趙 靜， 李瑞芳， 李 莉， 喬光鑫， 楊麗娟

(沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

基于NS2的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議分析

趙 靜， 李瑞芳， 李 莉， 喬光鑫， 楊麗娟

(沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

MAC協(xié)議決定了水聲信道的使用方式，作為水聲網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它越來越受到人們的普遍關(guān)注，它的研究對水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用.經(jīng)過分析比較現(xiàn)有的陸上無線通信協(xié)議，選取其中性能較適用于水聲信道的TDMA、802.11和S-MAC協(xié)議進(jìn)行研究分析，對三者的各方面性能進(jìn)行比較，并針對水聲信道特點(diǎn)提出改進(jìn)方案：利用TDMA的時延，交錯設(shè)置幀周期；使IEEE802.11協(xié)議一次握手傳輸多個數(shù)據(jù)并采用周期性睡眠機(jī)制；對SMAC協(xié)議采用事先預(yù)測網(wǎng)絡(luò)流量，動態(tài)調(diào)整占空比.設(shè)計(jì)了水聲信道MAC層協(xié)議的仿真方法，通過修改NS2中已有無線通信協(xié)議的物理層和鏈路管理相關(guān)代碼，實(shí)現(xiàn)了水下通信環(huán)境的模擬.

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)； MAC協(xié)議； NS2

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Sensor Networks)是水聲通信技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合所產(chǎn)生的一個新的研究領(lǐng)域[1].它為人類探索海洋奧秘、開發(fā)利用海洋資源起到關(guān)鍵作用.然而，由于水聲信道的有限帶寬、高誤碼率以及長傳播時延,使水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)相對于地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)面臨著巨大的挑戰(zhàn).MAC協(xié)議在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中起著重要的作用[2]，其決定了水聲信道的分配方式，也影響著水聲通信的能量消耗和傳輸效率.一些研究學(xué)者已經(jīng)針對水聲通信提出了幾種MAC協(xié)議，但目前該領(lǐng)域還沒有一種完全適合水聲通信并得到廣泛認(rèn)可的MAC協(xié)議.因此，對于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的研究仍是現(xiàn)階段該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

本文通過對MAC協(xié)議相關(guān)性能指標(biāo)的分析和水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議性能要求的研究，設(shè)計(jì)了水聲信道MAC層協(xié)議仿真方法，并對相關(guān)協(xié)議提出了改進(jìn)意見.

1 MAC層協(xié)議性能指標(biāo)

MAC協(xié)議決定著信道的分配方式，解決信道的接入問題.可以根據(jù)以下幾個指標(biāo)對MAC層協(xié)議的優(yōu)劣進(jìn)行評定，其中包括網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)丟包率、網(wǎng)絡(luò)的平均時延和延時抖動等.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的多種多樣，并且應(yīng)用需求的不同，因此設(shè)計(jì)MAC層時對各項(xiàng)指標(biāo)的偏重不同.陸地通信時間短，延時可以被忽略，因此對延時要求不高.相比水下通信而言，復(fù)雜多變的水聲環(huán)境，使通信首要考慮到延時長短、能耗高低、可擴(kuò)展性情況、吞吐量高低等問題.以下對重要指標(biāo)進(jìn)行說明[3]：

(1) 網(wǎng)絡(luò)的吞吐量：表示在不丟包情況下，目的節(jié)點(diǎn)在單位時間內(nèi)成功接收到的數(shù)據(jù)包總數(shù).網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量表示網(wǎng)絡(luò)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)，主要用于衡量網(wǎng)絡(luò)利用率和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)最大容量.MAC層的吞吐量包含了控制包的流量，與應(yīng)用層的吞吐量不一樣，在仿真中進(jìn)行比較的是應(yīng)用層的吞吐量，指的是目的節(jié)點(diǎn)在單位時間里成功接收到的數(shù)據(jù)報文的總數(shù)，它的計(jì)算方法是在應(yīng)用層收到的正確數(shù)據(jù)包除以仿真時間.

(2) 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)丟包率:指網(wǎng)絡(luò)中丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)和總的發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)的比值.

