張 曦 ，閆 濤 ，王紅衛(wèi) ，鐘永信

（1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院 西安 710038；2.空軍第一航空學(xué)院 信陽(yáng) 464000；3.94850部隊(duì) 衢州 324000）

1 引言

隨著海洋開發(fā)和海洋安全技術(shù)等的快速發(fā)展，水聲通信網(wǎng)絡(luò)在海洋數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)難預(yù)警與軍事安全等多方面獲得應(yīng)用，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注[1～3]。然而水聲信道具有復(fù)雜多變、傳輸時(shí)延長(zhǎng)、可用帶寬窄、多徑和多普勒效應(yīng)嚴(yán)重等需要克服的難點(diǎn)，同樣也是水聲通信網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC協(xié)議通常分為基于競(jìng)爭(zhēng)和基于分配兩類?；诟?jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)采用競(jìng)爭(zhēng)的方式獲取信道，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生信息沖突，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能量的浪費(fèi)，其主要包括ALOHA、CSMA、MACA協(xié)議及其改進(jìn)；基于分配的MAC協(xié)議通過對(duì)信道資源進(jìn)行提前分配，可有效地避免數(shù)據(jù)沖突，其主要包括FDMA、CDMA和TDMA協(xié)議。由于水聲信道的可用帶寬非常有限，F(xiàn)DMA采用頻帶分割的方法并不適用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用；CDMA則因擴(kuò)頻碼字的使用，一方面降低了數(shù)據(jù)信息的傳輸效率，另一方面出現(xiàn)了難以克服的遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。Chirdchoo N等人提出的Aloha-AN協(xié)議[4]能夠減少數(shù)據(jù)沖突，提高吞吐量。參考文獻(xiàn)[5]提出了基于MACA的多跳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，但該方法應(yīng)用范圍非常有限。參考文獻(xiàn)[6]的方法是采用每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇時(shí)機(jī)發(fā)送同步信息，該協(xié)議利用小占空比減少數(shù)據(jù)沖突，僅適用于低數(shù)據(jù)率的情況應(yīng)用。Molins和Stojanovic提出的Slotted FAMA[7]協(xié)議采用時(shí)隙分配和握手機(jī)制減少?zèng)_突的發(fā)生，但時(shí)隙的增加會(huì)導(dǎo)致吞吐量的降低。參考文獻(xiàn)[8]利用握手機(jī)制和CDMA技術(shù)減少數(shù)據(jù)沖突，但該方法在水聲信道有限的帶寬條件下會(huì)影響數(shù)據(jù)的吞吐量。

TDMA對(duì)系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行時(shí)隙劃分，通過調(diào)度節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)隙內(nèi)收發(fā)數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)碰撞且具有節(jié)能特性。然而傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議通常要求節(jié)點(diǎn)在每個(gè)周期內(nèi)只發(fā)送一次數(shù)據(jù)，在長(zhǎng)傳輸時(shí)延的水聲網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，將導(dǎo)致極低的信道利用率。為了解決該問題，本文提出了交叉?zhèn)鬏數(shù)腡DMA（interleaving TDMA，I-TDMA）協(xié)議，該協(xié)議首先針對(duì)三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用水聲信道長(zhǎng)傳輸時(shí)延的特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)分組交叉?zhèn)鬏數(shù)姆椒ǎ岣吡诵诺蕾Y源利用率；同時(shí)引入了拓?fù)鋽U(kuò)展和循環(huán)同步機(jī)制，可適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多的環(huán)型或矩型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性；最后通過仿真驗(yàn)證了I-TDMA協(xié)議的有效性。

2 傳統(tǒng)TDMA協(xié)議

傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議為時(shí)域劃分的多址接入方式，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)被分配不同的時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及時(shí)隙長(zhǎng)度決定了TDMA協(xié)議的周期T。當(dāng)屬于某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙來臨時(shí)，該節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，同時(shí)為了避免數(shù)據(jù)沖突，TDMA協(xié)議通常要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)僅發(fā)送一次數(shù)據(jù)信息。

傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)由 A、B、C 3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，并且彼此之間的距離相等。按TDMA協(xié)議的方法給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)發(fā)送時(shí)隙，在水聲通信網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)隙長(zhǎng)度Ts應(yīng)包含數(shù)據(jù)分組的發(fā)送時(shí)間tdata和節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)延τ?，F(xiàn)在，節(jié)點(diǎn)A、B和C在各自分配的時(shí)隙分別發(fā)送數(shù)據(jù)分組給節(jié)點(diǎn)B、C和A，相應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)信息，而非接收節(jié)點(diǎn)則會(huì)同時(shí)受到數(shù)據(jù)干擾。例如當(dāng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)分組給B時(shí)會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)C產(chǎn)生干擾，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)C并不需要節(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)。根據(jù)傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議，其信道利用率δ1可以表示為:

在長(zhǎng)傳輸時(shí)延的水聲信道環(huán)境中，通常有τ>>tdata，因此導(dǎo)致傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議信道利用率較低。

圖1 傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議結(jié)構(gòu)

3 I-TDMA協(xié)議設(shè)計(jì)

3.1 基本思想

為了克服傳統(tǒng)TDMA協(xié)議信道利用率低的問題，本文提出了I-TDMA協(xié)議。首先通過兩節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)雙向交換引入I-TDMA的基本思想?？紤]節(jié)點(diǎn)A與B正在進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，為了便于說明，假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的數(shù)據(jù)分組發(fā)送時(shí)間tdata，并且知道節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)延τ，然后可以計(jì)算:

其中，[·]表示取整函數(shù)。

兩節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)雙向交換結(jié)構(gòu)如圖2所示，節(jié)點(diǎn)通過周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)分組以改善信道利用率。根據(jù)水聲信道的長(zhǎng)傳輸時(shí)延，在一個(gè)時(shí)間周期里，節(jié)點(diǎn)A和B可發(fā)送一連串的數(shù)據(jù)分組，同時(shí)為了避免數(shù)據(jù)沖突，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)量不能超過k個(gè)，在延時(shí)τ之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)開始接收對(duì)方的數(shù)據(jù)分組序列。由于傳輸時(shí)延τ不一定恰好是數(shù)據(jù)分組發(fā)送時(shí)間tdata的整數(shù)倍，因此在節(jié)點(diǎn)的發(fā)送序列和接收序列之間將存在著Δτ的空余時(shí)間。綜上所述，采用數(shù)據(jù)分組雙向交換的方式，信道利用率可以表示為:

根據(jù)式（2）和式（3）的計(jì)算得知 0≤Δτ＜tdata，當(dāng) Δτ=0時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最高的信道利用率100%，明顯高于傳統(tǒng)TDMA協(xié)議的信道利用率。

圖2 兩節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)雙向交換

3.2 協(xié)議描述

根據(jù)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)雙向交換的思想，考慮如何在水聲通信網(wǎng)絡(luò)情況下高效地收發(fā)數(shù)據(jù)。以三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)為例，觀察圖1發(fā)現(xiàn)，由于水聲信道的長(zhǎng)傳輸時(shí)延，使得在每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙中存在著大量的空閑時(shí)間。I-TDMA協(xié)議充分利用這些空閑時(shí)間交叉?zhèn)鬏敻嗟臄?shù)據(jù)分組，在不引起數(shù)據(jù)碰撞的情況下提高了信道利用率。因?yàn)镮-TDMA以T為周期進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)發(fā)送，下面描述該協(xié)議在一個(gè)周期內(nèi)的執(zhí)行步驟。

（1）與傳統(tǒng)的 TDMA 協(xié)議相同，每個(gè)節(jié)點(diǎn) i(i=1，2，3)首先在自己分配時(shí)隙的開始時(shí)刻發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)分組，并將該時(shí)刻記為ti1。

（2）為了避免與接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送產(chǎn)生沖突，節(jié)點(diǎn)i在自己分配的時(shí)隙內(nèi)采用間隔tdata的方式增加發(fā)送數(shù)據(jù)分組，且在該時(shí)隙內(nèi)最多增加的數(shù)據(jù)分組數(shù)量m由節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)延τ決定，即有:

其中，[·]為取整函數(shù)。進(jìn)而可以得到節(jié)點(diǎn)i發(fā)送第j個(gè)數(shù)據(jù)分組的開始時(shí)刻為:

其中，1≤j≤m+1。

（3）節(jié)點(diǎn)在步驟（1）和步驟（2）中已經(jīng)發(fā)送了 m+1 個(gè)數(shù)據(jù)分組，I-TDMA協(xié)議的目標(biāo)是讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送k+1（k按式（2）計(jì)算得到）個(gè)數(shù)據(jù)分組，剩余的k-m個(gè)數(shù)據(jù)分組通過相應(yīng)接收節(jié)點(diǎn)的分配時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送，同時(shí)要避開接收節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間，因此節(jié)點(diǎn)i發(fā)送剩余k-m個(gè)數(shù)據(jù)分組的開始時(shí)刻為:

