摘  要： 鑒于水下傳感網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)時(shí)延、低帶寬的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)有效的水下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸協(xié)議很有必要。提出一種樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)合基于競(jìng)爭(zhēng)和基于分配兩種模式的混合策略，減少了水聲通信中的握手次數(shù)，即減少了RTS/CTS請(qǐng)求的發(fā)送次數(shù)，利用組播、LRU預(yù)留時(shí)間策略提高了傳輸效率，整合了網(wǎng)絡(luò)通信中ACK包和數(shù)據(jù)包的發(fā)送，既能使所有節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)自由通信，又能提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、節(jié)約能耗。

　　關(guān)鍵詞： 水聲傳感網(wǎng)絡(luò)；組播；加密；延長(zhǎng)階段；保留時(shí)間

0 引言

　　如今“智慧城市”、“智慧港口”、“智慧家居”等概念不斷提出并完善，其中無(wú)線通信技術(shù)作為一條核心紐帶聯(lián)通了客戶與無(wú)線設(shè)備，陸地?zé)o線通信技術(shù)的成熟，帶動(dòng)了水下無(wú)線傳感技術(shù)的發(fā)展。無(wú)線傳感技術(shù)在海洋環(huán)境檢測(cè)、海底礦物探測(cè)、海洋水下搜尋、海洋數(shù)據(jù)采集、水下機(jī)器人作業(yè)任務(wù)中都起到重要的作用。

　　水聲通信是目前水下傳感技術(shù)的主要方式，存在傳播時(shí)延長(zhǎng)、帶寬有限這兩個(gè)主要不足，除此之外，流動(dòng)性、水流速度、水的混濁程度等都對(duì)通信能力造成影響，使得水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的吞吐量變低、誤碼率變高、通信質(zhì)量下降。水聲通信協(xié)議的研究旨在通過(guò)協(xié)議避免沖突的發(fā)生，提高通信效率，節(jié)約通信能量。水聲通信協(xié)議與陸地?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)一樣，主要分為基于競(jìng)爭(zhēng)和基于分配的兩大類。

　　參考文獻(xiàn)[1]是基于樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，該協(xié)議引入了馬爾可夫決策過(guò)程，使每個(gè)子節(jié)點(diǎn)通過(guò)馬爾可夫決策過(guò)程決定下一次傳輸需要的傳送時(shí)長(zhǎng)，發(fā)出請(qǐng)求，父節(jié)點(diǎn)結(jié)合自身時(shí)間片和子節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求安排合理的傳送時(shí)間和時(shí)長(zhǎng)，子節(jié)點(diǎn)分配進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，均衡節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到平衡。ROSS[2]也是一個(gè)在樹(shù)形分層拓?fù)渲性O(shè)計(jì)的協(xié)議，通過(guò)引入睡眠模式實(shí)現(xiàn)節(jié)能，利用自上而下的時(shí)間片決策確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳送時(shí)間片，時(shí)間片決策達(dá)到平衡后，每個(gè)周期按照平衡時(shí)的狀態(tài)循環(huán)工作。ROSS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便易懂，缺點(diǎn)是協(xié)議的環(huán)境是完全靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法動(dòng)態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，在ROSS協(xié)議中，也沒(méi)有采用ACK應(yīng)答機(jī)制。但此協(xié)議減少了握手次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效果。這兩個(gè)協(xié)議作為樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)的典型代表，都只是實(shí)現(xiàn)了單向傳輸，無(wú)法實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信。

　　S-FAMA[3]、ST-MAC[4]、ESC[5]、R-MAC[6]等協(xié)議也都在水聲通信環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的效果，其中S-FAMA著力解決了隱藏終端的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)RTS/CTS設(shè)置保留時(shí)間，達(dá)到避免隱藏終端沖突的問(wèn)題。這些協(xié)議大都允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自由通信，頻繁的握手使得需要在耗能方面做出妥協(xié)。

1 相關(guān)分析

　　在樹(shù)形拓?fù)渲?，要?shí)現(xiàn)一個(gè)簇集的簇內(nèi)通信，經(jīng)過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中增加一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，稱這個(gè)節(jié)點(diǎn)為內(nèi)簇首節(jié)點(diǎn)，原來(lái)的簇首稱作外簇首節(jié)點(diǎn)，分別利用不同的簇首進(jìn)行簇內(nèi)和簇外通信，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　協(xié)議Ordered-CSMA[7]中提出，無(wú)線傳感信號(hào)是同心圓狀的發(fā)射波，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在向其中遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)發(fā)送完信息后，不需要等待其接收完畢，即可向近端節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)。如圖2所示，AB的距離小于AC的距離，A節(jié)點(diǎn)可以先向C節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，A節(jié)點(diǎn)發(fā)送完后，不需要等待C節(jié)點(diǎn)接收完數(shù)據(jù)信息，可以緊接著向B節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，兩部分?jǐn)?shù)據(jù)可以同時(shí)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)而不發(fā)生沖突，比傳統(tǒng)收到確認(rèn)信息后再次發(fā)出要節(jié)省時(shí)間。

