基于小型海洋监测网的MAC协议设计与优化

刘　磊，段俊奇，翁丽娜，刘轶铭

(中国电子科学研究院，北京　100041)



工程与应用

基于小型海洋监测网的MAC协议设计与优化

刘磊，段俊奇，翁丽娜，刘轶铭

(中国电子科学研究院，北京100041)

摘要：本文针对小型海洋监测网中数据包长度的不同，提出了一种基于Aloha和UW-CSMA/CA的混合MAC协议。该协议中，为了减少协议开销，短数据包采用RTS+DATA的Aloha协议发送，为了避免长数据包碰撞、重发能耗大，长数据包采用四次握手机制的改进UW-CSMA/CA协议发送，并且本文为这两种协议设计统一的二进制指数退避算法和静默算法。仿真结果表明，与原始Aloha协议相比，改进后的混合MAC协议具有较稳定的吞吐量；与原始UW-CSMA/CA协议相比，改进后的混合MAC协议具有较高的吞吐量、较低的平均延时和较低的协议开销。

关键词：小型海洋监测网；Aloha协议；UW-CSMA/CA协议；混合MAC协议中图分类号：TB567

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)03-310-05

0引言

小型海洋监测网络是以海洋监测为目标的小型水声网络，实时回传海洋盐度、温度、压力等监测数据，可应用于海洋数据采集、军事侦察、环境监控、资源勘测、辅助导航等方面，已成为国内外水声领域学者的研究热点[1-3]。然而，恶劣的水下通信环境给海洋监测网的研究带来了巨大的挑战。水声通信可用带宽小于15 kHz[4]，声音信号在水中的传播速度只有1500 m/s左右，比无线电波在空气中的传播速度3×108m/s低5个数量级[5]，同时，海面和海底产生声反射和海水不均匀发生的折射导致多径现象严重[6]。因此，水声信道具有低带宽，长延时、多径干扰严重等特点。无线通信网络中成熟的MAC协议都不能直接应用于水声通信网中，必须根据水声信道的特点，研究小型海洋监测网的MAC协议，实现监测数据可靠高效地传输。

MAC协议依据是否预先分配资源分为固定分配式MAC协议和竞争式MAC协议[7]。小型海洋监测网具有可扩展性，即传感器节点可以自由地接入或移出网络，固定分配式MAC协议不能满足本网络的要求，因此，本网络采用竞争式MAC协议。竞争式MAC协议分为随机访问的Aloha协议和基于握手的MAC协议[8]。Aloha协议分为有两种，一种是纯Aloha(P-Aloha)，另一种是时隙Aloha(S-Aloha)[9]。时隙Aloha需要各节点时间同步，由于小型海洋监测网络各节点没有统一的时间基准，因此，时隙Aloha协议不适合于本网络。基于握手的MAC协议基于握手的MAC协议通过RTS/CTS握手来预约信道，减少数据冲突，提供可靠传输。文献[10]设计一种适用于水声网络的竞争式MAC协议，命名为UW-CSMA/CA协议，采用坚持等待的策略，减少退避次数，从而提高网络的吞吐量。

本文针对小型海洋监测网中数据包长度的不同，提出了一种基于Aloha和UW-CSMA/CA的混合MAC协议。该协议中，短数据包采用RTS+DATA的Aloha协议发送，长数据包采用改进的UW-CSMA/CA协议发送，并且为这两种协议设计统一的退避算法和静默算法。

1原始协议概述

1.1Aloha协议

在Aloha协议中，源节点S需要发送数据时，立刻发送数据并等待确认帧ACK，如果目的节点D正确接收到数据包，回复ACK。只有在源节点S收到ACK后，才会继续发送下一包数据，否则需随机退避一段时间再重新发送刚才未发送成功的数据包。由于发送时间的任意性，数据帧的碰撞几率较大，Aloha协议没有解决数据包冲突的机制。P-Aloha协议的时序图如图1所示。

图1　Aloha协议的时序图

Aloha协议在负载轻时有较好的性能，但在负载加重时会产生大量的数据包冲突，这不仅会导致吞吐量的下降，而且会造成能量的浪费。

1.2UW-CSMA/CA协议

UW-CSMA/CA协议采用RTS-CTS-DATA-ACK四次握手机制。当源节点S需要发送数据包时，先进行载波侦听，当信道空闲时源节点S发送RTS控制包预约信道。目的节点D接收到RTS后，立即回复CTS控制包。源节点S接收到CTS后，立即发送数据包DATA。目的节点D接收到数据包DATA后，立即发送控制包ACK并结束本次握手通信。源节点S接收到控制包ACK后结束本次握手通信。如果源节点S未接收到相应的CTS或ACK并超时，源节点退避并重发。其他邻居节点监听到不是给自己的数据包后，进入静默状态，保证当前正在进行的通信不被干扰。UW-CSMA/CA协议的时序图如图2所示。

图2　UW-CSMA/CA协议的时序图

UW-CSMA/CA协议通过RTS、CTS预约信道改善“隐藏终端”和“暴露终端”的问题，有效地降低数据包冲突率，提供较稳定的吞吐量。但是，由于UW-CSMA/CA协议引入了控制包，控制包的交换浪费了一部分信道资源，导致协议的最大吞吐量降低。