其中，m+2≤j≤k+1。

下面以圖3為例說明I-TDMA協(xié)議的執(zhí)行過程。此時(shí)設(shè)數(shù)據(jù)分組的發(fā)送時(shí)間為tdata，節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)延τ=3.5tdata，通過式（2）、式（3）和式（5）的計(jì)算可以得到 k=3、Δτ=0.5tdata和m=1。根據(jù)I-TDMA協(xié)議的執(zhí)行步驟，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在其分配時(shí)隙內(nèi)，采用間隔tdata的方式共能發(fā)送m+1=2個(gè)數(shù)據(jù)分組，如節(jié)點(diǎn)A在第一個(gè)時(shí)隙發(fā)送了數(shù)據(jù)分組A1和A2，延時(shí)τ后分別在節(jié)點(diǎn)B和C上形成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)干擾時(shí)間。然后剩余的k-m=2個(gè)數(shù)據(jù)分組通過接收節(jié)點(diǎn)的分配時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送，如數(shù)據(jù)分組A3和A4在節(jié)點(diǎn)B的分配時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送。這里注意，數(shù)據(jù)分組A4的發(fā)送時(shí)間在數(shù)據(jù)分組B1的干擾時(shí)間內(nèi)，但由于節(jié)點(diǎn)A不需要B的數(shù)據(jù)，因此并不影響A此時(shí)的數(shù)據(jù)發(fā)送。此外，由于節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間存在著周期對(duì)稱關(guān)系，圖3中將數(shù)據(jù)分組C3和C4的發(fā)送時(shí)間移入第一個(gè)時(shí)隙，以便于更好地說明節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏敹粫?huì)造成信息沖突。

對(duì)比圖1和圖3發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組，而I-TDMA協(xié)議

圖3 I-TDMA協(xié)議示意

如果Δτ=0，I-TDMA協(xié)議的信道利用率將達(dá)到100%。

3.3 拓?fù)鋽U(kuò)展

考慮到實(shí)際的水聲通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，由3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍非常有限，因此在保留I-TDMA協(xié)議工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展。I-TDMA協(xié)議拓?fù)鋽U(kuò)展的基本原則是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能構(gòu)成一個(gè)封閉式的環(huán)路，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有兩個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)要求網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為3的整數(shù)倍，且節(jié)點(diǎn)間的距離相等。

根據(jù)上述的擴(kuò)展原則，圖4和圖5給出了兩個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽U(kuò)展結(jié)構(gòu)，分別為環(huán)型拓?fù)浜途匦屯負(fù)?。以圖4為例，節(jié)點(diǎn) A1，B1，C1，A2，B2，C2，…，An，Bn，Cn組成了一 個(gè)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，共包含3n個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍為其相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，且鄰節(jié)點(diǎn)間均具有相同的距離。為了符合三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中高效數(shù)據(jù)分組收發(fā)的方式，將環(huán)型拓?fù)渲械墓?jié)點(diǎn)劃分為n組，每一組中包含Ai、Bi和 Ci3個(gè)節(jié)點(diǎn)，這3個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配和數(shù)據(jù)分組交叉?zhèn)鬏敺绞椒謩e對(duì)應(yīng)于三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)A、B和C，這樣網(wǎng)絡(luò)中的每一組節(jié)點(diǎn)可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。與三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不同的是，環(huán)型拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)Ai并非接收Ci的數(shù)據(jù)，而是接收節(jié)點(diǎn)Ci-1的數(shù)據(jù) （節(jié)點(diǎn)A1接收Cn的數(shù)據(jù)除外），但由于所有的Ci節(jié)點(diǎn)均具有相同的數(shù)據(jù)分組發(fā)送時(shí)間，因此并不影響I-TDMA協(xié)議的執(zhí)行，數(shù)據(jù)分組通過在時(shí)間軸上進(jìn)行數(shù)據(jù)分組交叉?zhèn)鬏?，允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送k+1個(gè)數(shù)據(jù)分組，因此極大地改善了信道利用率，其表示為:的交叉?zhèn)鬏攲⒉辉斐尚畔_突。同樣，圖5中的矩型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況類似。

圖4 I-TDMA環(huán)型拓?fù)鋽U(kuò)展

圖5 I-TDMA矩型拓?fù)鋽U(kuò)展

3.4 循環(huán)同步

在基于TDMA的水聲通信網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步顯得尤為重要。然而由于時(shí)鐘漂移等因素的影響，給網(wǎng)絡(luò)同步帶來了一定的困難。I-TDMA協(xié)議控制節(jié)點(diǎn)在指定時(shí)間收發(fā)數(shù)據(jù)，為了避免相鄰的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生沖突，要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)間具有統(tǒng)一性。