　　利用這個(gè)特征，在子節(jié)點(diǎn)發(fā)出外部通信數(shù)據(jù)后，緊跟著發(fā)送內(nèi)部通信的數(shù)據(jù)，內(nèi)簇首負(fù)責(zé)接收內(nèi)部通信的數(shù)據(jù)，而外簇首負(fù)責(zé)接收需要發(fā)送到簇外和匯聚節(jié)點(diǎn)的信息，同理，內(nèi)外簇首任何一個(gè)可以先發(fā)送信息，當(dāng)另一個(gè)探測(cè)到信息發(fā)送完后可以緊接著發(fā)出自己的信息。內(nèi)節(jié)點(diǎn)需要協(xié)調(diào)多個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的信息，假設(shè)每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的信息單獨(dú)傳送，需要多次握手協(xié)商、傳送，這里采用組播方式，所有簇內(nèi)子節(jié)點(diǎn)接收同一個(gè)信息包，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的信息分別留取和分析屬于自己的數(shù)據(jù)段，但是存在多個(gè)子節(jié)點(diǎn)給同一個(gè)兄弟節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的情況，內(nèi)簇首需要對(duì)接收到的信息進(jìn)行整合，把目的地址相同的數(shù)據(jù)整合在同一數(shù)據(jù)段發(fā)送?？紤]到信息安全問(wèn)題，后面需要論述加密機(jī)制。

　　在水下環(huán)境中，通信節(jié)點(diǎn)具有時(shí)空流動(dòng)性，節(jié)點(diǎn)與簇首節(jié)點(diǎn)間的距離容易出現(xiàn)變動(dòng)，就使得節(jié)點(diǎn)與簇首節(jié)點(diǎn)間的距離存在不確定性。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，讓兩個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)位置上無(wú)限靠近，在時(shí)間上采取相鄰發(fā)送，取極限狀態(tài)，采用同一個(gè)簇首來(lái)完成內(nèi)外信息的交互，如圖3所示即是最終采用的簇結(jié)構(gòu)。

2 協(xié)議設(shè)計(jì)

　　根據(jù)ROSS和Z-MAC[8]的沖突避免機(jī)制，如圖4所示，本協(xié)議在RTS/CTS初始化階段，簡(jiǎn)單地采用自上而下的交叉的TDMA有序分配，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配發(fā)送RTS請(qǐng)求的時(shí)間片，分配完成后，在以后每個(gè)發(fā)送周期中都固定不變。每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS包申請(qǐng)時(shí)間片時(shí)，只能在其分配好的RTS申請(qǐng)時(shí)間點(diǎn)發(fā)送RTS包。簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)具體的子節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)間的距離，合理分配數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間片。

　　考慮到信息傳輸?shù)陌踩裕诰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)初始化時(shí)，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)都需要把自己的公有密鑰發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間建立非對(duì)稱加密算法，目的是在內(nèi)部通信階段，簇首節(jié)點(diǎn)針對(duì)不同子節(jié)點(diǎn)的信息，利用其公鑰進(jìn)行加密，每個(gè)收到信息的子節(jié)點(diǎn)通過(guò)自己的私鑰對(duì)信息進(jìn)行解密，避免了節(jié)點(diǎn)惡意獲取其他節(jié)點(diǎn)信息。

　　數(shù)據(jù)包的格式如圖5所示。在這種數(shù)據(jù)包格式下，在包頭標(biāo)記中，需要表明每個(gè)節(jié)點(diǎn)的順序，而且包含了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，方便獲取屬于自己的數(shù)據(jù)段。其中，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)信息經(jīng)過(guò)整理，包含了多個(gè)發(fā)送方的數(shù)據(jù)和標(biāo)記信息等。

　　其中，Distart表示屬于第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的物理起始位置，Ltag是包頭標(biāo)記信息的長(zhǎng)度，Lj、Li表示第j個(gè)和第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，相應(yīng)的Diend表示第i節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)束位置。