(3) 網(wǎng)絡(luò)的平均時延：指數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的傳播時間.發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀信息，到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)成功接收所需要的平均時間.網(wǎng)絡(luò)時延越小說明網(wǎng)絡(luò)性能越好.

(4) 能耗：反映通信過程中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的耗能問題.通常節(jié)點(diǎn)耗能主要來源于數(shù)據(jù)包沖突、空閑偵聽以及過度偵聽、控制幀負(fù)擔(dān)過大.對于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，水中的節(jié)點(diǎn)能量主要靠電池，而水下的能量更換和補(bǔ)充需要消耗過多的人力和物力資源.因此需將能量問題考慮到MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)中，保持節(jié)點(diǎn)正常工作效率，延長網(wǎng)絡(luò)壽命.

2 幾種陸上無線MAC協(xié)議分析

隨著陸上無線網(wǎng)絡(luò)的普及，已有多種優(yōu)秀的MAC協(xié)議被提出并得到廣泛使用，按照使用介質(zhì)的方式，可將MAC協(xié)議分為固定訪問方式的MAC協(xié)議、隨機(jī)競爭訪問方式的MAC協(xié)議[4].其中，固定訪問方式的MAC協(xié)議主要有：FDMA、TDMA、CDMA.FDMA技術(shù)需將頻帶進(jìn)行劃分，這對于帶寬較窄的水聲信道并不適合.CDMA技術(shù)的多徑效應(yīng)嚴(yán)重，并不適合于分布式網(wǎng)絡(luò).TDMA機(jī)制沒有數(shù)據(jù)碰撞重傳現(xiàn)象，并且在數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時不需要太多的控制信息；節(jié)點(diǎn)空閑時進(jìn)入睡眠狀態(tài).隨機(jī)競爭訪問方式的MAC協(xié)議分為基于ALOHA的MAC 協(xié)議、基于握手機(jī)制的MAC協(xié)議以及基于睡眠機(jī)制的 MAC 協(xié)議.作為基于握手機(jī)制MAC協(xié)議代表的IEEE802.11MAC協(xié)議其分布式協(xié)調(diào)(DCF)工作模式采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA/CA)協(xié)議.基于睡眠機(jī)制的S-MAC和T-MAC協(xié)議從能量節(jié)約角度出發(fā)很好地解決了能量受限網(wǎng)絡(luò)的耗能問題.除此之外還有MACA協(xié)議、MACAW協(xié)議等，鑒于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對其中的TDMA、IEEE802.11和S-MAC三種協(xié)議進(jìn)行分析、比較，研究其在水聲信道中的應(yīng)用和改進(jìn)方法.

2.1 TDMA協(xié)議

TDMA協(xié)議屬于一種固定方式訪問的MAC層協(xié)議，按照固定方式進(jìn)行訪問時避免了數(shù)據(jù)沖突，并且由數(shù)據(jù)沖突引起的額外耗能減少，信道利用率由此提高.TDMA技術(shù)將時間劃分為眾多時隙，以此供給不同用戶使用，所有用戶共同使用頻帶.圖1為N時間片的TDMA多址方式.從圖1可以看出:該協(xié)議將時間分為多個循環(huán)周期，每個循環(huán)周期又分為N個時間片，各時間片分別由數(shù)據(jù)包傳送時隙和保護(hù)時隙組成，保護(hù)時隙確保了數(shù)據(jù)的正確傳輸.

圖1 TDMA協(xié)議時間分片

TDMA技術(shù)通信時間短，用戶對信道無競爭，所以數(shù)據(jù)沖突較少.水聲傳播速率約為1 500 m/s，相比于光速3×108m/s低很多，因此水聲通信時延變大，加之時延動態(tài)變化，TDMA協(xié)議時間片內(nèi)的保護(hù)時隙會變長，整個時間片由此變大，致使網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低.TDMA協(xié)議要求嚴(yán)格的時間同步，這對于時延動態(tài)變化的水下網(wǎng)絡(luò)是非常困難的，該協(xié)議的另一缺點(diǎn)是它通常用在固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，因此不能處理好節(jié)點(diǎn)移動、失效和新節(jié)點(diǎn)加入的情況，綜上而言傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議不能直接應(yīng)用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)[5]，需要進(jìn)一步的改進(jìn).