根據(jù)I-TDMA協(xié)議拓?fù)鋽U(kuò)展的特點(diǎn)，采用周期性循環(huán)同步的方法完成節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步。首先在網(wǎng)絡(luò)中選擇某個(gè)節(jié)點(diǎn)作為時(shí)間參考節(jié)點(diǎn)，以該節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為基準(zhǔn)用于校正其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘。如圖4中的環(huán)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，不失一般性，選擇節(jié)點(diǎn)A1為參考節(jié)點(diǎn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘穩(wěn)定程度，節(jié)點(diǎn)A1每隔一定的協(xié)議周期T發(fā)送同步信息給其接收節(jié)點(diǎn)B1，當(dāng)B1收到該同步信息，調(diào)整自己的時(shí)鐘與A1一致；然后節(jié)點(diǎn)B1選擇其最近的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻轉(zhuǎn)發(fā)同步信息給節(jié)點(diǎn)C1，如果此時(shí)節(jié)點(diǎn)B1仍然有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則采取同步信息優(yōu)先發(fā)送的原則，暫時(shí)延遲該數(shù)據(jù)分組的發(fā)送。依次類推，節(jié)點(diǎn)C1完成時(shí)鐘校正之后發(fā)送同步信息給其接收節(jié)點(diǎn)A2，直到同步信息到達(dá)最后的節(jié)點(diǎn)Cn。因此，只要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滿足I-TDMA協(xié)議拓?fù)鋽U(kuò)展要求，均可以采用循環(huán)同步方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步。

4 I-TDMA協(xié)議性能仿真

4.1 仿真條件

I-TDMA協(xié)議仿真采用靜態(tài)的環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)N分別選取為3個(gè)、6個(gè)和9個(gè)，數(shù)據(jù)分組采用逆時(shí)針傳輸方式，即前一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。相鄰節(jié)點(diǎn)間距分別設(shè)置為2 km和5 km，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍為其鄰近的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度固定為 1000 bit，同步信息的長(zhǎng)度為100 bit。網(wǎng)絡(luò)每隔一定的協(xié)議周期T進(jìn)行節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步，同步間隔分別為T、5T和10T。節(jié)點(diǎn)收、發(fā)機(jī)的數(shù)據(jù)率采用1000 bit/s，聲信號(hào)在水中的傳播速率為1500 m/s。每個(gè)節(jié)點(diǎn)按泊松分布產(chǎn)生數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組隊(duì)列最大存儲(chǔ)空間為5個(gè)數(shù)據(jù)分組，在隊(duì)列已滿的情況下新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組將被丟棄。

4.2 結(jié)果分析

I-TDMA協(xié)議的仿真過程具體分為3個(gè)部分。首先比較了節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響，以說明I-TDMA協(xié)議拓?fù)鋽U(kuò)展的有效性；其次分析了不同的同步間隔對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和同步開銷的影響；最后對(duì)節(jié)點(diǎn)間距分別為2 km和5 km情況下的I-TDMA協(xié)議和傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議在吞吐量、同步開銷和時(shí)延方面進(jìn)行仿真比較，仿真結(jié)果如圖6～圖11所示。

I-TDMA協(xié)議以3個(gè)節(jié)點(diǎn)為一組對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行擴(kuò)展，圖6給出了節(jié)點(diǎn)間距為2 km、同步間隔為5T情況下，不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽U(kuò)展程度引起吞吐量的變化。從圖中可以看出，吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)負(fù)載的增加而增大，當(dāng)負(fù)載增加到一定程度時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到飽和狀態(tài)且趨于恒定值。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增大，原因是I-TDMA協(xié)議進(jìn)行拓?fù)鋽U(kuò)展后，各組節(jié)點(diǎn)在互不干擾的前提下可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此使得網(wǎng)絡(luò)的吞吐量增大，這也說明了I-TDMA協(xié)議可在三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋽U(kuò)展且具有良好的可擴(kuò)展性。在接下來的仿真中均固定網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量N=9。