　　本協(xié)議只為發(fā)送RTS請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)分配數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間片，其他時(shí)間處于睡眠狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的同時(shí)減少握手的能耗，采用預(yù)留時(shí)間片機(jī)制。與協(xié)議S-FAMA[3]和CSMA/CA中預(yù)留時(shí)間的概念不同，本協(xié)議采用的預(yù)留時(shí)間片策略，將橫向擴(kuò)展改為縱向擴(kuò)展，即預(yù)留的時(shí)間不是在本次的傳輸時(shí)長(zhǎng)上延長(zhǎng)，而是在次數(shù)上進(jìn)行預(yù)留。在這個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，如果子節(jié)點(diǎn)B向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求并得到了許可，在接下來(lái)的n個(gè)時(shí)間周期中，默認(rèn)節(jié)點(diǎn)B不需要再次發(fā)送請(qǐng)求就可以直接進(jìn)行傳輸，稱B節(jié)點(diǎn)處于延長(zhǎng)階段。只是簇首節(jié)點(diǎn)還要在RTS/CTS階段進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，而子節(jié)點(diǎn)在未收到時(shí)間片終結(jié)信號(hào)的情況下，可以處于睡眠狀態(tài)。

　　有新的節(jié)點(diǎn)發(fā)出傳輸請(qǐng)求時(shí)，采用內(nèi)存管理中用到的經(jīng)典算法——LRU算法。LRU（Least Recently Used），最近最久未使用算法，在內(nèi)存分配時(shí)，因?yàn)閮?nèi)存空間有限，一些資源不方便一次性全部調(diào)入內(nèi)存中，LRU算法把內(nèi)存中距離現(xiàn)在最長(zhǎng)時(shí)間未使用的資源空間替換為接下來(lái)需要用到的新的資源，以剔除掉最沒(méi)有可能傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)。

　　具體優(yōu)先級(jí)別規(guī)定如下：

　　Pidle>Pextend>Pfirst（3）

　　其中，Pidle是空閑階段優(yōu)先級(jí)，Pextend是延長(zhǎng)階段的優(yōu)先級(jí)，Pfirst表示首次正常傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。當(dāng)對(duì)比的優(yōu)先級(jí)相同時(shí)，需要看節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)連接的順序，最早申請(qǐng)連接的節(jié)點(diǎn)具有最高優(yōu)先級(jí)，最容易被替換。

　　實(shí)現(xiàn)算法的偽代碼如下：

　　while( requet[i])

　　if (idletime) Calculate the right time;

　　else{For(j=0;j<N;j++)

　　switch nodestate[j]{

　　case Wtnoda:{wtnoda[a++]=j;break;}

　　case Wtinda:{wtinda[b++]=j;break;}

　　case Firrch:{firrch[c++]=j;break;}}

　　if(wtnoda[a])

　　{get first request x from wtnoda[a];

　　exchange=wtnoda[x];}

　　else if(wtinda[b])

　　{get first request x from wtinda[b];

　　exchange=wtinda[x];}

　　else {Get request x from firrch[c];

　　exchange=firrch[x];}

　　calculate the right time;}

　　Confirm(i);

　　Finish(exchange);

　　}

　　for( i=1;i<n && finish(i) == 0;i++)

　　Wait for the signal from the node in it′s time;

　　如圖6，B點(diǎn)發(fā)送了新的數(shù)據(jù)連接請(qǐng)求，簇首節(jié)點(diǎn)A在檢索自己的接收時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有合適的空閑時(shí)間分配給B節(jié)點(diǎn)，D節(jié)點(diǎn)正處于延長(zhǎng)階段，而D節(jié)點(diǎn)在本周期沒(méi)有發(fā)送數(shù)據(jù)，簇首節(jié)點(diǎn)只能處于空等狀態(tài)。A節(jié)點(diǎn)檢索對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，可以把D節(jié)點(diǎn)的時(shí)間段經(jīng)過(guò)調(diào)整分配給B節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。A節(jié)點(diǎn)在接下來(lái)進(jìn)行組播，要在給D節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包中說(shuō)明下個(gè)階段開(kāi)始斷開(kāi)其連接，而在給B節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中，說(shuō)明給B節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)的傳送時(shí)間。

　　總結(jié)本協(xié)議的特點(diǎn)，首先協(xié)議基于樹(shù)形分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信息交換分區(qū)域聚合，在小區(qū)域內(nèi)達(dá)到較高的通信效率，對(duì)LEACH協(xié)議和ROSS協(xié)議經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)相互通信的要求；利用簇首和子節(jié)點(diǎn)把簇內(nèi)通信信息和簇外通信信息進(jìn)行整合，簇首的加密組播模式避免了信號(hào)沖突、重復(fù)多次握手的耗能浪費(fèi)；傳輸階段舍棄了ROSS中完全靜態(tài)的任務(wù)循環(huán)重復(fù)模式，采用預(yù)留時(shí)間片模式，在盡量減少握手的情況下，保持網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的高效通信。協(xié)議中用到了LRU算法，定義協(xié)議名稱為L(zhǎng)RU-MAC。

