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1、区域性海洋观测水声通信网数据链路层研究第30卷第4期2011年8月声学技术TechnicalAcousticsVO1.3O.NO.4Aug.,2011区域性海洋观测水声通信网数据链路层研究王季煜,朱敏f1.中国科学院声学研究研究所,北京100190:2.中国科学院研究生院,北京100190)摘要:简要介绍了水声通信网的研究现状以及常用的组网方式,比较了几种可实际应用的数据链路层协议,在此基础上提出了一种适用于区域性海洋观测的混合型网络协议,进行了仿真研究.该协议通过记录网络中数据包的发送频率来动态地调整所使用的MAC(MediaAccessContro1)协议,当频率较高时选择查询方式的MAC
2、协议,减少数据包的冲突;当频率较低时选择MACAW(MediaAccesswithCollisionAvoidanceforWireless),避免查询信号带来的额外开销.仿真结果表明,对于区域性海洋观测,这种包产生速率低,但可能出现短时间通信量大的应用情况,该协议可以有效地降低每bit的能耗,适用于长时间海洋观测.关键词:水声通信网:网络协议;数据链路层协议;查询方式中图分类号:TN911.7文献标识码:A文章编号:10003630(2011)一04.0373.06DOI编码:10.3969.issnl0003630.2011.04.016AstudyandsimulationOfdatal
3、inklayerprotocolsf0runderwateracousticnetworksOfareamonitoringrANGJiyu,ZHUMin(1.Imt#uofAcoustics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;2.GraduateuniversiofChineseAcademyofSdencBeijing100190China)Abstract:Currentstatusofunderwateracousticsnetworksandnetworkingtechniquesareintroduced.Somedatali
4、nklayerprotocolsarecomparedandajointprotocolisproposedinthisbasewhichisdesignedforareamonitoring.Inthisjointprotocol,packetsendingfrequencyisrecordtohelptoselecttheMACalgorithmdynamically.Whenthepacketgeneratefrequencyishigh,inquirymodeisselectedtoavoidpacketcollision,whileotherwise,MACAWisusedtored
5、ucetheoverheadintroducedbyinquirysigna1.Theseprotocolsaresimulatedandtheresultsshowthatthejointprotocolisapplicabletothebackgroundofareamonitoring,inwhichpacketsaregeneratedslowlybutexplosivelygeneratingmayappear.Thisprotocolcanreduceenergyconsumptionperbiteffectively.Keywords:underwateracousticnetw
6、ork;networkingprotocol;MAClayer;inquirymode0引言随着海洋科学和海洋开发的发展,水声通信网络近年成为研究的前沿和热点,美国,欧洲等发达国家及许多跨国公司都投入了巨大的人力,物力,并取得了很大的进展.其中在海洋观测领域,欧盟支持的ACMEnet项目是一个长期地,实时进行沿海环境监测的水下通信网络,是一个对沿海大陆架和海洋气象进行监测的系统.在我国,中国科学院声学研究所承担十一五水声通信网项目,旨在建立一个能实际应用于区域性海洋观测的实际可运行的网络,并在前期进行一系列仿真实验,为以收稿日期:201009.16;修回日期:2010.12.25;基金项目:国
7、家863计划项目(2009AA093601)作者简介:王季煜(1984一),男,山西忻州人,博士研究生,研究方向为信息与信号处理.通讯作者:王季煜,E-mail:喇ywjwjy163.corrl后实际运作的水声通信网提供了理论指导.数据链路层协议的研究是水声通信网研究的重要部分.数据链路层协议与应用场景的匹配程度极大地影响水声网络的性能及寿命.由于水声信道的复杂性,不同的应用场景往往需要使用不同的通信协议,甚至相同的应用场景都需要根据实际情况不断地变换通信协议.另外各种协议对于通信的吞吐量,能耗,实时性等的偏重不同,不存在绝对的优劣之分.对于实际运行的通信网络,必须根据自身特点选用合适的协议,
