陳 浩，劉廣鐘

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

地球表面大約70%被海水覆蓋，而且現(xiàn)在大部分海洋仍然沒有被開發(fā)。探索水下環(huán)境、開發(fā)海洋資源大大推動(dòng)了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想能夠應(yīng)用到海洋地理數(shù)據(jù)收集、海洋環(huán)境監(jiān)測、海底探索、輔助導(dǎo)航和戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視等方面，可以為水下的各個(gè)應(yīng)用帶來技術(shù)支持與幫助[1-4]。隨著陸上資源的逐漸枯竭和海洋資源的有待開發(fā)，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為各個(gè)國家研究的重點(diǎn)項(xiàng)目[5]。

水聲通信是物理層技術(shù)的典型應(yīng)用，幾乎大部分的水下通信都采用聲波方式。由于海水的衰減，無線電波不能夠適應(yīng)在水下傳感網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)在海水環(huán)境中，由于光通信受到海水散射和吸收的影響，所以無線電和光通信僅用于短距離的水下通信。在大多數(shù)實(shí)際的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中，水聲通信是唯一可行的技術(shù)[6]。水聲信道具有長傳播延遲、低比特率和容易出錯(cuò)等特點(diǎn)[7]。水聲信號在水中的傳播速度約為1 500 m/s，在水下傳播延遲比地面無線電頻率高五個(gè)數(shù)量級。可用帶寬由傳輸范圍和頻率決定。當(dāng)前水聲環(huán)境復(fù)雜，限制了通信性能，由于路徑損耗、多路徑、多普勒效應(yīng)的影響,水聲信道很容易出錯(cuò)[8-9]。

適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議是一個(gè)不同于陸上無線網(wǎng)絡(luò)的新領(lǐng)域。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，以及陸上協(xié)議物理層的限制，陸上無線網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不能適應(yīng)到水聲網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議主要分為兩類：一類是競爭的MAC協(xié)議，節(jié)點(diǎn)采用競爭的方式去獲得信道的使用，才能避免沖突，主要的協(xié)議有CSMA、S-MAC、ALOHA等；另一類是基于調(diào)度的MAC協(xié)議，通過控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方式，避免數(shù)據(jù)沖突，主要的協(xié)議有CDMA、FDMA、TDMA等。文獻(xiàn)[3]提出了基于調(diào)度劃分時(shí)隙的MAC協(xié)議-S-FAMA(Slotted Floor Acquisition Multiple Access)，把時(shí)間劃分為時(shí)隙，所有的報(bào)文進(jìn)行傳送的時(shí)間在每個(gè)時(shí)隙的開始，時(shí)隙的長度大小必須能夠避免發(fā)生報(bào)文沖突。同時(shí)S-FAMA必須保證節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前，要先獲得信道使用權(quán)，才能去實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組無沖突傳輸。

雖然S-FAMA協(xié)議避免了數(shù)據(jù)分組的碰撞，但是由于水聲信道具有長傳播延遲特性，該握手機(jī)制將導(dǎo)致較低的系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[5]提出一種具有節(jié)能的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過提出CA-ACK自適應(yīng)機(jī)制，根據(jù)信道環(huán)境情況，如果信道環(huán)境良好，自動(dòng)選擇No-ACK機(jī)制，否則選擇Imm-ACK機(jī)制。主要是通過減少ACK確認(rèn)幀的數(shù)量，減少了能量消耗，但是信道利用率不是很高。文獻(xiàn)[10]提出了一種新的協(xié)議，通過考慮節(jié)點(diǎn)間的傳播時(shí)延，動(dòng)態(tài)決定網(wǎng)絡(luò)的凈產(chǎn)值，以避免不必要的長時(shí)延。然而，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須具有高效的計(jì)算資源。另外，這些協(xié)議假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出自己和鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離和傳播時(shí)延，但這也是非常不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的移動(dòng)性非常強(qiáng)。