圖6 節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響

圖7 同步間隔對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響

圖8 同步間隔對(duì)同步開銷的影響

圖9 I-TDMA和TDMA協(xié)議吞吐量比較

圖10 I-TDMA和TDMA協(xié)議同步開銷比較

圖11 I-TDMA和TDMA協(xié)議時(shí)延比較

圖7和圖8分別給出了節(jié)點(diǎn)間距為2 km的條件下，變化同步間隔對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和同步開銷的影響。網(wǎng)絡(luò)同步間隔越長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信息的時(shí)間越少，則有更多的時(shí)間用于發(fā)送數(shù)據(jù)分組，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量并降低同步開銷。觀察圖8發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信息的比例較大，導(dǎo)致較高的同步開銷；而隨著負(fù)載的增加，發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)量增多，使得同步開銷迅速降低。此外，同步間隔為5T和10T的情況下，I-TDMA協(xié)議均能保持較高的吞吐量和較低的同步開銷，而采用5T的同步間隔使得網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘校正周期更短，節(jié)點(diǎn)同步更加精確，因此設(shè)定同步間隔為5T用于后續(xù)的仿真。

圖9比較了I-TDMA和傳統(tǒng)TDMA協(xié)議的吞吐量。由于I-TDMA協(xié)議利用了水聲信道長(zhǎng)傳輸時(shí)延的特性，采用了數(shù)據(jù)分組交叉?zhèn)鬏數(shù)姆椒?，因此獲得更高的吞吐量，在2 km和5 km節(jié)點(diǎn)間距情況下，最大吞吐量分別提高了約125%和375%。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議時(shí)隙長(zhǎng)度與節(jié)點(diǎn)間距成正比，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)間距的增加而降低；而I-TDMA協(xié)議在5 km條件下的吞吐量要高于2 km的情況，這是因?yàn)椤鳓涌臻e時(shí)間的存在，使得節(jié)點(diǎn)間距為5 km時(shí)I-TDMA協(xié)議的信道利用率更高，從而獲得更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖10為I-TDMA和TDMA協(xié)議的同步開銷比較。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)載較低時(shí)，I-TDMA和TDMA協(xié)議具有相同的同步開銷，隨著負(fù)載的增大，I-TDMA協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)通過在單位時(shí)間內(nèi)交叉?zhèn)鬏敻嗟臄?shù)據(jù)分組，可得到更低的同步開銷。另外在低負(fù)載區(qū)域，節(jié)點(diǎn)間距為2 km的協(xié)議周期要小于5 km的協(xié)議周期，從而導(dǎo)致2 km的同步開銷更高；在高負(fù)載區(qū)域，不同的節(jié)點(diǎn)間距并不影響傳統(tǒng)TDMA協(xié)議的同步開銷，因?yàn)樵谙嗤芷趦?nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)和同步信息數(shù)的比例固定，而5 km條件下I-TDMA協(xié)議具有更高的信道利用率，因此同步開銷低于2 km的情況。

圖11給出了兩個(gè)協(xié)議的時(shí)延比較。在低負(fù)載區(qū)域，時(shí)延主要由數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延所引起；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到飽和，數(shù)據(jù)分組在隊(duì)列中較長(zhǎng)的等待時(shí)間導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組時(shí)延迅速增大。傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議在節(jié)點(diǎn)間距較遠(yuǎn)的情況下，需要更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)間和等待時(shí)間，從而使得時(shí)延隨著節(jié)點(diǎn)間距的增加而增大；I-TDMA協(xié)議盡管在節(jié)點(diǎn)間距為5 km時(shí)傳輸時(shí)延更長(zhǎng)，但較高的信道利用率縮短了數(shù)據(jù)分組在發(fā)送隊(duì)列中的等待時(shí)間，因此在高負(fù)載區(qū)域網(wǎng)絡(luò)時(shí)延略小于2 km的情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議通過調(diào)度節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)隙內(nèi)收發(fā)數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)碰撞且具有節(jié)能特性，然而由于水聲信道的長(zhǎng)傳輸時(shí)延，使得TDMA協(xié)議的信道利用率較低。針對(duì)該問題本文提出了交叉?zhèn)鬏數(shù)腗AC協(xié)議（I-TDMA），它利用水下環(huán)境長(zhǎng)傳輸時(shí)延的特性，采用數(shù)據(jù)分組交叉?zhèn)鬏數(shù)姆椒ǜ纳菩诺览寐?，同時(shí)引入了拓?fù)鋽U(kuò)展和循環(huán)同步機(jī)制，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議相比傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議減少了數(shù)據(jù)分組時(shí)延以及同步開銷，在節(jié)點(diǎn)間距為2 km和5 km的情況下，最大吞吐量分別提高了約125%和375%。

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