低了数据信息的传输效率，另一方面出现了难以克服的远近效应问题。Chirdchoo N等人提出的Aloha-AN协议[4]能够减少数据冲突，提高吞吐量。参考文献[5]提出了基于MACA的多跳网络协议，但该方法应用范围非常有限。参考文献[6]的方法是采用每个节点随机选择时机发送同步信息，该协议利用小占空比减少数据冲突，仅适用于低数据率的情况应用。Molins和Stojanovic提出的Slotted FAMA[7]协议采用时隙分配和握手机制减少冲突的发生，但时隙的增加会导致吞吐量的降低。参考文献[8]利用握手机制和CDMA技术减少数据冲突，但该方法在水声信道有限的带宽条件下会影响数据的吞吐量。

TDMA对系统时间进行时隙划分，通过调度节点在不同时隙内收发数据，避免了数据碰撞且具有节能特性。然而传统的TDMA协议通常要求节点在每个周期内只发送一次数据，在长传输时延的水声网络环境下，将导致极低的信道利用率。为了解决该问题，本文提出了交叉传输的TDMA（interleaving TDMA，I-TDMA）协议，该协议首先针对三节点网络进行设计，利用水声信道长传输时延的特点，采用数据分组交叉传输的方法，提高了信道资源利用率；同时引入了拓扑扩展和循环同步机制，可适用于节点数量较多的环型或矩型网络结构，具有良好的系统扩展性；最后通过仿真验证了I-TDMA协议的有效性。

2 传统TDMA协议

传统的TDMA协议为时域划分的多址接入方式，网络中的每个节点被分配不同的时隙，节点数量以及时隙长度决定了TDMA协议的周期T。当属于某一个节点的时隙来临时，该节点发送数据分组，同时为了避免数据冲突，TDMA协议通常要求每个节点在一个周期内仅发送一次数据信息。

传统的TDMA协议结构如图1所示，网络由 A、B、C 3个节点组成，并且彼此之间的距离相等。按TDMA协议的方法给每个节点分配一个发送时隙，在水声通信网络中，时隙长度Ts应包含数据分组的发送时间tdata和节点间的传输时延τ。现在，节点A、B和C在各自分配的时隙分别发送数据分组给节点B、C和A，相应的接收节点接收数据信息，而非接收节点则会同时受到数据干扰。例如当节点A发送数据分组给B时会对节点C产生干扰，因为节点C并不需要节点A的数据。根据传统的TDMA协议，其信道利用率δ1可以表示为:

在长传输时延的水声信道环境中，通常有τ>>tdata，因此导致传统的TDMA协议信道利用率较低。

图1 传统的TDMA协议结构

3 I-TDMA协议设计

3.1 基本思想

为了克服传统TDMA协议信道利用率低的问题，本文提出了I-TDMA协议。首先通过两节点数据双向交换引入I-TDMA的基本思想。考虑节点A与B正在进行双向数据交换，为了便于说明，假设两个节点具有相同的数据分组发送时间tdata，并且知道节点间的传输时延τ，然后可以计算:

其中，[·]表示取整函数。

两节点间的数据双向交换结构如图2所示，节点通过周期性地发送数据分组以改善信道利用率。根据水声信道的长传输时延，在一个时间周期里，节点A和B可发送一连串的数据分组，同时为了避免数据冲突，节点发送的数据分组数量不能超过k个，在延时τ之后，每个节点开始接收对方的数据分组序列。由于传输时延τ不一定恰好是数据分组发送时间tdata的整数倍，因此在节点的发送序列和接收序列之间将存在着Δτ的空余时间。综上所述，采用数据分组双向交换的方式，信道利用率可以表示为:

根据式（2）和式（3）的计算得知 0≤Δτ＜tdata，当 Δτ=0时，可实现最高的信道利用率100%，明显高于传统TDMA协议的信道利用率。

图2 两节点数据双向交换

3.2 协议描述

根据两个节点数据双向交换的思想，考虑如何在水声通信网络情况下高效地收发数据。以三节点网络为例，观察图1发现，由于水声信道的长传输时延，使得在每个节点分配的时隙中存在着大量的空闲时间。I-TDMA协议充分利用这些空闲时间交叉传输更多的数据分组，在不引起数据碰撞的情况下提高了信道利用率。因为I-TDMA以T为周期进行循环数据发送，下面描述该协议在一个周期内的执行步骤。

（1）与传统的 TDMA 协议相同，每个节点 i(i=1，2，3)首先在自己分配时隙的开始时刻发送第一个数据分组，并将该时刻记为ti1。

（2）为了避免与接收节点的数据发送产生冲突，节点i在自己分配的时隙内采用间隔tdata的方式增加发送数据分组，且在该时隙内最多增加的数据分组数量m由节点间的传输时延τ决定，即有:

其中，[·]为取整函数。进而可以得到节点i发送第j个数据分组的开始时刻为:

其中，1≤j≤m+1。

（3）节点在步骤（1）和步骤（2）中已经发送了 m+1 个数据分组，I-TDMA协议的目标是让每个节点在一个周期内发送k+1（k按式（2）计算得到）个数据分组，剩余的k-m个数据分组通过相应接收节点的分配时隙进行发送，同时要避开接收节点的发送时间，因此节点i发送剩余k-m个数据分组的开始时刻为:

其中，m+2≤j≤k+1。

下面以图3为例说明I-TDMA协议的执行过程。此时设数据分组的发送时间为tdata，节点间的传输时延τ=3.5tdata，通过式（2）、式（3）和式（5）的计算可以得到 k=3、Δτ=0.5tdata和m=1。根据I-TDMA协议的执行步骤，每个节点在其分配时隙内，采用间隔tdata的方式共能发送m+1=2个数据分组，如节点A在第一个时隙发送了数据分组A1和A2，延时τ后分别在节点B和C上形成数据接收和数据干扰时间。然后剩余的k-m=2个数据分组通过接收节点的分配时隙进行发送，如数据分组A3和A4在节点B的分配时隙进行发送。这里注意，数据分组A4的发送时间在数据分组B1的干扰时间内，但由于节点A不需要B的数据，因此并不影响A此时的数据发送。此外，由于节点的发送时间存在着周期对称关系，图3中将数据分组C3和C4的发送时间移入第一个时隙，以便于更好地说明节点间的数据交叉传输而不会造成信息冲突。

对比图1和图3发现，传统的TDMA协议在一个时间周期内，每个节点只能发送一个数据分组，而I-TDMA协议

图3 I-TDMA协议示意

如果Δτ=0，I-TDMA协议的信道利用率将达到100%。

3.3 拓扑扩展

考虑到实际的水声通信网络应用中，由3个节点组成的网络覆盖范围非常有限，因此在保留I-TDMA协议工作原理的基础上，对网络拓扑结构进行扩展。I-TDMA协议拓扑扩展的基本原则是网络节点能构成一个封闭式的环路，每个节点具有两个相邻的节点，同时要求网络中的节点数量为3的整数倍，且节点间的距离相等。

根据上述的扩展原则，图4和图5给出了两个典型的网络拓扑扩展结构，分别为环型拓扑和矩型拓扑。以图4为例，节点 A1，B1，C1，A2，B2，C2，…，An，Bn，Cn组成了一 个环型网络，共包含3n个节点，每个节点的通信范围为其相邻的两个节点，且邻节点间均具有相同的距离。为了符合三节点网络中高效数据分组收发的方式，将环型拓扑中的节点划分为n组，每一组中包含Ai、Bi和 Ci3个节点，这3个节点的时隙分配和数据分组交叉传输方式分别对应于三节点网络中的节点A、B和C，这样网络中的每一组节点可同时进行数据收发，从而提高网络的吞吐量。与三节点网络不同的是，环型拓扑中节点Ai并非接收Ci的数据，而是接收节点Ci-1的数据 （节点A1接收Cn的数据除外），但由于所有的Ci节点均具有相同的数据分组发送时间，因此并不影响I-TDMA协议的执行，数据分组通过在时间轴上进行数据分组交叉传输，允许每个节点发送k+1个数据分组，因此极大地改善了信道利用率，其表示为:的交叉传输将不造成信息冲突。同样，图5中的矩型拓扑结构情况类似。

图4 I-TDMA环型拓扑扩展

图5 I-TDMA矩型拓扑扩展

3.4 循环同步

在基于TDMA的水声通信网络MAC协议中，节点间的时钟同步显得尤为重要。然而由于时钟漂移等因素的影响，给网络同步带来了一定的困难。I-TDMA协议控制节点在指定时间收发数据，为了避免相邻的数据信息产生冲突，要求网络中节点的时间具有统一性。

根据I-TDMA协议拓扑扩展的特点，采用周期性循环同步的方法完成节点间的时钟同步。首先在网络中选择某个节点作为时间参考节点，以该节点的时间为基准用于校正其他节点的时钟。如图4中的环型拓扑网络，不失一般性，选择节点A1为参考节点，根据网络中节点的时钟稳定程度，节点A1每隔一定的协议周期T发送同步信息给其接收节点B1，当B1收到该同步信息，调整自己的时钟与A1一致；然后节点B1选择其最近的数据发送时刻转发同步信息给节点C1，如果此时节点B1仍然有数据要发送，则采取同步信息优先发送的原则，暂时延迟该数据分组的发送。依次类推，节点C1完成时钟校正之后发送同步信息给其接收节点A2，直到同步信息到达最后的节点Cn。因此，只要网络结构满足I-TDMA协议拓扑扩展要求，均可以采用循环同步方法对网络中的节点进行时钟同步。

4 I-TDMA协议性能仿真

4.1 仿真条件

I-TDMA协议仿真采用静态的环型拓扑结构，如图4所示，网络节点数N分别选取为3个、6个和9个，数据分组采用逆时针传输方式，即前一个节点发送数据给后一个节点。相邻节点间距分别设置为2 km和5 km，每个节点的通信范围为其邻近的两个节点。数据分组长度固定为 1000 bit，同步信息的长度为100 bit。网络每隔一定的协议周期T进行节点时钟同步，同步间隔分别为T、5T和10T。节点收、发机的数据率采用1000 bit/s，声信号在水中的传播速率为1500 m/s。每个节点按泊松分布产生数据，节点的数据分组队列最大存储空间为5个数据分组，在队列已满的情况下新产生的数据分组将被丢弃。