1 CSMA協(xié)議

CSMA協(xié)議的基本思想：每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先要監(jiān)聽信道是否空閑，如果信道空閑就立即發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)聽的策略不同，可以分為二種：非持續(xù)CSMA和持續(xù)CSMA。當(dāng)非持續(xù)CSMA監(jiān)聽到信道忙時(shí)，就不再監(jiān)聽信道的狀態(tài)，延遲一段時(shí)間再監(jiān)聽信道狀態(tài)；而當(dāng)持續(xù)CSMA監(jiān)聽到信道忙時(shí)，仍然繼續(xù)監(jiān)聽信道狀態(tài)，一直等到信道狀態(tài)空閑開始發(fā)送數(shù)據(jù)。非持續(xù)CSMA會(huì)減少發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致沖突的概率，但會(huì)使得數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的平均時(shí)延增加。非持續(xù)性CSMA在包傳輸前通過在發(fā)送方檢測信道狀態(tài)來避免沖突，僅當(dāng)信道空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)才會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)包，當(dāng)信道被占用時(shí)，節(jié)點(diǎn)便會(huì)隨機(jī)回退一段時(shí)間，然后再次檢測信道。當(dāng)相對傳播時(shí)延微不足道時(shí)，CSMA協(xié)議可以有效減少包沖突，因?yàn)楫?dāng)接收方接收到包時(shí)，在發(fā)送方檢測的載波偵聽可以很好地反應(yīng)接收方的信道狀態(tài)。然而，當(dāng)水聲網(wǎng)絡(luò)的相對傳播時(shí)延大幅增加時(shí)，載波偵聽不再監(jiān)聽接收方的未來狀態(tài)，因而便失去了避免沖突的效力，盡管它一直具有擁塞避免的功能[11]。

CSMA協(xié)議在節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加比較多后，發(fā)生沖突的概率會(huì)增大。由于在水下環(huán)境，傳輸有一定的距離，數(shù)據(jù)在有限的速率傳輸，所以當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)要經(jīng)過一段傳播時(shí)間才能夠監(jiān)聽到載波。也就是說，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)監(jiān)聽到信道空閑的狀態(tài)，信道可能不是真正的空閑狀態(tài)，如果這時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)一定會(huì)發(fā)生沖突。如圖1所示，節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B相距1 km，若節(jié)點(diǎn)A在節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前發(fā)送數(shù)據(jù)，一定會(huì)發(fā)生沖突。如果節(jié)點(diǎn)的數(shù)量比較多時(shí)，當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到信道狀態(tài)為空閑時(shí)，同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，沖突是沒法避免的。

圖1 傳播延遲對載波監(jiān)聽的影響

2 NC-CSMA協(xié)議

當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對增加時(shí)，CSMA協(xié)議有更低的吞吐率，平均時(shí)延也會(huì)增加，因此結(jié)合雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制和CSMA的特點(diǎn)，提出了一種高吞吐率和無包沖突的協(xié)議。該協(xié)議并不是全新的協(xié)議，而是一種應(yīng)用到水下傳感網(wǎng)絡(luò)的無碰撞MAC協(xié)議，也就是基于載波偵聽多路訪問協(xié)議(CSMA協(xié)議)的改進(jìn)，提出了No Conflict CSMA協(xié)議(NC-CSMA協(xié)議)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀都按照一個(gè)固定的順序。更具體的說，在最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有序地立即傳輸數(shù)據(jù)，而不是在等待最大傳播延遲時(shí)間。要做到這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要不斷檢測所有收到的數(shù)據(jù)幀。

2.1 網(wǎng)絡(luò)部署

在網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)被選作主網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，一個(gè)節(jié)點(diǎn)被選為從網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在初始階段，其他節(jié)點(diǎn)廣播信號。主網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和從網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器管理著傳輸數(shù)據(jù)的序列以及網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)，也能夠測量出信號的強(qiáng)度和到達(dá)的時(shí)間，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置可以通過計(jì)算得到。通過計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器得到傳輸數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的有序順序表(關(guān)于有序順序的建立公式見2.4節(jié))。其中主網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器得到的是正序的有序節(jié)點(diǎn)信息，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器得到的是逆序的有序節(jié)點(diǎn)信息，分別廣播一個(gè)包含正序和逆序的有序序列表的信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得有序序列表后，節(jié)點(diǎn)就根據(jù)協(xié)議以循環(huán)的方式傳輸數(shù)據(jù)，其中兩種循環(huán)列表實(shí)現(xiàn)了雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度，增加了信道空間利用率。