8、力求建立一个切实可用,并能长期运行的网络.1水声通信网体系结构网络体系结构包括网络拓扑结构及分层协议的各个方面.在确定的应用背景下(物理层确定),体系结构选取的合理与否直接影响整个网络的性能.374声学技术2011年1.1水声通信网拓扑结构简介网络拓扑一般分为集中式,多跳中继式和分布式三种口.集中式拓扑结构中,一定区域内的节点分为一个簇.每个簇有一个中心节点,负责簇内节点通信的控制以及与其他簇的通信.其他的节点为子节点,负责实际的数据收集.这种拓扑结构充分利用节点间的优势,联合完成通信任务.多跳式拓扑结构中,各节点在通信中的地位相同,没有像集中式拓扑结构中那样的中心控制节点,节点问的通信依靠中
9、间节点的转发.与集中式拓扑结构相比,多跳式结构允许信息的远距离传输,并且不会因为个别节点的失效导致整个网络的瘫痪,具有很强的鲁棒性.分布式拓扑结构中,所有的节点间都建立了通信通道,远距离的节点可以直接通信,大大降低了网络的延迟,而且拥有比多跳式更强的鲁棒性.但由于其能耗较高,冲突概率大,所以一般不应用于实际的水声通信网络建设中.1.2数据链路层MAC协议具体介绍水声通信网络中的协议设计不同于无线网络,主要分为物理层,数据链路层MAC协议以及网络层路由协议,其中MAC层保证点到点通信的正确性,在集中式分布的区域性海洋观测网络中起到最为重要的作用.根据是否预先分配信道资源,MAC协议分为基于调度方
10、式和基于竞争方式两种.(1)基于调度方式的协议采用基于调度方式协议的网络,通常包含一个主控节点,按一定规则集中控制网络的整体或者局部信道资源以及节点资源的分配,避免节点间相互干扰.在无线通信中,基于调度的协议算法主要是TDMA(TimeDivisionMultipleAddress).但TDMA的通信方式要求精确的时钟同步,这一要求在声速低,信道变化剧烈的海洋中很难满足,从而极大地限制了TDMA在水声信道中的应用.本文中论述的查询方式的通信协议也是基于调度方式的通信协议的一种.在此协议中,中心节点定期发出查询信息ASK信号,轮询各个子节点,如果子节点有包要发送,则发送该数据包DATA,在数据包
11、发送完毕后发送结束信息ENDSIGNAL通知中心节点.中心节点接收到子节点发送的结束信息后,统计接收到来自该节点的包,将此信息放入对下一个节点的ASK包中.所以下一个节点的ASK包同时也是对上一个节点的确认包.为了兼顾节点通信的公平性,设定当某个节点发送包个数大于给定值N时就停止发送数据包,并发送一个ENDSIGNAL信号给中心节点,等待下一次询问信号的到来.N值的选取根据网络对数据包实时性的要求而定(2)基于竞争方式的协议水声通信中基于竞争方式的协议主要有CSMA,ALOHA,MACA,MACAW及FAMA等.在CSMA的协议中,如果某个节点有数据包要发送,则先监听信道,如果此时信道忙,则以
12、一定的算法进行回退,并在回退时间到达时再次监听信道,直到信号处于空闲,然后开始发包.但在水声通信中,半双工的硬件设备的限制及通信中隐终端的问题,使得这种协议并不适用.ALOHA协议与CSMA协议相比,没有了监听信道的过程.如果节点有包要发送,则直接发送数据包,而不管信道中是否已经有其他节点在通信.基于ALOHA协议的特点是控制简单,开销小.但在节点数目较多,各节点数据产生较频繁的情形下,这种方式不可避免地会产生大量的冲突,增加了网络的通信时延及能耗.海洋观测中,当环境变化剧烈时,各节点往往同时产生大量数据,在这种情况下,ALOHA方式并不适用.但通过与多址接入技术的联合,ALOHA的缺点可得到
13、有效的缓解.MACA方式是一种基于握手协议的接入协议,是对CSMA的一种改进,也是基于竞争方式协议的一种.节点在发送用户数据之前,首先向对方发送RTS帧,帧中包含将要发送的分组的长度.当接收站收到RTS后,回送一个捎带长度信息的CTS帧.收到RTS的其他节点要延迟一段时间,以保证发送节点能够接收并响应CTS分组.听到CTS的节点,知道在它通信范围内有节点要接收某种长度的分组,通过实施退避算法延迟发送来避免冲突.发送站只有在收到对方回送的CTS后才能发送数据,如果没有收到CTS,则认为RTS因为冲突被破坏,然后执行二进制指数退避算法,延迟重发RTS.MACAW是在MACA方式的基础上增加了接收方
14、对发送方的ACK反馈信号,整个流程变为RTS.CTSDAACK.MACAW协议可以在一定程度上解决通信中的显终端和隐终端问题,但不能彻底消除隐终端问题的影响,尤其是当一个邻居节点较近,而另一个邻居节点较远时.如图1所示,节点8有两个邻居第4期王季煜等:区域性海洋观测水声通信网数据链路层研究375节点和C,并且节点离较近,C节点离节点较远.和C互为隐终端,即他们各自的包不能被对方监测到.按照传统的MACAW的方法,在接到来自A的RTS后立即发送确认信号CTS.A在接到来自B的CTS之后立即发送数据信号DATA,但此时对的CTS信号还未到达C.如果在这一期间C有包要发送给,则会直接发送RTS信号.
