PC-MAC:水声传感器网络的预调度和避免碰撞MAC协议

摘要

评估了长前导声调制解调器对水声传感器网络中媒体访问控制方案的碰撞特性的影响。由于前奏持续时间极长，碰撞概率相对较高。因此，UANs通常具有较低的网络吞吐量。为了解决这一问题，提出了一种用于UANs的预调度MAC协议PC-MAC，该协议利用一种新的控制数据包交换的预调度方案来降低控制数据包之间的冲突概率。PC-MAC是一种基于预留的信道接入方案。在该协议中，引入额外的保护时间，以避免发送方和接收方位置的动态时空不确定性的影响。仿真结果表明，在两种典型的网络场景下，PC-MAC协议在网络良值和端到端延迟方面优于传统的基于保留的MAC协议SFAMA，降低了控制数据包之间的冲突概率。

1.介绍

水声传感器网络(UANs)由于其广泛的科学、商业和军事应用，包括海洋取样、环境监测、海底勘探、分布式战术监视和灾害预防，在过去十年中已成为一个非常活跃的研究领域[1- - - - - -3.］．这些应用都激发了无人机系统设计的研究。由于水声信号是在水中进行远距离传输的唯一有效介质，水声通信被认为是一种理想的网络数据传输技术。

然而，由于声信号传输速度慢、带宽窄等特点，UANs的实现面临着诸多挑战，尤其是在媒体控制接入(MAC)方案中。在分层网络中，MAC方案负责数据的发送和接收调度。由于声信号相对于无线电信号的特性，许多现有的地面传感器网络MAC协议不能直接应用于无人机。在过去的几十年里，研究人员开发了许多MAC协议[4- - - - - -7]以改善UANs的性能。

最初，随机存取MAC协议得到了广泛的研究。为克服水声信号的长传播延迟特性，[8，可以通过引入保护时间来提高吞吐量性能。然后，由于随机接入的MAC方案不能有效地避免冲突，研究者开始研究水下环境下基于预约的MAC方案。已经提出了许多基于保留的UANs MAC协议，包括SFAMA [9]及DACAP [10］．与随机接入MAC方案相比，基于预留的MAC协议可以提高网络的性能，特别是在流量较大的情况下。

虽然现有的水下MAC协议在理论上可以取得良好的性能，但在水下系统中应用仍存在挑战。对于许多提出的基于保留的MAC协议，在假设控制包的传播时间足够短的前提下，很少考虑控制包之间的冲突问题。然而，参考现有的水声调制解调器硬件设计[11，12]时，每个包在有效负载之前有一个相对较长的序言，可能持续0.5 - 1.5 s。这样的设计会增加控制报文和数据包的持续时间，导致许多基于保留的方案失败。

为了探索一种实用的水下MAC方案，本文首先分析了基于随机访问和基于保留的MAC协议中控制包的冲突概率。通过分析发现，控制包之间的冲突问题可以显著降低预约的成功率。针对这一问题，提出了一种用于集中式水下网络的预调度、避免冲突的水下MAC协议PC-MAC。在PC-MAC中，汇聚节点调度RTS(请求发送)报文的接收时间，并将此信息广播给所有发送节点。为了避免时空不确定性的影响，引入了额外的保护时间。因此，可以有效地避免控制包之间的冲突。

本文的提示组织如下。节2，介绍了水下MAC协议的相关工作。部分3.分析了MAC协议中控制包的冲突和节点移动的影响。本节介绍了新提出的MAC协议的详细内容4．模拟和分析在本节5．最后,部分6对本文进行了总结，并对今后的工作提出了指导。

2.相关工作

在给出UANs无冲突MAC方案的解决方案之前，本节先介绍现有MAC协议的相关工作。以节能的方式提供高吞吐量(货物吞吐量)是单通道网络中MAC设计的重要内容。MAC协议允许网络中的节点共享媒体，同时防止来自同时传输的包之间的冲突。