2.2 協(xié)議定義

基于CSMA協(xié)議的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間是同步的，并且主網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)有足夠的能量。首先當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競爭一個(gè)信道時(shí)，采用CSMA協(xié)議機(jī)制；逆序順序的時(shí)間定義為在數(shù)據(jù)幀長度的接受時(shí)間之后，以上是避免數(shù)據(jù)幀沖突的基礎(chǔ)。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)正序和逆序雙傳輸順序廣播到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)按照正序循環(huán)和逆序循環(huán)的方式遵循這一順序傳送數(shù)據(jù)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)先是按照正序循環(huán)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在一定的時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)會(huì)按照逆序循環(huán)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)想要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，它必須等待正序循環(huán)或者逆序循環(huán)順序序列之一輪轉(zhuǎn)到它，才可以去傳輸數(shù)據(jù)幀。下一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到前一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，觸發(fā)發(fā)送機(jī)制，立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是等待最大的傳播時(shí)延或者保護(hù)時(shí)間。要做到這一點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要不斷地檢測數(shù)據(jù)幀，并將其區(qū)分開來接收幀。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測到來自前一節(jié)點(diǎn)傳輸載波的終止信息，它會(huì)在一個(gè)硬件的傳輸和接收的過渡時(shí)間后，立即開始傳輸數(shù)據(jù)幀。當(dāng)完成傳輸，節(jié)點(diǎn)返回檢測狀態(tài)。由于采用雙輪調(diào)機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不是去檢測信道的忙碌狀態(tài)，而是接到上一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀后，開始傳輸數(shù)據(jù)幀，有效地避免CSMA協(xié)議傳播延遲對載波監(jiān)聽的影響。如果上一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)幀，采用超時(shí)計(jì)數(shù)器，達(dá)到一定時(shí)間，節(jié)點(diǎn)仍然會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)開始傳輸。協(xié)議的流程圖如圖2所示。

圖2 NC-CSMA協(xié)議流程

NC-CSMA協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸示例如圖3所示。淺灰色的數(shù)據(jù)表示發(fā)送方，黑色的數(shù)據(jù)表示接收方，正序順序?yàn)锳BCDE節(jié)點(diǎn)，逆序順序?yàn)镋DCBA節(jié)點(diǎn)。首先，按照正序循環(huán)，節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)幀給節(jié)點(diǎn)C，但要經(jīng)過節(jié)點(diǎn)B，同時(shí)逆序循環(huán)也在進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)E在一定的時(shí)間后(時(shí)間定義為在節(jié)點(diǎn)A按照正序順序開始發(fā)送數(shù)據(jù)長度的發(fā)送時(shí)間與到達(dá)節(jié)點(diǎn)B數(shù)據(jù)的接收時(shí)間之間)，按照逆序循環(huán)方式發(fā)送數(shù)據(jù)幀5給節(jié)點(diǎn)D；當(dāng)正序循環(huán)輪訓(xùn)到節(jié)點(diǎn)B，它接收來自節(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)幀1傳輸后，發(fā)送數(shù)據(jù)幀2，接著節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)；在節(jié)點(diǎn)C采用棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以后進(jìn)先出的方式傳輸數(shù)據(jù)幀，也就是當(dāng)節(jié)點(diǎn)C接收到節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)幀后，又檢測到逆序輪訓(xùn)節(jié)點(diǎn)D發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，節(jié)點(diǎn)C等待接收節(jié)點(diǎn)D的數(shù)據(jù)，而不是去轉(zhuǎn)發(fā)剛接收節(jié)點(diǎn)C的數(shù)據(jù)，此時(shí)輪訓(xùn)會(huì)有一個(gè)等待時(shí)延(時(shí)間定義為小于信道長度/傳輸速率)；當(dāng)C接收完數(shù)據(jù)后，會(huì)先傳輸節(jié)點(diǎn)D的數(shù)據(jù)幀，再傳輸節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)幀。前一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)幀發(fā)送，后一個(gè)節(jié)點(diǎn)采用超時(shí)計(jì)數(shù)器，如果達(dá)到一定時(shí)間，仍然會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)開始傳輸，這是不同于等待檢測信道忙碌狀態(tài)的傳統(tǒng)CSMA。通過圖3的數(shù)據(jù)幀傳輸過程，可以認(rèn)識(shí)到NC-CSMA協(xié)議具有無碰撞的特點(diǎn)，信道的空間利用率高。