2.2 IEEE802.11協(xié)議

IEEE802.11協(xié)議目前被廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò).它采用載波偵聽多路復(fù)用和沖突避免協(xié)議(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)，以此當(dāng)作接入方式，此外還采用了停止等待協(xié)議(Stop & wait).

IEEE802.ll 協(xié)議支持兩種模式：分布式協(xié)調(diào)功能DCF(Distributed Coordination Function)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function).其具體架構(gòu)如圖2[6]所示.

圖2 IEEE802.11協(xié)議結(jié)構(gòu)框架

DCF數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)：基本接入方式和請求發(fā)送/允許發(fā)送(Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS)方式[4].這兩種模式基于CSMA/CA機(jī)制，在計(jì)算隨機(jī)退避時間時都采用二進(jìn)制退避算法.

這里主要介紹RTS/CTS的接入模式，DCF

的RTS/CTS的接入模式如圖3[7]所示.首先，等待DCF幀間隔(DCF Inter-frame Space，DIFS)后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS信號，表明發(fā)送節(jié)點(diǎn)要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送若干數(shù)據(jù)，收到這個RTS的每個節(jié)點(diǎn)都根據(jù)持續(xù)時間域(Duration field)來設(shè)置它的NAV.目的節(jié)點(diǎn)收到RTS后，在等待短幀間間隔(Short Inter-frame Space，SIFS)后，向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)出CTS信號，表明已準(zhǔn)備就緒，發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而其他節(jié)點(diǎn)停止向該目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；雙方在成功交換RTS/CTS信號后才開始傳送數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的正確傳遞，減少沖突發(fā)生.在SIFS間隔后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù).目的節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后等待SIFS，返回給發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)答幀，表明數(shù)據(jù)接收完畢.此時傳輸過程完成，這時每個節(jié)點(diǎn)的NAV為0，表明介質(zhì)空閑，可以開始下一個傳輸周期.

圖3 RTS/CTS接入模式

RTS/CTS機(jī)制可有效解決隱藏終端，數(shù)據(jù)沖突減少，提高了正確數(shù)據(jù)傳輸率.在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間因接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生的能耗最多，而采用預(yù)先握手機(jī)制的RTS/CTS模式，降低了數(shù)據(jù)沖突，一方面既降低了無效數(shù)據(jù)的發(fā)送，另一方面又確保了數(shù)據(jù)傳輸正確率，但是該協(xié)議采用了載波偵聽機(jī)制，其缺點(diǎn)是空閑偵聽造成更多的能量消耗，所以需要對該協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，從而解決水聲通信環(huán)境中頻繁的空閑偵聽產(chǎn)生的能量消耗.

2.3 S-MAC協(xié)議

S-MAC協(xié)議是一種節(jié)能MAC協(xié)議，在2003年由南加州大學(xué)的weiye等人提出，它繼承了IEEE802.11協(xié)議和RAMAS協(xié)議的基本思想，并在此為基礎(chǔ)以提高能效為目標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)，很好地解決了能量損耗問題，并保證了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性[8].S-MAC協(xié)議采用4種主要機(jī)制[4]：周期性偵聽和睡眠機(jī)制；流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制；串音避免機(jī)制；消息傳遞.S-MAC協(xié)議的基本調(diào)度周期[6]如圖4所示.

圖4 S-MAC基本調(diào)度周期

S-MAC協(xié)議將時間分為若干幀，每幀包括偵聽階段和睡眠階段.偵聽階段中同步階段節(jié)點(diǎn)廣播SYNC保持同步，包含了節(jié)點(diǎn)的時間表.活動階段中主要完成數(shù)據(jù)通信，并發(fā)送(或轉(zhuǎn)發(fā))在睡眠階段發(fā)送隊(duì)列內(nèi)積存的數(shù)據(jù)分組.睡眠階段中節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量.其中:tlisten是節(jié)點(diǎn)偵聽時間;tsleep是節(jié)點(diǎn)睡眠時間;tSYNC是節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步幀的時間;tRTS/CTS是節(jié)點(diǎn)收發(fā)RTS/CTS的時間.則有如下公式[6]：

tlisten=tSYNC+tRTS/CTS.