4.2 结果分析

I-TDMA协议的仿真过程具体分为3个部分。首先比较了节点数量对网络吞吐量的影响，以说明I-TDMA协议拓扑扩展的有效性；其次分析了不同的同步间隔对网络吞吐量和同步开销的影响；最后对节点间距分别为2 km和5 km情况下的I-TDMA协议和传统的TDMA协议在吞吐量、同步开销和时延方面进行仿真比较，仿真结果如图6～图11所示。

I-TDMA协议以3个节点为一组对网络拓扑进行扩展，图6给出了节点间距为2 km、同步间隔为5T情况下，不同的网络拓扑扩展程度引起吞吐量的变化。从图中可以看出，吞吐量随着节点负载的增加而增大，当负载增加到一定程度时，网络吞吐量达到饱和状态且趋于恒定值。同时网络的吞吐量也随着节点数量的增加而增大，原因是I-TDMA协议进行拓扑扩展后，各组节点在互不干扰的前提下可同时进行数据传输，因此使得网络的吞吐量增大，这也说明了I-TDMA协议可在三节点网络的基础上进行拓扑扩展且具有良好的可扩展性。在接下来的仿真中均固定网络的节点数量N=9。

图6 节点数量对网络吞吐量的影响

图7 同步间隔对网络吞吐量的影响

图8 同步间隔对同步开销的影响

图9 I-TDMA和TDMA协议吞吐量比较

图10 I-TDMA和TDMA协议同步开销比较

图11 I-TDMA和TDMA协议时延比较

图7和图8分别给出了节点间距为2 km的条件下，变化同步间隔对网络吞吐量和同步开销的影响。网络同步间隔越长，节点发送同步信息的时间越少，则有更多的时间用于发送数据分组，从而提高网络的吞吐量并降低同步开销。观察图8发现，当网络负载较低时，节点发送同步信息的比例较大，导致较高的同步开销；而随着负载的增加，发送的数据分组数量增多，使得同步开销迅速降低。此外，同步间隔为5T和10T的情况下，I-TDMA协议均能保持较高的吞吐量和较低的同步开销，而采用5T的同步间隔使得网络时钟校正周期更短，节点同步更加精确，因此设定同步间隔为5T用于后续的仿真。

图9比较了I-TDMA和传统TDMA协议的吞吐量。由于I-TDMA协议利用了水声信道长传输时延的特性，采用了数据分组交叉传输的方法，因此获得更高的吞吐量，在2 km和5 km节点间距情况下，最大吞吐量分别提高了约125%和375%。进一步观察发现，传统的TDMA协议时隙长度与节点间距成正比，导致网络的吞吐量随着节点间距的增加而降低；而I-TDMA协议在5 km条件下的吞吐量要高于2 km的情况，这是因为△τ空闲时间的存在，使得节点间距为5 km时I-TDMA协议的信道利用率更高，从而获得更高的网络吞吐量。

图10为I-TDMA和TDMA协议的同步开销比较。当网络节点负载较低时，I-TDMA和TDMA协议具有相同的同步开销，随着负载的增大，I-TDMA协议中的节点通过在单位时间内交叉传输更多的数据分组，可得到更低的同步开销。另外在低负载区域，节点间距为2 km的协议周期要小于5 km的协议周期，从而导致2 km的同步开销更高；在高负载区域，不同的节点间距并不影响传统TDMA协议的同步开销，因为在相同周期内节点发送的数据分组数和同步信息数的比例固定，而5 km条件下I-TDMA协议具有更高的信道利用率，因此同步开销低于2 km的情况。

图11给出了两个协议的时延比较。在低负载区域，时延主要由数据分组的传输时延所引起；当网络吞吐量达到饱和，数据分组在队列中较长的等待时间导致数据分组时延迅速增大。传统的TDMA协议在节点间距较远的情况下，需要更长的数据分组传输时间和等待时间，从而使得时延随着节点间距的增加而增大；I-TDMA协议尽管在节点间距为5 km时传输时延更长，但较高的信道利用率缩短了数据分组在发送队列中的等待时间，因此在高负载区域网络时延略小于2 km的情况。

5 结束语

传统的TDMA协议通过调度节点在不同时隙内收发数据，避免了数据碰撞且具有节能特性，然而由于水声信道的长传输时延，使得TDMA协议的信道利用率较低。针对该问题本文提出了交叉传输的MAC协议（I-TDMA），它利用水下环境长传输时延的特性，采用数据分组交叉传输的方法改善信道利用率，同时引入了拓扑扩展和循环同步机制，增强了网络系统的可扩展性。仿真结果表明，该协议相比传统的TDMA协议减少了数据分组时延以及同步开销，在节点间距为2 km和5 km的情况下，最大吞吐量分别提高了约125%和375%。

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