15、这样到的DATA信号就有可能与C到的RTS信号发生冲突,导致和C的重发,并且由于与C互为隐终端,重发的信号仍然会发生冲突,最终导致,C与的通信失败.ABC图1MACAW的隐终端问题Fig.1HiddenterminalsproblemofMACAW为了解决MACAW协议隐终端的问题,在FAMA方式中,引入了对RTS和CTS长度的限制.RTS长度要大于最大的传播时延;CTS长度应该大于RTS长度+两倍的最大时延+发送时延.这样在节点发送DATA之前,C节点有足够的时间监听到给的CTS信号,从而采取相应的回退措施,防止冲突的发生.但FAMA方式下RTS和CTS长度急剧增大,导致能量的浪费,所以传统
16、的FAMA方式不适合应用到水声通信网中.为了克服MACAW的隐终端问题,本文中使用改进了的MACAW方式(后面直接称为MACAW方式).考虑到集中式拓扑结构中,使用MACAW时,其他节点回退主要参考中心节点的CTS信号,为了避免出现近的邻节点和远的邻节点间的隐终端问题,控制子节点发送DATA信号的时间,保证最远的节点收到CTS信号后才开始发送DATA信号.与FAMA方式相比,这种方式的通信包冲突概率要大,但握手包的长度不需要加长,花费在握手上的能量比例小,网络延时较小,比典型的MACAW方式的点到点通信延时仅多最远节点到中心节点的传输时间一通信节点到中心节点的传输时间.另外,本文中使用的MAC
17、AW协议还利用了粗略的时间同步技术.每个包中都包含通信的结束时间,用以通知其他节点回退.由于通信中留有较大的余量,所以节点之间的时间同步不需要非常精确,进行长期的海洋观测时,可以设定1个月同步一次,甚至更久.同步的设定由中心节点统一控制,并充分利用各节点的地理位置信息.2实验背景介绍2.1实验所用体系结构介绍本实验仿真应用的大背景是区域性海洋观测,用于对特定区域内的水文,生物,化学,地震,地热,声学等多学科进行实时联合观测.其中,温度,压力,生物,化学等方面的数据为主要的观测目标,在水声通信网工作的整个生命周期中都不断地采集此类信息.但此类信息更新速度要求低,产生数据的频度不高.另外一些类型的
18、数据,如海流,地震等为次要观测目标,数据产生时间短,但会在短时间内产生大量的数据包,并且往往是各节点同时产生数据.整个海洋观测系统采用的拓扑结构是集中式加多跳式的联合工作方式.在局部使用集中式结构收集数据,以簇为单位完成,并最终通过簇间通信将数据送到与水面通信的节点.本文研究的重点是簇内节点的联合工作.在节点布放后,假设簇内各节点的地理位置已知并基本不变.由2.2节中分析可知,在水声通信网中,实际可用的MAC层协议仅包括ALOHA,MACAW及一些改进了的基于调度的协议,如本文用到的查询类的协议.但ALOHA的接入方式,在海洋观测这种节点数目多,数据容易同时产生的网络中并不适用.尤其是考虑将本
19、文所论述的场景应用到整个通信网背景中时,节点间的干扰不仅包括簇内的,还包括相邻簇的.此时,ALOHA协议的能量效率将大大降低,不适于水声网络的长期使用.本文拟对改进的MACAW协议及查询方式的接入协议进行研究,对比两者在能量消耗上的差异,给出比较结果,提出一种MACAW与查询方式联合使用的协议,并给出协议的每bit能耗曲线,与单独的MACAW及查询协议进行对比f见图2),说明该协议的有效性.2.2实验参数设定为了体现多节点联合工作特性,本文的场景中设置1个中心节点和10个子节点(见图21.由于MACAW及查询方式的性能在很大程度上受到节点距离的影响,所以设定这10个子节点中包含5个近节点和5个
20、远节点,用以模拟水声通信中不同376声学技术Fig.2Topologyofthesimulation距离混合的场景.通过控制近远节点的距离,得到在各种距离情况下协议的能耗特性.近节点的最近距离>500m,远节点的最远距离<6000m.背景噪声设定为60dB,并且协议不考虑多用户同时通信,一旦有多个用户数据包同时到达时就认为接收失败.数据率设定为1024bps.包产生速率及包长度可变.为了可以统一进行能耗比较,必须保证目标节点的接收功率相同.充分利用节点的地理位置信息,根据衰减计算出所需发射功率.信号衰减按Thorp公式(1)计算.州+2.75?10厂+0.003(dB/km)在本文