(1)

3 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)

(1) 傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議不能直接用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò).利用集中式控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，命名一個協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)作為中心節(jié)點(diǎn)來控制整個網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，例如控制同步時間，充分利用水下通信時延長的特點(diǎn)，交錯設(shè)置幀周期，接收上一個周期的其余數(shù)據(jù)，使得中心節(jié)點(diǎn)一直接收數(shù)據(jù)，以此充分利用時延.各數(shù)據(jù)時隙之間設(shè)有保護(hù)時隙.控制中心可以利用一定算法預(yù)知各檢測節(jié)點(diǎn)的傳輸時延，并將時延按從小到大排序，有效預(yù)防數(shù)據(jù)重疊.另外還可以從載波偵聽機(jī)制聯(lián)合TDMA協(xié)議對MAC層協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是MAC協(xié)議涉及的另一方向.

(2) IEEE802.11協(xié)議采用載波偵聽機(jī)制，而載波的空閑偵聽對水聲網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大的能量消耗.針對能耗問題，可以引進(jìn)周期性的睡眠偵聽機(jī)制，S-MAC協(xié)議就是在IEEE802.11基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn)，有效解決了能耗問題.除此之外，還可以允許一次握手期間傳送多個數(shù)據(jù)幀，達(dá)到數(shù)據(jù)的高效傳輸.

(3) S-MAC協(xié)議具有很好的節(jié)能特性，很好地解決了水聲網(wǎng)絡(luò)的耗能問題.相比于協(xié)議IEEE802.11，S-MAC協(xié)議通過延長其他節(jié)點(diǎn)的睡眠時間，數(shù)據(jù)碰撞率得以降低，從而減少了因空閑偵聽產(chǎn)生的能耗；該協(xié)議因周期休眠使得時延顯著，并且會出現(xiàn)延遲每跳積聚現(xiàn)象，對此可利用流量自適應(yīng)機(jī)制，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲；但是當(dāng)信道中無數(shù)據(jù)傳輸時，該協(xié)議固定不變的占空比使得一些節(jié)點(diǎn)仍處于偵聽狀態(tài)，不能及時進(jìn)入睡眠狀態(tài)，該協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)流量的動態(tài)變化適應(yīng)能力較弱.針對這個問題，可以事先預(yù)測網(wǎng)絡(luò)流量，對占空比進(jìn)行動態(tài)調(diào)整.若網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸增加，對S-MAC的單個長周期進(jìn)行n個短周期的劃分，通過一劃多的方法提高占空比來適應(yīng)流量的增加[6].

目前沒有特定的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，只有在現(xiàn)有的無線MAC層協(xié)議的基礎(chǔ)上做一些改進(jìn)來適應(yīng)水聲通信的要求，對水聲MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)仍需要更深一步的研究.

4 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議分析方法

4.1 仿真軟件介紹

為比較上述協(xié)議在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)劣，利用仿真軟件對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析.目前比較流行的仿真軟件有OPNET，NS2，OMNET++等，NS2[9]是一款開放源代碼的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，它支持眾多的協(xié)議，并提供了豐富的測試腳本，可以在計(jì)算機(jī)上動態(tài)仿真有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，由此選用NS2作為實(shí)驗(yàn)仿真平臺.

NS2(Network Simulator version 2)最初由UC Berkeley開發(fā)，是面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)模擬工具，可以模擬整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，其本身有一個模擬時鐘，由離散事件驅(qū)動所有的模擬，由C++語言實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)元素，由OTcl語言編寫網(wǎng)絡(luò)模擬過程腳本文件.

如圖5[9]所示，使用NS2模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，首先考慮要仿真的網(wǎng)絡(luò)類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和源代碼修改或添加等問題.