在过去的几年里，人们对UANs的MAC协议的设计和实现进行了大量的研究。对于所提出的MAC协议，通常可以分为“无争用”和“基于争用”两类，而无争用MAC协议是一种简单的范式，这意味着直接应用于水下网络不一定是理想的解决方案。例如，基于频分多址(FDMA)的MAC协议及其改进主要面临带宽有限的设计挑战。基于时分多址(TDMA)的协议主要面临着同步和高传播/传输时延的设计挑战，而基于码分多址(CDMA)的协议则面临着巨大的设计挑战。

基于争用的MAC协议可以进一步分为随机访问协议和握手协议。大多数随机访问方案都是纯粹从ALOHA协议中开发出来的，它很容易实现，不需要任何防止冲突的努力。为了克服纯ALOHA的缺点，研究了一种用于UANs的时隙ALOHA协议。在有槽ALOHA中，节点只能在一个槽的开头发送数据包。与纯ALOHA相比，基于缝隙的方案可以降低碰撞的概率。然而，由于声信道的长传播延迟特性，[8表明，开槽ALOHA具有与纯ALOHA相似的性能。

握手或基于保留的MAC协议是一种重要的基于竞争的MAC协议类型。这些协议的基本思想是，发送方必须在发送包之前捕获通道。基于预留的MAC协议，如有槽的FAMA [9]已被证明在较大的流量负载下具有更好的性能。通过交换控制包，可以有效地减少冲突，实现较高的网络吞吐量。为了处理SFAMA中的同步问题，[10］．DACAP是一种易于在可伸缩网络中实现的避碰协议。为减少长时延的负面影响，在[11］．然而，在MACA-U方案中，碰撞概率较高。

上述协议在理论上都显著提高了MAC层的性能。然而，许多提出的MAC协议并没有充分考虑基于商用调制解调器的真实系统的低传输速率和长序言等硬件特性。以往，基于握手的MAC协议被认为是有效的避免冲突的协议，因为忽略了控制数据包的传输时间。但是，当考虑到声调制解调器的前导长度时，它们的传输时间变长，从而增加了碰撞概率。后,在12，作者举例说明了长序言和长传输速率对MAC协议COD-TS的影响。然后，他们提出了一个基于分时的MAC协议，并分析了其节点吞吐量。然而，即使仿真结果表明COD-TS能够提高吞吐量性能，但仍不能完全避免包之间的冲突。因此，下一节将给出UANs无冲突MAC方案的解决方案。

3.水下MAC协议的现代特性及冲突分析

3．1.声学调制解调器的特点

为了对声信号进行检测、同步和估计，在现有的许多声调制解调器的物理层框架中都采用了前导序列。与基于射频信号的硬件设置不同，声学调制解调器的前置时间非常长，不能再忽略。表格1显示3个现有水声调制解调器的包长度。从表中可以看出，即使是最短的序言也只持续0.5 s左右。由于每个传输的数据包都需要有序言，因此延长了数据包的传输时间，大大增加了碰撞概率。

３．２．水下控制包的碰撞分析

在流量较大的情况下，基于预留的MAC协议比随机接入的MAC协议具有更好的吞吐量性能。为了避免长传播时延的影响，提出了一种有缝FAMA算法。在槽式FAMA中，时间被分成几个槽。数据包只允许在槽位的开始处传输。本文的重点是对基于槽式预留协议的控制包之间的冲突进行分析。

假设每个传感器节点部署在一个长度为l的正方形场中，其中节点0被认为是汇聚，部署在正方形场的中心。其他3个发送节点(节点1、节点2和节点3)随机部署在正方形区域。设置RTS包的传输时间(包括前导和数据段)为0.5 s，汇聚节点与三个发送节点(节点1、节点2、节点3)之间的距离为 ， ，和 ，分别。为了避免这些RTS包之间的冲突，每个RTS包的接收时间间隔至少为0.5 s。由于每个RTS包都是在插槽的开始处发送的，只有当两者之间存在差异时和 ，表示为 ，比 ,在那里声速是和吗t为控制报文的时间持续时间，是否可以接收到RTS报文而不发生冲突，如图所示1．