21、研究的MACAW协议中,RTS,CTS及ACK信号的包长为88bit,留有足够的余量为以后更加复杂的控制信息服务.控制包及数据包中,都包含本轮通信的结束时间,节点在接收到给其他节点的数据包时获得这个时间,并实时更新,如果这个时间比当前时刻晚,就进入等待状态,等到通信结束再竞争信道.通信建立后,对CTS,DATA及ACK包的等待最大时间根据具体的地理位置进行设置.一旦超时就进入回退阶段,等待重发或丢弃包,回退时间为二进制指数倍的最大传播时间,指数m的最大值为节点总数N=10.=2(点到点最大传播时间)(2)回退完成后判断是否达到最大的重发次数(这里设定为5).如果re>M,则丢弃数据包,开
22、始发送新包,如果<则重发旧包.在询问方式的协议中,中心节点向子节点的询问信号ASK包长为32bit.查询节点从第一个子节点开始,依次向后并循环往复.子节点最大连续发包数N=5,等待超时设定为个包连续发送并被接收所需的时间且留有一定的余量.由于对下一个节点的询问包同时也是上一个节点的反馈包,所以ASK信号的发送能量要以相邻节点中较远的为标准.由于在海洋观测中,数据通信的实时性要求相对较弱,并且大部分时间数据量较少,网络延时较小,但由于要长期工作,对能量的要求较高,所以本实验研究的重点是每bit能耗.在通信中,节点消耗的主要能量用于信号发送,所以在仿真中,只考虑信号发送的能量,不考虑信号接收
23、的能量及节点软件运行的能量.通过将发射功率与每个包的发送时间相乘就可得到此包的发送能耗.节点本地累加所有包的发送能耗就可得到网络的运行能耗,此值除以成功发送的包的总比特数就得到每bit能耗.3仿真结果及分析3.1分析MACAW及查询方式下能耗随通信bit数的变化在MACAW和查询方式下,分别记录在连续工作较长时间的过程中,整个网络消耗总能量随成功通信的bit数的变化曲线,如图3和图4所示.图3显示的是MACAW协议下,产生包的问隔为5000s,网络连续工作300000s时的情况.其中虚线显示的是包长为256bit时能耗随成功发送bit数变化曲线,每bit能耗为O.0104J;实线显示的是包长为
24、1024bit时能耗随成功发送bit数的变化曲线,每bit能耗为0.0056J.图4显示的是查询协议下,产生包的间隔为5000s,网络连续工作300000s时的情况.其中虚线显示的是包长为256bit时能耗随成功发送bit数变化曲线,每bit能耗为0.1771J;实线显示的是包长为1024bit时能耗随成功发送bit数的变化曲线,每bit能耗为0.0472J.由图3,图4可以看到,不论是MACAW还是成功发送的数据量(bilxlO)图3MACAW产生包间隔为5000S,包长为256bit及1024bit时能耗随成功发送bit数变化Fig.3EnemyconsumptionperbitofMAC
25、AW,】l,in1packetsinterval5000Sandpacketlength256bitsand1024bits一lf)一疆第4期王季煜等:区域性海洋观测水声通信网数据链路层研究377百=:,煺成功发送的数槲锵/(bitx10)图4查询方式产生包间隔为5000S,包长为256bit及1024bit时能耗随成功发送bit数变化Fig4EnergyconsumptionperbitofQueryProtocolwimpacketsinterval5000sandpacketlength256bitsand1024bits查询的协议方式,当网络稳定后,能耗随成功发送bit数进行线性变化,