圖5 NS2基本操作流程

如果仿真涉及到新協(xié)議的編寫或?qū)ΜF(xiàn)有協(xié)議的修改，則需要對NS2的C++源碼層進(jìn)行添加、修改、重新編譯和調(diào)試；如果仿真只涉及到解釋層，無需修改代碼，用戶可直接編寫Tcl/OTcl代碼，利用現(xiàn)有的仿真元素進(jìn)行仿真即可.仿真結(jié)束后會將生成的仿真結(jié)果存放在對應(yīng)的Trace文件中，通過NAM進(jìn)行生動的動態(tài)展現(xiàn);通過GAWK工具對該仿真結(jié)果的內(nèi)容進(jìn)行分析從而得到想要的最終結(jié)果;可通過XGraph或GNUPLOT得到靜態(tài)圖形.

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)舉例

通過簡單的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過程，并通過現(xiàn)有工具分析得到仿真結(jié)果，展示NS2仿真模擬的大致過程.實(shí)驗(yàn)設(shè)置仿真模型，MAC協(xié)議設(shè)置為SMAC協(xié)議，并得到網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果.

4.2.1 水聲環(huán)境建模

水聲信道受海底和海面環(huán)境影響較大，時延長且動態(tài)變化、噪聲強(qiáng)、多途效應(yīng)、多普勒頻移等問題尤為嚴(yán)重.聲波在水中的傳播速度主要受深度、鹽度、溫度等因素影響，且這些因素互相關(guān)聯(lián)，可以通過MacKenzie公式[10]計(jì)算水聲速率.聲傳播損失主要來源于幾何衰減、吸收衰減和散射.Thorp公式總結(jié)了海水對聲波的吸收系數(shù)，并且根據(jù)傳播的幾何形狀有不同種情況的幾何衰減.水聲信道受環(huán)境噪聲的影響較大，例如潮汐現(xiàn)象、雷雨天氣、海浪及船只噪聲等.水下環(huán)境噪聲主要有四部分：渦流噪聲、船運(yùn)行噪聲、風(fēng)噪聲以及熱噪聲.深海環(huán)境不同于淺海，很少受到港口地理位置和周圍環(huán)境的影響.除此之外多徑效應(yīng)嚴(yán)重，由此產(chǎn)生的多普勒頻移也很難避免.

水聲環(huán)境建模是一個復(fù)雜的過程，但可以通過修改NS2中已有無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的相關(guān)代碼，構(gòu)建水下網(wǎng)絡(luò)通信模擬環(huán)境.為簡化實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)選取水聲傳播速率1 500 m/s，通信頻率范圍設(shè)置為3～13 kHz，帶寬為10 kHz.節(jié)點(diǎn)的通信半徑為1 000 m.仿真網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都采用統(tǒng)一的能量模型，初始能量是15 J，節(jié)點(diǎn)發(fā)送報文時的功率是0.386 W，接收報文時的功率是0.368 2 W，空閑偵聽狀態(tài)下的功率是0.344 2 W，睡眠狀態(tài)下的功率是0.000 05 W.整個網(wǎng)絡(luò)的仿真時間設(shè)定為400 s，仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)層采用AODV路由協(xié)議.

set opt(rp) AODV; # routing protocol script

set opt(stop) 400.0; # simulation time

set opt(energymodel) EnergyModel

set opt(initialenergy) 15

$ns_ node-config-adhocRouting $opt(rp)

……

-energyModel $opt(energymodel)

-idlePower 0.3442

-rxPower 0.3682

-txPower 0.386

-sleepPower 0.00005

-transitionPower 0.05

-transitionTime 0.0005

-initialEnergy $opt(initialenergy)

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署方式，它影響著網(wǎng)絡(luò)的容量、能量消耗、以及網(wǎng)絡(luò)可靠性等網(wǎng)絡(luò)特性.一般網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為3種：集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；多跳式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).多跳式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是更適合水聲環(huán)境的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).目前研究較多的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)、三維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和帶有UAVs的三維網(wǎng)絡(luò).二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)被固定在海底，主要用于海底環(huán)境監(jiān)視.三維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的傳感器被部署在水中，主要用于監(jiān)測海洋環(huán)境.帶有UAVs的三維網(wǎng)絡(luò)主要由固定傳感器和移動的UAVs組成.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞暮脡闹苯佑绊懻麄€水聲網(wǎng)絡(luò)的性能.