此外，在实际的水下环境中，由于水流、波浪等原因，节点的位置并不固定。这种运动会导致距离的变化和相应的传播延迟。如图所示2，当发送节点3远离汇聚节点时，发送节点3的RTS包会晚一点到达汇聚节点，并与发送节点2的RTS包发生碰撞。而当发送节点3离汇聚节点更近时，其RTS包会提前到达汇聚节点，并与发送节点1的RTS包发生碰撞。

数字1展示了距离和碰撞之间关系的一个例子。如果 ，距离差和 ，为750 m时，来自节点1和节点2的RTS包可以连续到达节点0而不发生冲突。然而,如果 ，距离差和小于750 m (375 m)，节点0在接收到节点1发送的RTS报文之前，节点3发送的RTS报文开始到达。他们之间一定有碰撞。基于几何概率模型，给出了距离差的概率密度函数，如图所示3.．

由图中概率密度函数曲线可知2，可以观察到，随着面积的减小，两个节点距离差大于750 m的概率越来越小。计算结果表明，当长度l在2000 m、3000 m、4000 m区域，控制包的碰撞概率分别为93.41%、77.08%、63.75%。从结果可以看出，即使在4000 m × 4000 m的区域，应用基于槽式预留的MAC协议时，控制包之间的冲突概率也比较高。

4.PC-MAC:一种预调度和避免冲突的MAC协议

为了避免传统的基于槽式预留的MAC协议中频繁的冲突，本节提出了一种新的水下MAC方案，即预调度和避免冲突的MAC协议(PC-MAC)。提出的MAC协议考虑了时空不确定性问题。通过预先调度RTS报文和数据包的接收时间，实现网络的无冲突通信。在PC-MAC中有两个假设:(1）参考节点在[13，则假定传感器节点的运动模型为若干规则正弦波的累积。因此存在最大的运动范围，记为 ．（2）还假设固定汇聚节点是传感器网络中的中心节点，负责收集传感器节点产生的数据。此外，发送节点知道到汇聚节点的初始距离通过许多现有的定位算法，如[14，15和相应的传播延迟 ，在哪里 ,声音在水下的速度。

提出的PC-MAC协议是基于保留的MAC协议。该协议有5种报文类型，分别是CONFIG、RTS、CTS (clear to send)、DATA和ACK。其中，CONFIG、RTS、CTS、ACK是控制报文。CONFIG包用于广播控制信息，其他四种包用于数据传输。由于CONFIG、CTS和ACK是汇聚节点发送的，所以这三种控制包之间没有冲突。因此，本文的重点是RTS报文和DATA报文的调度。

4．1.PC-MAC简介

首先通过一个实例说明了PC-MAC的工作流程。提议的协议分为两个阶段。第一阶段汇聚节点对每个RTS包的接收时间进行预调度，并将预调度的时间广播给CONFIG包中的所有发送节点。在第二阶段，发送节点根据接收RTS包的时间，计算自己发送RTS包的时间，并开始向sink节点发送。在本例中，网络中有两个发送节点(节点1和节点2)和一个汇聚节点，在每次DATA burst中，一个发送节点可以发送多个DATA包(不超过3个包)，如图所示4．

由于汇聚节点负责收集数据，所以它需要通过广播CONFIG包从邻居那里收集数据。CONFIG包包含负责调度来自不同发送方的包交换的信息，稍后将详细讨论。发送节点收到汇聚节点的CONFIG报文后，如果已经收集到数据要发送，则检查其RTS报文的发送时间调度。发送节点直到预定的时间才发送包含待发送数据包长度的RTS报文。汇聚节点在接收RTS包的同时，为CTS包的传输做准备。CTS包用于数据包传输的时间表。最后，sink节点成功接收到数据包后，调度ACK完成握手过程。

4．2．预调度RTS报文的接收时间

为了避免RTS包之间的冲突，汇聚节点根据不同发送节点之间的距离来调度RTS包的接收时间。为了减少等待时间，从最近的发送节点调度RTS包先到达。下面以最近的节点(节点1)为例，介绍如何预先安排RTS报文的接收时间。

表示某一类型的数据包从某一节点发出的开始时间通过 ．例如,汇聚节点的接收时间为我节点1的第一个数据包。报文的长度表示为 ．变换区间，其长度为 ，是接收和发送之间的时间段。发送间隔，其长度为 ，为连续发送两个数据包之间的时间间隔。

