摘 要： 水下環境的限制，使得水聲傳感網絡具有一些特別的特點。針對已存在的水聲通信網絡的MAC協議的不足，如信道利用率低、時間槽等待空閑時間、時間同步的頭部等問題，提出了一種新型的基于載波偵聽多路訪問/無碰撞的MAC協議——CSMA/CF（Carrier Sense Multiple Access/Collision Free）。該協議通過對網絡中的所有節點進行排序，從而使網絡中的節點在發送數據幀時具有相同的方向，從而避免沖突。也就是說，按順序的上一個節點發送完數據之后，該節點立即發送數據，而不必等待一個最大的傳輸延遲。仿真結果顯示，該協議在水聲環境中具有較好的網絡性能。
關鍵詞： 水聲傳感網絡；載波偵聽多路訪問協議；MAC協議
0 引言
水下聲傳感器網絡是當代海洋國防安全、海洋資源勘探和開發、海洋環境立體監測和地震海嘯監測系統中的重要技術組成部分。近年來，水下傳感網絡通信取得了很大的進展。
水聲通信是物理層技術。所有的水下通信都是利用水聲，這主要是因為無線電波在導電水體中只能以極低的頻率（30 Hz~300 Hz）進行遠距離傳播，光學信號的傳輸需要窄帶激光束高精度瞄準，所以都不適合在水下應用[1-2]。在大多數的水下傳感網絡中聲波是最合適的水下通信方式。
水下傳感網絡具有傳播延遲長、低比特率、易出錯的特性[3-4]。水聲通信的傳播速度是1 500 m/s，是陸上傳播延遲的5的數量級，這種大傳播延遲（0.7 s/km）可降低系統的通道吞吐量。可用帶寬由傳輸范圍和頻率決定，當前聲通信的性能粗略限制在40 km/（kb/s）。水聲信道由于路徑傳輸損耗大、海洋環境噪聲強、多途徑效應嚴重、多普勒效應嚴重等特點使信道具有易錯性。
本文首先列舉了大量的水下傳感網絡的MAC協議和多址接入技術，然后提出了新型的載波偵聽多路訪問/無碰撞的MAC協議——CSMA/CF，最后進行了仿真實驗。通過與Slotted FAMA、TDMA相比較，得出該協議在吞吐量和傳播延遲方面有很大的提高。
1 相關工作
MAC協議是多用戶共享信道的基礎，是分組在信道上發送和接收的直接控制者，因此MAC協議能否高效、公平地利用有限的信道資源，對網絡性能起著決定性作用。陸上的MAC協議已經得到了很好的研究，然而水下聲傳感網絡的研究由于其水下傳感網絡的特性的限制遇到了很大的困難。水下傳感網絡MAC協議可以粗略地分為競爭類的MAC協議和分配類的MAC協議[5]。在分配類的MAC協議中，FDMA（頻分多址）、CDMA（碼分多址）和TDMA（時分多址）是最常用的協議。
TDMA是在一個無線載波上把時間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙，每個時隙就是一個通信信道，分配給一個用戶[6]。不同的用戶在各自分配到的不同時隙上發生信號。由于TDMA特別簡單，因此經常被應用于水下傳感網絡。然而，TDMA有3個缺點：信道利用率低、時間槽等待空閑時間和時間同步的頭部問題。
為了避免沖突，TDMA在水下聲傳感器網絡中要求每個節點傳輸完成后必須等待很長一段時間（保護時間），直到完成整個網絡信號的傳播。如圖1所示，信道利用率是很低的。這是因為保護間隔的大小與傳播時延和多徑擴展的大小成正比。由于水下聲傳感器網絡的傳播延遲長，因此浪費在時間保護上的時間導致極低的信道利用率。尤其當節點密度增加時，這個問題更加嚴重。低信道利用率限制了水聲網絡的應用和規模。
當一個節點沒有數據要發送，就空閑出來這個時間槽，其他的節點也不能用這個時間槽，這導致信道利用率低，傳播延遲長。在水下傳感網絡的應用中，傳播延遲長是個很嚴重的問題。最后，TDMA還要求時間同步，但是頭部的時間同步在水下傳感網絡中是非常昂貴的。
CDMA是一種無沖突的多址技術，多個站同時發送用不同的擴頻碼。接收器可以過濾掉噪聲和信號的擴頻碼，并接收正確的信號[7]。其缺點是每個用戶必須在整個擴頻碼碼源上連續不斷地掃描以發現相應擴頻碼的發送端發送給自己的數據。在CDMA中，網絡要求每個用戶的接收功率必須是相等的，如果每個站的接收功率不完全相同，遠端節點的微弱信號將被近處節點的較強信號所干擾，這就是所謂的遠近效應問題[8]。因此需要引入功率控制算法來盡量減少這一問題帶來的系統性能的惡化。