3 模擬對(duì)比

　　在MATLAB中用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證協(xié)議的效果，對(duì)比R-MAC和ROSS的模擬環(huán)境，將一個(gè)數(shù)據(jù)包仿真的接收消耗、發(fā)送消耗和睡眠消耗分別設(shè)定為13 mW、24 mW和15 ?滋W，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)幀的速率為1 000 kb/s，水聲傳播速度為1 500 m/s。RTS包包含請(qǐng)求地址、位置信息等，大小為100 bit，數(shù)據(jù)幀大小為2 000 bit，每個(gè)周期為200 ms。

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，首先確定LRU算法中n的合適數(shù)值。經(jīng)對(duì)比，網(wǎng)絡(luò)平均耗能和網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面的性能會(huì)隨著n值的增大而提高，這是因?yàn)閚值變大，協(xié)議中平均的RTS請(qǐng)求變少，平均握手次數(shù)減少，使得耗能和吞吐量開(kāi)始變優(yōu)。但當(dāng)n值過(guò)大時(shí)會(huì)造成LRU算法頻繁置換，耗能和吞吐量方面的性能反而會(huì)下降，如圖7、圖8所示，可以看到在模擬環(huán)境中，當(dāng)n取值為4時(shí)，吞吐量和網(wǎng)絡(luò)耗能處于最佳狀態(tài)。

　　本協(xié)議通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，在吞吐量和能耗方面與R-MAC和ROSS兩個(gè)協(xié)議作了對(duì)比。ROSS只是在靜態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，在能耗上是省去了每個(gè)周期發(fā)送RTS和ACK包的能耗，但其無(wú)法實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信，在功能全面的協(xié)議中，本協(xié)議在平均吞吐量和能耗上有明顯的改進(jìn)。具體對(duì)比如圖9、圖10所示。

　　圖9中，R-MAC初始化網(wǎng)絡(luò)不需要所有的節(jié)點(diǎn)都發(fā)送初始化數(shù)據(jù)包，初始組網(wǎng)耗能相對(duì)于ROSS和LRU-MAC較少，而ROSS和LRU-MAC的初始化是相似的，子節(jié)點(diǎn)都需要向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，耗能都比R-MAC高。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大，R-MAC需要頻繁地進(jìn)行握手、避免沖突、探測(cè)信道，耗能迅速上升并超過(guò)其他兩個(gè)協(xié)議，而ROSS作為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)不需要再次握手，能耗相對(duì)平穩(wěn)。LRU-MAC需要偶爾握手，它的耗能雖然比ROSS高，但比可以自由通信的同類協(xié)議R-MAC要節(jié)約耗能。

　　本協(xié)議結(jié)合無(wú)線信號(hào)同方向依次傳播不會(huì)發(fā)生碰撞的特性，采用組播、LRU預(yù)留時(shí)間片策略，在吞吐量和耗能方面進(jìn)行了優(yōu)化。LRU-MAC協(xié)議減少了每次單獨(dú)發(fā)送RTS和ACK包的負(fù)載，在平均吞吐量方面對(duì)比于ROSS、R-MAC協(xié)議都有很大的提升，在能耗方面明顯比R-MAC要優(yōu)秀，雖然ROSS平均能耗較小，但本協(xié)議在簇首節(jié)點(diǎn)傳輸給子節(jié)點(diǎn)的信息中整合了ACK包，減小了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。

4 結(jié)論

　　本文提出并設(shè)計(jì)了一種新的LRU-MAC協(xié)議，該協(xié)議結(jié)合傳統(tǒng)水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和典型的樹(shù)形分層拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)各取所長(zhǎng)設(shè)計(jì)而成，在總體上以減少節(jié)點(diǎn)間的握手次數(shù)、空閑時(shí)間休眠為手段，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證明新的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量和平均耗能方面都有改進(jìn)，表現(xiàn)良好，最重要的一點(diǎn)是，本協(xié)議突破了傳統(tǒng)樹(shù)形分層拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)只單向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了簇內(nèi)和簇外傳輸。

　　但是本協(xié)議也存在一些弊端需要克服，比如簇首節(jié)點(diǎn)的負(fù)載要比普通子節(jié)點(diǎn)高很多，容易造成簇首節(jié)點(diǎn)比子節(jié)點(diǎn)提早完成壽命，這個(gè)問(wèn)題在參考文獻(xiàn)[9]中提出了一種解決方法，簇首節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)制也較為復(fù)雜，這些問(wèn)題還要進(jìn)一步解決。

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