假设汇聚节点已准备好接收第一个RTS包 ．为了避免节点移动的影响，汇聚节点应该留出一个保护时间来处理RTS报文接收时间可能发生的漂移。如图所示5，距离的变化从0到 ，对应的时间最大变化为 ．即真实的传播延迟介于和 ．因此，为了保证RTS报文能够被成功接收，汇聚节点的接收窗口的长度为 ．为了避免RTS包之间的冲突，第二个RTS包应该在后面到达 ．在本例中，可以得到所有RTS报文的接收时间我发送节点数。

通过计算所有RTS报文的接收时间，汇聚节点可以广播CONFIG报文。预先设定的RTS报文接收时间包含在CONFIG报文中。

4．3．计算RTS报文发送时间

由于控制包的交换耗费时间和精力，数据包的发送采用突发方式，即节点只有在数据包数量超过阈值时才允许发送数据包。否则，它需要等待更多的数据包，然后在下一轮开始发送。对于已经有足够数据包的发送节点，他们需要根据这些数据包来安排发送RTS数据包的时间 ，和数据包的个数在RTS报文中。

节点1如图所示5作为一个例子;发送节点可以使用来计算RTS报文的发送时间 ．

其他发送节点可以用同样的方法计算RTS包的发送时间。知道汇聚节点接收RTS数据包的时间 ，每个发送节点都可以计算自己的根据 ．

通过上述策略，网络可以确保RTS包的发送和接收不发生冲突。

4．4.管理数据和ACK报文的发送时间

假设米发送节点(米≤N)请求发送RTS报文，并在网络中发送DATA报文，收到RTS报文后，根据DATA报文的数量从每个发送节点开始，汇聚节点需要调度每个数据包的接收时间。

假设汇聚节点已经准备好接收来自发送节点1的第一个数据包 ．与接收RTS数据包类似，这段时间的设置仍然需要考虑时空的不确定性，并应用一个保护时间 ．因此，接收数据包的时间为 以及接收时间我发送节点1的数据包为 在哪里是发送两个数据包之间的一段时间。

接收最后一个数据包的时间从发送节点1是

当收到节点1的所有数据包时(从接收阶段到发送阶段经过一段时间的转换(长度记为)时，sink向发送节点1发送ACK报文。所以这个ACK包的发送时间是

同理，在发送完ACK报文后，经过转换时间，sink节点已准备好接收下一个发送节点的DATA报文。从下一个发送节点接收第一个数据包的时间为

所有DATA报文的接收时间和ACK报文的发送时间都可以按照上述策略计算。然后，汇聚节点应该在CTS包中广播这些预定的时间。

当发送节点收到CTS包时，可以计算每个包的发送时间。以节点1为例，发送时间为我第一个数据包是

在预先设定的时间下，所有节点都可以发送每个数据包而不会发生冲突。

5.评估

评估PC-MAC协议的性能。性能指标包括成功预留率、网络吞吐量和端到端延迟。预留成功率定义为一个发送节点发送的包数与该发送节点生成的包数的比值。网络吞吐量定义为通过网络成功传递消息的速率，单位为比特/秒。端到端延迟定义为接收到数据包到生成数据包的时间间隔。下面的模拟是由Aqua-sim进行的，这是一个基于ns2的模拟器，专门用于水声网络。模拟时间为2000 s，生成的数据遵循泊松分布。报文的持续时间可以通过 在哪里是序言的持续时间，对于所有类型的数据包都是相等的，数据包的长度是否以比特、和为单位为每秒比特数的传输速率。仿真参数如表所示2．

本节分别对PC-MAC在稀疏网络和密集网络场景下的性能进行评估。在稀疏网络中，网络中部署了4个节点，其中节点0为位于网络中心的汇聚节点;节点1、节点2和节点3为3个发送节点，随机部署在4000m × 4000m的区域内。而在密集网络中，在2000m × 2000m区域内随机部署3个发送节点。传感器节点位置的最大变化量假设是5米。