圖3 NC-CSMA協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸示例

2.3 有序傳輸

在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校瑐鬏數(shù)捻樞蚝苋菀讟?gòu)建。在一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有序傳輸?shù)捻樞蚩梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器動(dòng)態(tài)創(chuàng)建。創(chuàng)建該有序傳輸?shù)捻樞颍W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以監(jiān)視每個(gè)信號節(jié)點(diǎn)，并檢測網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的相對位置。在獲取各節(jié)點(diǎn)的相對位置d(c,cj)后，其中，c代表主節(jié)點(diǎn)，cj代表靜態(tài)拓?fù)渲械钠溆喙?jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過最鄰近算法，根據(jù)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離，建立一個(gè)正序傳輸順序列表a以及逆序傳輸順序列表b。

旅行推銷員問題(Travelling Salesman Problem,TSP)是為了找到有序節(jié)點(diǎn)之間的最小行程距離[12]，采用最臨近算法。在單跳網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)往往是小于平均12個(gè)。在解決好TSP問題后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器廣播有序的序列，正序傳輸?shù)难h(huán)順序和逆序傳輸?shù)难h(huán)順序到達(dá)每個(gè)節(jié)點(diǎn)后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)循環(huán)順序依次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)也不斷檢測是否有數(shù)據(jù)要接收，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到來自前一個(gè)節(jié)點(diǎn)的載波后，就會(huì)立即發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.4 超時(shí)計(jì)數(shù)器

采用超時(shí)計(jì)數(shù)器，為了保證節(jié)點(diǎn)間按照正序序列或逆序序列進(jìn)行正常傳輸，NC-CSMA協(xié)議是在收到上一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的正確數(shù)據(jù)幀后，才傳輸自己的數(shù)據(jù)幀。如果上一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)送數(shù)據(jù)幀，緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)幀，循環(huán)順序傳輸就要停止。一個(gè)簡單的解決方案是發(fā)送一個(gè)長度很小的數(shù)據(jù)幀，去觸發(fā)下一個(gè)傳輸。然而引起的另外一個(gè)問題就是資源浪費(fèi)，特別是在水聲通信網(wǎng)絡(luò)，該問題是不能忽視的。

在NC-CSMA協(xié)議中，提出利用超時(shí)計(jì)數(shù)器方式來解決這個(gè)問題，在不浪費(fèi)資源的情況下發(fā)送控制包。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)空閑超時(shí)計(jì)數(shù)器去觸發(fā)傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)幀記錄每個(gè)數(shù)據(jù)幀的到達(dá)時(shí)間，然后根據(jù)該記錄預(yù)測下一傳輸時(shí)間，因?yàn)閮烧咧g的傳輸延遲的記錄在同一節(jié)點(diǎn)相同。如果節(jié)點(diǎn)在預(yù)測的時(shí)間內(nèi)，沒有收到來自上一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀，空閑超時(shí)計(jì)數(shù)器就開始計(jì)數(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)的時(shí)間超過超時(shí)計(jì)數(shù)器預(yù)設(shè)值后仍然會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

2.5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)維護(hù)

拓?fù)涞目刂剖撬聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)最基本的問題。隨著節(jié)點(diǎn)能量的耗盡，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，并且動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，然而水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂撇呗杂兄匾囊饬x?，F(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層中沒有具體的層次對應(yīng)拓?fù)淇刂茩C(jī)制，但大部分的拓?fù)渌惴ㄊ遣渴鹩诮橘|(zhì)訪問控制層(MAC)和路由層(Routing)之間，它為路由層提供了足夠的路由更新信息；反之，路由表的變化也反作用于拓?fù)淇刂茩C(jī)制，MAC層可以提供給拓?fù)淇刂扑惴ㄠ従影l(fā)現(xiàn)等消息。同理在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置也在發(fā)生變化，在NC-CSMA協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)檢測各個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，并且重新得出雙輪轉(zhuǎn)機(jī)制的順序；如果是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)能量耗盡，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)重新選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。使用的機(jī)制是選擇具有能量高的節(jié)點(diǎn)去做網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。

由于高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速變化，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)為了保持高效率，必須更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信息。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以監(jiān)控到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號，不斷獲取關(guān)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變或節(jié)點(diǎn)失敗，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)廣播關(guān)于傳輸命令的信息，以適應(yīng)拓?fù)渥兓?，并改變雙輪轉(zhuǎn)順序。該方法可以使NC-CSMA協(xié)議拓?fù)淅^續(xù)保持高效率。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真環(huán)境