4.2.3 仿真過程及結(jié)果

為簡化實(shí)驗(yàn)，采用二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置600×200的3節(jié)點(diǎn)場景模型，如圖6所示.其中節(jié)點(diǎn)0的位置代碼為：

$node_(0) setX_ 100

$node_(0) setY_ 100

$node_(0) setZ_ 0.0

利用NS2對上述網(wǎng)絡(luò)經(jīng)行仿真，可得到生動的動畫NAM文件并生成Trace文件.模擬網(wǎng)絡(luò)的一系列動作全部保存在Trace文件中，通過AWK代碼分析相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)丟包率、網(wǎng)絡(luò)的平均時延性能指標(biāo).

圖6 3節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過程

網(wǎng)絡(luò)平均時延性能指標(biāo)如圖7所示.圖中展示的是SMAC協(xié)議包延時隨包id號變化的過程，第4個包延時較小，第3個和第5個包延時均較大.延時抖動性能指標(biāo)如圖8所示，吞吐量性能指標(biāo)如圖9所示.

圖7 SMAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)延時

圖8 SMAC協(xié)議的延時抖動

圖9 SMAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

5 結(jié) 論

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)受到人們的日益關(guān)注，但在國內(nèi)對它的研究仍處于起步階段，特別是網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議.水聲信道復(fù)雜，為簡化實(shí)驗(yàn)，采用三節(jié)點(diǎn)二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過修改已有代碼模擬水聲環(huán)境.實(shí)驗(yàn)過程中的初始場景和仿真中的移動路徑采用隨機(jī)生成方式，即通過NS2的setdest和cbrgen工具生成水聲節(jié)點(diǎn)場景和數(shù)據(jù)流.仿真結(jié)果分別展示了延時、延時抖動和吞吐量性能.如何設(shè)計(jì)出適合水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議更為重要.對TDMA、IEEE802.11、S-MAC協(xié)議進(jìn)行了分析，比較它們在水下通信的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出對上述3種協(xié)議的改進(jìn)意見.IEEE802.11協(xié)議和S-MAC協(xié)議在節(jié)省能量方面體現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢，可以從載波偵聽機(jī)制方向?qū)DMA協(xié)議進(jìn)行改進(jìn).

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Analysis of UWASN MAC Layer Protocol Based on NS2

ZHAO Jing, LI Rui-fang, LI Li, QIAO Guang-xin, YANG Li-juan

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

MAC protocol determines the way of using multipath underwater acoustic channel.As one of the key technology of underwater acoustic networks,it gets more and more attention of people.The MAC protocol research plays the vital role in the development of underwater acoustic sensor networks.Through the analysis and comparison of the existing land wireless communication protocol,this paper chooses and analyzes the performance of TDMA,802.11 and S-MAC protocol which is suitable for underwater acoustic channel.By comparing the performance of the three protocols and combined with the characteristics of underwater acoustic channel,improvements are suggested:Using TDMA time delay,the frame period can be setted; Transmitting more data in a handshake and using the periodic sleep mechanism in IEEE802.11 protocol; Predicting network traffic in advance,and adjusting the duty ratio dynamically in the SMAC protocol.Thesis designs the simulation method of MAC layer protocol in underwater acoustic channel.By modifying the existing wireless communication protocol and link management related code in NS2,this paper realizes the simulation of physical in underwater communication environment.

underwater acoustic sensor networks; MAC protocol; NS2

2013-12-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61102041)； 遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(LJQ2013043)

趙靜(1988-)，女，河北滄州人，碩士研究生在讀，主要從事水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究.

李莉(1978-)，女吉林通化人，副教授，博士，主要從事水聲換能器，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究.

2095-2198(2015)01-0075-07

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.01.016

TN929.3

A