26、即每bit能耗接近定值.所以后面直接讨论每bit能耗的变化.3.2分析对比各种条件下使用MACAW和查询方式的每bit能耗对比在不同的包长,不同的产生包间隔下,MACAW和查询方式的每bit能量变化.图5中显示了在包长分别为256bit,512bit及1024bit情况下MACAW和查询方式协议每bit能耗M,/弋I一一2004O06008001000产生包的时间问隔,s图5MACAW与查询方式在不同包产生间隔下的每bit能耗Fig5EnergyconsumptionperbitofMACAWandQueryProtocolwithdifferentpacketinterval变化.可见,在M
27、ACAW协议下,每bit能耗几乎不随包产生间隔变化,维持一个相对稳定的值.但不同的包长对每bit能耗影响较大,包长为256bit时约为0.011J/bit,包长为512bit时约为0.008J/bit,包长为1024时约为0.006J/bit.包长较长时每bit能耗较小.原因主要是花费在握手协议上的开销比例较小,但随着包长进一步增加,每bit能耗不再减小,此时的能耗主要为发送数据包的能耗.在查询方式下,每bit能耗随着包产生间隔时间的增加进行线性增大,并且不同长度的包增加的速度不同,包长越短增加得越快.对比MACAW方式和查询方式发现,当包产生间隔较小时查询方式能获得较小的能耗,当包产生间隔增
28、大到一定程度时,使用MACAW方式更加合适.这是因为在中心节点和子节点的一次交互中,查询方式比MACAW方式使用了较少的协议开销(本次仿真中查询方式使用32+88bit,MACAW方式使用883bit),尤其是当包产生较频繁时,查询方式每次建立连接后发送不止1个包,而MACAW方式下每个包都要进行握手,并有冲突的发生,使得握手开销进一步增加.当包产生间隔较大时,为了保证数据能相对实时的传输(实际观测中,地震信号在地壳活动期间会产生大量的包,且需要将数据及时地反馈给海面及陆地的观测站),查询方式下仍然需要不停地对各个节点进行轮询,而此时各个节点没有数据包要传输,就会有大量的能量浪费在查询的开销上
29、.但此时MACAW方式并不会引入额外的开销,数据量减少反而减小了包冲突的概率,增加了能量的利用率.为了考察节点布放范围对通信网性能的影响,调整近节点和远节点的距离,得到不同位置处的每bit能耗的变化曲线.由上面考察的结果知道,查询方式及MACAW方式下,每bit能耗随包产生的间隔按照线性变化,所以,只需要考察两个包产生间表1不同距离下MACA与查询方式选择临界点TableICrosspointsofMACAWandQueryProtocolindifferentdistance善竺要瑟巫壁堕堕5O5O5O5O332OlOOOO2O0OOOOOOOOq,f涩lIq378声学技术2011往隔50S
30、及1000S时的每bit能耗就能知道所有包产生间隔时的情况,结果如表1所示.表中第一行表示远节点与中心节点的距离,第一列为近节点与中心节点的距离,单位是1TI.相应表项中的值表示当MACAW方式和查询方式具有相同的每bit能耗时的包产生间隔,单位是s.由表1发现,MACAW及查询方式每bit能耗的相对优劣与节点距离有关.随着距离的增加,这个交界点逐渐增大.3_3适用于区域-I生海洋观测水声通信网协议的提出及性能比较基于以上MACAW及查询方式下,水声通信网每bit能耗的特点,本文将两种协议结合,提出一种适用于区域性海洋观测通信网的协议.本协议中,在包产生较少时,使用MACAW的方式,当包产生频
31、繁时(地震信息的产生),经过簇问的交互,协议转换为查询方式.当包产生减少时,再次经过簇间的交互,协议转换为MACAW方式.簇内子节点设置计数器,记录一段时间内的包平均产生间隔,如果此间隔小于表1对应的数据时,就在发送的DATA包的相应位置1.中心节点在收到DATA数据包时,获得该位数据,并记录该位为1的包的个数,并取一定时间的平均值,当这个平均值超过阈值K1时,就设置一个协议转换的时间,在CTS信号的相应位放入转换的信号,通知所有的子节点协议的转变时限,收到这个CTS信号的节点完成当前的数据包发送后进入等待状态,等待中心节点查询信号的到达.时刻时,中心节点开始发送查询信号,对各子节点进行轮询,