2MAC协议设计与优化

2.1概述

在小型海洋监测网中，主要有两种传感器节点，产生大数据量的ADCP传感器节点和产生小数据量的TD、CTD传感器节点。因此，在网络中既有长的数据包也有短的数据包。如果采用Aloha协议发送长数据包，网络负载较大，长数据包发生冲突的概率较大，如果采用UW-CSMA/CA协议发送短数据包，四次握手机制加大协议开销，降低网络效率。因此，根据小型海洋监测网的具体应用要求，提出混合MAC协议，为了减少协议开销，短数据包采用RTS+DATA的Aloha协议发送，为了避免长数据包碰撞、重发能耗大，长数据包采用改进的UW-CSMA/CA协议发送，同时，为这两种协议设计统一的二进制指数退避算法和优化的静默算法。

短数据包采用RTS+DATA的Aloha协议，其时序图如图3所示。源节点S需要发送短数据包时先退避，退避结束后发送由RTS+和短数据包组成的帧，目的节点收到后，先解析出控制帧，如果为RTS+，则为短的数据包接收，需要继续接收数据，接收完成后回复ACK，源节点收到ACK后表示短数据包发送成功。如果源节点S未接收到相应的ACK并超时，源节点采用二进制指数退避算法退避并重发。

图3　发送短数据包的Aloha协议的时序图

为了避免长数据包碰撞，重发能耗大，长数据包采用四次握手机制的改进UW-CSMA/CA方式，其时序图如图4所示。改进UW-CSMA/CA方式的状态转移规则、退避算法、静默算法具体见下节。

图4　发送长数据包的改进UW-CSMA/CA协议的时序图

2.2状态转移流程

在小型海洋监测网中，改进Aloha协议和UW-CSMA/CA协议采用统一的退避和静默算法，设节点X为网络中任一节点，混合MAC协议发送数据时的状态转移流程图如图5所示，混合MAC协议接收数据时的状态转移流程图如图6所示。

图5　混合MAC协议发送数据时的状态转移流程图

图6　混合MAC协议接收数据时的状态转移流程图

2.3退避算法

退避时间使用二进制指数退避算法。数据包第一次发送时，退避次数n设置为0，退避窗口大小：

CW(0)=CWmin

如果退避次数n增加，则按如下规则来调整：

(1)

退避时间TBackOff的计算公式如下：

TBackOff=2τ×uniform{0,CW}

(2)

其中，min(a,b)表示取a和b中的小者；uniform{a,b}表示a到b之间的服从均匀分布的随机数；τ为传播延迟，默认情况下取最大传播延迟4 s。CWmin设置为2，CWmax设置为32，最大退避次数设置为4。

在退避期间再次发生退避，则取结束时间晚者作为退避的结束时刻。如果退避次数超过最大值，则放弃发送，退避次数清零。

在退避期间如果收到发给自己的RTS或RTS+控制包，则结束退避，进入数据接收流程。在退避期间如果收到其他节点发送的xRTS、xRTS+、xCTS或xDATA，则进入静默状态。

2.4静默算法

如果接收到RTS，静默时间设置为QUIET_RTS；如果接收到的RTS+，静默时间设置为QUIET_RTS+；如果接收到CTS，静默时间设置为QUIET_CTS。

QUIET_RTS=4τ+Tdata

(3)

QUIET_RTS+=2τ+Tdata

(4)

QUIET_CTS=3τ+Tdata

(5)

其中，τ为传播延迟，Tdata为数据包的总长度。

在静默期间，如果收到发给其他节点的xRTS、xRTS+或xCTS，则取静默结束时间晚者作为静默的结束时刻并记录源地址ID；如果收到配对的xACK，即ACK的源地址ID等于CTS的源地址ID或ACK的目的地址ID等于RTS的源地址ID，则立即结束静默。

3性能仿真与分析

3.1仿真模型

本文利用NS2平台进行仿真分析，采用集中式单跳网络拓扑结构，如图7所示，中心节点(圆形节点)位于(2000 m，2000 m)的中心位置上，50个普通节点(正方形节点)随机分布在4000 m×4000 m区域内，节点最大通信距离为6000 m，即每个节点在一跳范围内可以收到其他所有节点发送的数据包。

图7　集中式单跳网络拓扑结构

50个普通节点均按泊松分布以相同的速率产生相同数量长度为32Bytes和256 Bytes的数据包，并以一跳的方式发给中心节点。在原始Aloha协议仿真中，两种长度的数据包均采用原始Aloha协议发送。在原始UW-CSMA/CA协议仿真中，两种长度的数据包均采用原始UW-CSMA/CA协议发送。然而，在混合MAC协议仿真中，长度为32Bytes的数据包采用改进的Aloha协议发送，长度为256Bytes的数据包采用改进的UW-CSMA/CA协议发送。声速取1500m/s。控制帧RTS、CTS和ACK的长度均取72bits。全网负载、吞吐量、平均延时和协议开销的定义如下所示:

(11)

(12)

(13)

(14)

3.2仿真结果

本节对原始Aloha、原始UW-CSMA/CA及改进的混合MAC协议的吞吐量、平均延时和协议开销进行仿真比较，结果分别如图 8、图9和图10所示。

图8　三种协议的负载-吞吐量

图9　三种协议的负载-平均延时

从图8中可以看出，在负载较低时，原始Aloha协议的吞吐量最大，在达到最大值0.16后，随着负载的增大冲突的概率提高，原始Aloha协议的吞吐量开始下降。由于原始UW-CSMA/CA协议利用RTS-CTS预约信道避免数据包的冲突，随着负载的增大，UW-CSMA/CA的吞吐量保持最大值0.06不变。改进的混合MAC协议对短的数据包采用RTS+DATA的Aloha协议发送，长数据包采用改进的UW-CSMA/CA方式发送，这样，混合MAC协议既在负载较低时有较高的吞吐量，又在负载增大时保持较高的吞吐量0.14不变。因此，改进后混合MAC协议即比原始Aloha协议具有更稳定的吞吐量，又比原始UW-CSMA/CA协议的吞吐量提高1.3倍。

从图9中可以看出，改进的混合MAC协议的平均延时略大于原始Aloha协议的平均延时，但比原始UW-CSMA/CA协议的平均延时降低3/4。原始Aloha协议采用随机接入方式，只有在数据包需要发送时就马上发送数据包，因此，在负载较低时，数据包的冲突率低，平均延时也比较低。随着负载增大，数据包的冲突率增加，平均延时也随之增大。由于原始UW-CSMA/CA协议采用四次握手机制，控制信息的交互增大数据包延时，因此，原始UW-CSMA/CA协议具有较高的平均延时。改进的混合MAC协议对短数据包采用退避后直接发送方式，对长数据包采用退避后控制包预约信道方式，因此，混合MAC协议的平均延时低于原始UW-CSMA/CA协议，高于原始Aloha协议。

图10　三种协议的负载-协议开销

从图10中可以看出，原始Aloha的协议开销约为1，原始UW-CSMA/CA的协议开销约为15，改进混合MAC协议的协议开销在负载较低时逐渐增加，在负载达到0.35后，协议开销保持在8左右，介于原始两种协议之间。

从仿真可以看出，混合MAC协议既能在负载增大时保持较高的吞吐量不变，解决了原始Aloha协议在负载增大时吞吐量下降的问题，又能减小原始UW-CSMA/CA协议由于RTS-CTS预约信道产生的平均延时和协议开销。

4结语

本文针对小型海洋监测网中数据包长度的不同，提出了一种基于Aloha和UW-CSMA/CA的混合MAC协议。该协议中，为了减少协议开销，短数据包采用RTS+DATA的Aloha协议发送，为了避免长数据包碰撞、重发能耗大，长数据包采用四次握手机制的改进UW-CSMA/CA协议发送，并为这两种协议设计统一的退避算法和静默算法。仿真结果表明，混合MAC协议既能在负载增大时保持较高的吞吐量不变，解决了原始Aloha协议在负载增大时吞吐量下降的问题，又能减小原始UW-CSMA/CA协议由于RTS-CTS预约信道产生的平均延时和协议开销。因此，与原始Aloha协议相比，改进后的混合MAC协议具有较稳定的吞吐量；与原始UW-CSMA/CA协议相比，改进后的混合MAC协议具有较高的吞吐量、较低的平均延时和较低的协议开销。

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MAC Protocol Optimization for Mini Underwater Monitoring Networks

LIU Lei，DUAN Jun-qi，WENG Li-na，LIU Yi-ming

(China Academy of Electronic and Information Technology, Beijing 100041, China)

Abstract:According to the length of the monitor data, a hybrid MAC protocol is proposed which can be adapted to mini underwater monitoring network. In the hybrid MAC protocol, short data is sent by the Aloha protocol with RTS+DATA in order to reduce protocol overhead. And long data is sent by the Optimized UW-CSMA/CA protocol in order to avoid collisions and energy consumption caused by retransmission. Moreover, the two protocols used the same binary exponential back-off algorithm and quiet algorithm. The simulation results show that the hybrid MAC protocol has more stable throughput than the original Aloha protocol. And the hybrid MAC protocol has higher throughput, lower average delay and lower protocol overhead than the original UW-CSMA/CA protocol.

Key words:mini underwater monitoring network; Aloha protocol; UW-CSMA/CA protocol; hybrid MAC protocol

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.03.017

收稿日期：2016-05-06

修订日期：2016-06-01

基金项目：高动态方向性多跳自组网传输调度理论研究与实现(61501415)

作者简介

刘磊(1987—)，女，河北人，博士，主要研究方向为水下无线传感器网络、无线通信网络；

E-mail：liulei_ioa@163.com

段俊奇(1987—)，男，湖南人，博士，主要研究方向为无线通信网络；

翁丽娜(1984—)，女，河北人，博士，主要研究方向为无线通信网络;

刘轶铭(1988—)，男，北京人，博士，主要研究方向为无线通信网络。