Slotted FAMA是水下聲傳感器網絡的基于競爭的協議的代表[9]。Slotted FAMA是在FAMA的基礎上提出來的，時隙FAMA主要基于信道偵聽，節點終端總是在對信道進行偵聽，當終端沒有數據包需要傳輸或者不能對信道進行載波偵聽時就處于空閑狀態。當一個節點需要發送數據包并且沒有偵聽到任何載波時，它將發送一個RTS數據包，然后在兩個時隙內等待CTS包，如果在此等待期間沒收到CTS，該節點會認為沖突，然后轉為退避狀態等待幾個時隙，等待的時間隨機決定，如果在退避周期內沒有聽到載波，終端會再次發送RTS包，并直到成功接收CTS之后才在下一個時隙傳遞DATA數據包，如圖2所示。時隙FAMA也存在3個缺點：（1）水下聲傳感器網絡在源節點和目的節點進行控制包交換具有很大的傳播延遲；（2）與TDMA類似，時隙FAMA需要較長的時間槽等待空閑時間；（3）時間同步成本較大并且很難實現。
2 CSMA/CF
如上面提到的，對于UWA當前MAC協議有幾個缺點。非常長的端到端時延嚴重影響了UWA網絡的性能。TDMA避免碰撞的保護時間使等待下一次發送有較大的傳播延遲問題。Slotted FAMA使得傳播延遲問題更為嚴重。此外，長的傳輸延遲使得難以實現在TDMA和Slotted FAMA協議中的同步機制。在CDMA中使用的解決遠近問題的快速功率控制是難以在高延遲的環境中實現的。下面將設計一個方案來解決這些問題。
當信號混合在一起時，接收機無法解調數據包沖突發生。考慮到發送的分組的時間，傳輸的時間可以分為以下兩種情況。
情況A，另一個載波到達之前（如圖3所示）節點發送數據幀，兩個相反的數據幀將會發生碰撞。
情況B是載波通過之后節點發送數據幀（如圖4所示），兩個具有相同方向的數據幀不會發生碰撞。
然而TDMA和Slotted FAMA并沒有考慮多載波沒有碰撞的共享信道。TDMA和Slotted FAMA需要等待載體傳播到整個網絡傳輸才能傳輸數據。按照情況B，具有相同方向的數據幀不會發生碰撞，對網絡中的所有節點進行排序，所有節點按照一個固定的順序進行傳輸，這樣節點就會具有相同方向的載波從而不會發生碰撞。
2.1 傳輸順序
對網絡中的節點進行排序，靜態的網絡拓撲中節點的位置可知，可以自己構造最短路徑的順序。在動態網絡中，節點位置不可知，構造最短路徑有一定的困難。
網絡節點的位置信息通過水聲節點定位技術實現，該技術目前已被廣泛研究，可以采用多邊定位算法、DV-Hop方法、密度感知的跳數定位、基于區域的定位等[10]。
獲得每個節點的相對位置之后，在動態網絡中要建立一個節點傳輸順序列表，找出一個最短路徑能夠減少傳播延遲并具有較高的傳輸效率。
找到一個最短路徑是一個遍歷旅行商問題[11]。有很多算法可以解決該類問題，例如貪心算法、遺傳算法、蟻群算法。圖5是利用遺傳算法求得的最短路徑。
2.2 數據包傳輸
首先，建立好傳輸的循環順序。各站遵循這一順序以一個循環的方式進行傳輸。當一個站要發送一個數據幀時，它必須等待輪到它。每個站上一個站的數據幀傳輸之后立即傳輸數據，而不是等待一段最大傳播延遲或保護時間。當完成傳輸時，節點立即返回到監聽信道狀態。如圖6所示，節點A、B、C、D、E 5個節點建立好傳輸順序，依次進行數據傳輸。
當接收節點正確接收數據幀以后，不是立即發送確認幀ACK，而是等到下次循環輪到自己的傳輸時間將ACK和數據幀一起傳輸。當發送者完成了一輪之后沒有收到ACK，它會觸發幀的重傳。
在CSMA/CF中是通過正確的數據幀觸發的。如果一個節點在緩沖區中沒有數據包需要發送，循環傳輸即將停止。因此為每個節點配置空閑超時計數器，首次數據傳輸，每個節點的計時器記錄上一節點到達該節點的時間作為空閑超時的初始值。傳輸順序為最后的節點的計時器記錄上一節點的數據幀到達該節點的時間，并將該時間廣播給所有節點，該時間作為空閑超時計數器的最大值。以后的傳輸如果節點在該閾值內收到節點發來的數據幀，每個站點仍然發送自己的數據幀。
3 仿真
為了評估CSMA/CF的性能，選取MATLAB作為仿真工具進行仿真，并與先前提到的在UWA網絡已應用的MAC協議（即TDMA和Slotted FAMA）相比較。
模擬環境是2 km×2 km，每個節點被隨機分布在模擬環境。為了評估的公平性，盡可能地縮小協議之間的差異。設定網絡中任意兩個節點間最大距離不超過100 m，那么任意兩點間的傳播時延可以認為在5 ms~70 ms之間，一般取傳播時延為0.67 ms/m（水中聲音的傳播速率1500 m/s）。網絡帶寬大小是10 kb/s，數據包大小為 4 000 bit，ACK數據包大小100 bit，Slotted FAMA的RTS/CTS數據包大小為100 bit，Slotted FAMA的沖突窗口大小為7。
3.1 端到端延遲
在該仿真中，測量了平均的端至端延遲。端至端延遲是指自一個數據包到達發送器的緩沖器中，直到成功地由一個接收機接收的持續時間。如圖7所示，CSMA/CF具有最低的端到端延遲，其次是TDMA、Slotted FAMA。