32、进入查询协议阶段.当子节点记录包产生平均时间间隔大于表1相应的数据时就在DATA数据的相应位置0,中心节点统计该值,当这个平均值超过K2时,在查询信号的相应位置位,并设置相应的时间,由于事先设置每个子节点的最大发包个数,所以可以推算出一轮查询使用的最长时间,从而可以设置定时,当这个定时到时,各子节点开始竞争信号,进入MACAW协议模式.由于之前的仿真中,命令控制数据包留有足够的空问,所以,混合协议不会引入额外的协议开销.为了防止短时间包产生频率带来的变化,设置KI<K2.图6显示的是包长为1024bit时使用混合协议的每bit能耗的性能曲线.这种协议在不同的情况下都能取到两种协议中能耗较
33、小的值,适合实际的水声通信网的应用.16一l4避l2交lo栏8蛋642lo03005oo700900l1o0l30o产生包的时间闻隔,S图6包长为1024bit时,三种协议每bit能耗比较Fig.6Comparisonofthreeprotocolswimpacketlength1024bits4结论本文描述了水声通信网的体系结构,重点介绍了数据链路层的几种协议,并对其在水声通信网中的适用性进行了讨论,最终选择可以实际应用于区域性海洋观测的水声通信网的两种协议MACAW及查询方式协议进行比较,并进行了OPNET仿真,给出了两种协议的应用条件.最终提出了混合型协议,描述了混合型协议中MACAW方
34、式和查询方式的转换方式,为以后海试奠定了理论基础.参考文献1应可珍,陈庆章.关于水基网的设想:概念,相关技术和研究热点J微机发展,2003,13(z2):121-122.YINGKezhen,CHENQingzhang,Suppositionofwaterbasednetwork:concept,correlativetechnology,andstuayhotspotsJ】MicrocomputerDevelopment,2003,13(Z2):121-122.2孙桂芝,桑恩方,王开玉.水声通信网数据链路层协议仿真研究J.声学技术,2006,25(2),150-153.SUNGuizhi.S
35、ANGEnng.NGKaiyu.SimulationofdatalinklayerprotocolsforunderwateracousticnetworksJ1.Technica1Acoustics,2006,25(2):150153.31SozerEM,StojanovicM,ProakisJG.UnderwateracousticnetworksJ.IEEEJournalofOceanicEngineering,2000,25(1):72.83.4AkyildizIEPompiliD,MelodiaTUnderwateracousticsensorNetworks:ResearchCha
36、1Ienges【J1.AdHocNetworks(Elsevier),2005,3(3),257.279.f51MolhasM,StojanovicM.SlottedFAMA:aMACprotocolforunderwateracousticnetworksa/Proc.MTS/IEEEConferenceandExhibitionforOceanEngineering,Boston,2006.【61StojanovicM.OntherelationshipbetweencapacityanddistanceinanunderwateracousticcommunicationchannelC/WUWNet06Proceedingsofthe1stACMinternationalworkshoponUnderwaternetworks,2006