5．1.成功预订比率

本节分析了经典MAC协议SFAMA在两种不同网络场景下的冲突概率。数字6(一)反映了SFAMA在密集部署场景下的碰撞概率。从图中可以看出，随着包生成速率的增加，控制包的碰撞概率迅速增加。仿真结果表明，前导越长，碰撞概率越高。当前导设置较长时，包生成速率达到0.08包/s;当前导设置较短时，包生成速率达到0.1包/s时，控制包之间的冲突将导致网络中几乎所有的数据传输中断。数字6 (b)显示了稀疏部署场景下SFAMA的碰撞概率。仿真结果显示了与密集网络相似的趋势。从图6 (b)，可以看出稀疏部署可以缓解碰撞问题。这是因为SFAMA中的槽长度是由发送方和接收方之间的最大传输范围决定的。稀疏网络场景下的时隙长度大于密集网络场景下的时隙长度。由于控制包到达汇聚节点的时间是在一个槽位，所以较长的时间槽位可以降低碰撞概率。

5.2。网络的吞吐量

网络良率是评价协议的重要指标之一。仿真结果如图所示7(一)和7 (b)两种目标MAC协议以及SFAMA和PC-MAC两种网络场景下的报文生成速率不同。为了进一步评估序言长度的影响，我们分别比较了序言长度为0.5秒和1秒时SFAMA的表现。数字7反映了两种协议在稀疏网络中的性能。从图中可以看出，PC-MAC比SFAMA具有更好的网络投放性能。从图中还可以看出，对于SFAMA而言，序言越短，好的put越高。

这是因为硬件设计的序言越长，预留失败的概率就越高，直接降低了网络的良值。但由于PC-MAC采用了避碰方案，所以不同的前导长度对网络性能的影响不大。从图6，还可以观察到，随着包生成速率的增加，SFAMA良好的put性能可能会迅速下降，而PC-MAC则保持稳定。SFAMA的性能下降是由于预约报文之间冲突太频繁造成的。

对于密集网络，良好put性能的结果与稀疏网络的结果表现出相似的趋势。数字7表明PC-MAC具有较好的网络性能。随着包生成速率的增加，这两种协议之间的差距越来越大。结果表明，在交通负荷较大的情况下，避碰方案的作用更大。在这样的网络中，PC-MAC将受益更多。

5.3。平均端到端延迟

由于端到端时延是网络的另一个关键度量指标，因此比较了PC-MAC和SFAMA之间的端到端时延。在本仿真中，一个数据包的最大生存时间设置为1000秒，即在1000秒之前产生的数据包将被一个节点丢弃。数字8结果表明，在两种场景下，在两种不同长度的序言下，PC-MAC都能比SFAMA实现更好的端到端延迟性能。原因是控制包之间的频繁冲突导致数据包传输延迟。PC-MAC系统通过碰撞避免方案可以降低排队延迟，从而缩短端到端延迟。我们还可以观察到，最小延迟在40 s左右，这是由于协议握手过程的延迟造成的。

6.结论

本文首先对水声网络MAC协议中控制数据包之间的冲突问题进行了评估。为了解决这一问题，提出了一种新的MAC协议PC-MAC，通过对保留数据包进行预调度来降低冲突概率，提高吞吐量性能。PC-MAC发起中心节点的握手过程，以避免任何可能的随机访问包。所有发送者都遵循由中心广播的时间表。仿真结果表明，无论在密集网络还是稀疏网络场景下，PC-MAC都提高了网络的良好性能，降低了端到端时延。对于未来的工作，由于提出的方案的性能可能取决于网络的拓扑结构，因此研究水下媒体接入控制算法的部署和调度方案的联合设计是非常必要的。

由于洋流、海面波浪等因素的影响，水下节点不断移动，可能导致传感器节点与sink节点通信中断。在实际的海洋环境中，应考虑如何保证链路的可靠性。此外，还可以根据不同的网络部署调整保护时间，以增加网络的实际投入。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

国家自然科学基金项目(no . 61701335, no . 61571318, no . 61571323);天津市自然科学基金项目17JCQNJC01300;广西科技项目AC16380094。

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