3.2 網絡吞吐量
在該仿真中，對網絡的最大吞吐量進行了調查。如圖8所示，CSMA/CF協議整體的吞吐量比TDMA和Slotted FAMA高出很多，主要是因為節點按序進行數據傳輸，消除了部分控制信息的傳輸，降低了端至端的傳播延遲。
4 結論
本文提出了一個新的水下傳感網絡的MAC協議并進行了仿真實驗，CSMA/CF通過對網絡中的所有節點進行排序，使網絡中的節點發送數據幀時具有相同的方向，從而避免沖突。此外，CSMA/CF減少傳播時延，從等待整個網絡的傳播時延減少到只等待鄰節點的傳播時延。不同于TDMA，CSMA/CF可避免等待保護時間和空閑時隙并且不需要時間同步。仿真結果表明，CSMA/CF在吞吐量、時延和公平性方面比TDMA和Slotted FAMA有很大的提高。在未來的工作中，將進一步研究CSMA/CF協議在大規模的多跳式拓撲結構中的應用。
參考文獻
[1] Yang Xiao.水下聲傳感器網絡[M].顏冰，劉忠，羅亞松，等譯.北京：國防工業出版社，2012.
[2] FAIR N， CHAVE A D， FREITAG L， et al. Optical modem technology for seafloor observatories[C]. Proceedings of IEEE OCEANS′05 Confernce， 2006：18-21.
[3] CATIPOVIC J A. Performance limitations in underwater acoustic telemetry[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering， 1990，15（3）：205-216.
[4] PARTAN J， KUROSE J， LEVINE B N. A survey of practical issues in underwater networks[C]. Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Underwater Networks， 2006：17-24.
[5] KILFOYLE D B， BAGGEROER A B. The state of the art in underwater acoustic telemetry[J]. IEEE Jourand of Oceanic Engineering， 2000，25（1）：4-27.
[6] CAR G A， ADAMS A E. ACMENet： an underwater acoustic sensor network for real-time environmental monitoring in coastal areas[J]. IEEE Proceedings of Radar， Sonar， and Navigation 2006，153（4）：365-380.
[7] STOJANOVIC M， FREITAG L. Multichannel detection for wideband underwater acoustic CDMA communications[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering， 2006，31（3）： 686-695.
[8] RAPPAPORT T S. Wireless communications： principles and practice[M]. New Jersey： Prentice Hall， 1996.
[9] MOLINS M， STOJANOVIC M. Slotted FAMA： a MAC protocol for underwater acoustic networks[C]. Proceedings of IEEE OCEANS′06 Conference， 2006：16-19.
[10] 呂長艷，劉廣鐘.基于浮標的3D水聲傳感器網絡節點的定位[J].微型機與應用，2013，32（22）：48-50.
[11] APPLEGATE D L， BIXBY R E， CHVATAL V， et al. The traveling salesman problem： a computational study[M]. Princeton University Press， 2007.