為了評估有序NC-CSMA協(xié)議的性能，仿真實(shí)驗(yàn)是在NS2上進(jìn)行[13]。仿真實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)絡(luò)流量較大的情況下，對NC-CSMA協(xié)議與CSMA協(xié)議進(jìn)行對比分析。模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是一個(gè)6 km×6 km，數(shù)據(jù)分組的長度為4 000 bit，比特率為1 000 bit/s。每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在模擬環(huán)境中，為了檢測該協(xié)議的效率，在網(wǎng)絡(luò)流量較大的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，總有一個(gè)數(shù)據(jù)幀在緩沖區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備發(fā)送。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍為10 km，換句話說，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能偵聽到來自網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的信號。在該仿真實(shí)驗(yàn)中，不考慮路由算法，主要是在單跳網(wǎng)絡(luò)中，用簡單的方式去評估不同MAC協(xié)議的性能，能夠進(jìn)行公平地評估，減少了協(xié)議之間的差異。

3.2 端到端時(shí)延

在模擬實(shí)驗(yàn)中，通過測量平均端到端延遲來證明NC-CSMA擁有更小的延遲。端到端的延遲被定義為持續(xù)時(shí)間，從發(fā)送端的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)幀發(fā)送，直到接收方成功地接收數(shù)據(jù)幀。結(jié)果如圖4所示。

圖4 NC-CSMA協(xié)議與CSMA協(xié)議的端到端時(shí)延比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CSMA有很好的端到端時(shí)延。時(shí)延分為處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延。排隊(duì)時(shí)延是發(fā)送方等待發(fā)送的時(shí)延，在傳統(tǒng)CSMA協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)必須推遲很長的時(shí)延，等待整個(gè)數(shù)據(jù)傳完，如果檢測到信道忙碌，則采用退避算法。而在NC-CSMA中，節(jié)點(diǎn)只需要等待載波經(jīng)過，實(shí)現(xiàn)了最低的排隊(duì)時(shí)延，所以NC-CSMA具有最小的端到端時(shí)延。

3.3 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

網(wǎng)絡(luò)的吞吐量對比如圖5所示。NC-CSMA協(xié)議優(yōu)于CSMA，減少了端到端延遲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與CSMA協(xié)議相比，NC-CSMA協(xié)議的吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加而增加。傳統(tǒng)CSMA協(xié)議的吞吐量會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加而降低，這是由于傳統(tǒng)的CSMA協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)前要檢測信道是否利用，如果其他節(jié)點(diǎn)在使用信道，則該節(jié)點(diǎn)一直檢測信道，隨著節(jié)點(diǎn)的增加，業(yè)務(wù)量的增加，吞吐量會(huì)下降。

圖5 NC-CSMA協(xié)議與CSMA協(xié)議的吞吐量比較

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)CSMA協(xié)議雖然利用監(jiān)聽信道的方式來避免沖突，然而當(dāng)水聲網(wǎng)絡(luò)的相對傳播時(shí)延大幅度增加時(shí)，載波偵聽不再監(jiān)聽接收方的未來狀態(tài)，因而便失去了避免沖突的效力，盡管它一直具有擁塞避免功能[10,14]。針對水下傳感器高時(shí)延的特點(diǎn)，提出了NC-CSMA協(xié)議。該協(xié)議對傳統(tǒng)CSMA進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度和傳統(tǒng)CSMA的特點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀都按照一個(gè)固定的順序，無沖突地傳輸數(shù)據(jù)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，NC-CSMA協(xié)議比傳統(tǒng)CSMA協(xié)議具有更高的信道利用率和更小的端到端時(shí)延。

未來的工作應(yīng)集中在一個(gè)整體的跨層，一種能夠形成大規(guī)模多跳的網(wǎng)絡(luò)。相對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，文中選取的節(jié)點(diǎn)數(shù)量很少，且NC-CSMA不適用于多跳的路由。NC-CSMA不僅可以在水聲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，而且在長傳播延遲的無線網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星通信也可以進(jìn)行研究，將該協(xié)議應(yīng)用于不同的領(lǐng)域也是未來的研究方向。

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