文章编号：１００２—８６８４（２０１０）０３—００６７－０５　通信电声　＠⑥口网口诵凹响６＠囿锄⑥响匡０＠＠　０，⑨　面　

水声通信网络介质访问控制协议的　

设计与仿真术　

韩　晶，黄建国，钟永信　（西北工业大学航海学院，陕西西安７１００７２）　・论文・　

【摘　要】采用ＯＰＮＥＴ平台对水声通信网络节点模型与介质访问控制协议进行了设计与实现，并重点研究建立了　基于忙时间改进网络分配向量帧冲突处理机制的水声通信网络协议——ＵＭＡＣＡＷ。同时建立并测试了包含１个主　节点与４个传感器节点的水声通信网络。仿真结果表明，ＭＡＣ层采用ＵＭＡＣＡＷ协议能更好地克服冲突，减少节点　间端对端传输延时，从而获得更高水声通信网络的吞吐量。　

【关键词】水声通信网络；介质访问控制协议；网络分配向量；延时容忍网络　【中图分类号】ＴＮ９２９．３　【文献标识码】Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ＭＡＣ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ＨＡＮ　Ｊｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｊｉａｎ－ｇｕｏ，ＺＨＯＮＧ　Ｙｏｎｇ－ｘｉｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００７２，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔａｃｔｉｃａｌ　ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ，ｂｕｔ　ｉｔｓ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｄｅｇｒａｄｅｄ　ｓｅｖｅｒｅｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｅｌａｙ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｈａｎｎｅ１．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｎｏｄｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏ１）ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ａｌｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ＯＰＮＥＴ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｗｈｉｌｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ＮＡＶ（Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　Ｖｅｃｔｏｒ）ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｂｕｓｙ　

ｄｕｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＵＭＡＣＡＷ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ．Ａｎ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ　ｏｆ　１　ｍａｓｔｅｒ　ｎｏｄｅ　ａｎｄ　４　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅｓ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＵＭＡＣＡＷ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＭＡＣ　ｌａｙｅｒ，ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｕｌｄ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｅｎｄ－－ｔｏ－－ｅｎｄ　ｄｅｌａｙｓ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｌａｒｇｅｒ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｓ　ａｒｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ＮＡＶ；ｄｅｌａｙ　ｔｏｌｅｒａｎｔ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

１　引言　

水声通信技术经历了二十多年的发展．当前国际　

上对于点对点系统的研究已经比较广泛且相对成　

熟，通信数据率与可靠性得到了大幅度的提升。在此　

基础上，研究者开始进一步将点对点链路组合成网　

络，设计开发水声通信网络正逐渐成为领域内新的研　究热点Ｉｌ－２］。　

与空中无线通信网络类似，水声通信网络设计旨　

在研究拓扑结构与分层协议，为信道中多个网络节点　

建立通信链路，实现通信信息的协调高效传输。但是，　

受到水声信道特性的影响，水声信号在其中的传播速　

【基金项目】中国博士后科学基金项目（２００８０４４１１８３）　度仅为１　５００　ｒｉｄｓ，对应的传输延迟约为０．６７　ｓ／ｋｍ，相　

比于空中无线传输延迟高出５个数量级。这一方面将　

导致网络吞吐量显著下降，另一方面也使得用户信道　竞争变得更加复杂网。　

为克服水声信道延迟所带来的负面影响，必须合　

理优化设计水声通信网络的各层协议．尤其是介质访　

问控制（Ｍｅｄｉａ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＭＡＣ）协议，以实现在竞　

争用户间公平地分配信道资源，同时尽可能提高网络　

的吞吐量。针对这一问题，笔者研究分析了传统　ＭＡＣＡＷ类ＭＡＣ协议的具体限制．并在此基础上建立　

改进的水声通信网络协议——ＵＭＡＣＡＷ。此协议基于　改进的忙时间网络分配向量帧冲突处理机制．能够有　

堕妻熊垂型　圭蔓　堂蔓塑

塑团　，、通信电声　⑥　悯　响６＠囿瑚⑥响匡０＠＠　⑨囿＠⑨　瑚＠　

效地克服共享水声信道中的数据帧冲突，减少各通信　

节点间端对端传输延时，从而获得更高的水声通信网　

络吞吐量性能。　

２　水声通信网络ＭＡＣ协议　

ＭＡＣ协议设计是水声通信网络研究的一项重要　课题。最早的ＡＬＯＨＡ协议不检测信道状态，节点在产　

生数据时立即发送。适合于网络负载较低的情况，当网　

络负载增大时，由于数据冲突频繁，网络的利用率将会　降低；而ＣＳＭＡ协议通过对信道进行载波侦听来减少　

数据碰撞，但无法克服隐蔽终端和暴露终端的问题。相　

比而言，ＭＡＣＡＷ协议采用信道握手机制避免数据冲　

突　．当网络负载较大时，这一过程可以有效地减少数　

据重发次数，但ＭＡＣＡＷ协议额外的ＲＴＳ—ＣＴＳ握手增　

加了系统开销，特别是对于具有大延时特性的水声通　

信网络而言更是如此。　２．１　ＵＭＡＣＡＷ协议　考虑到水声信道的具体限制，ＵＭＡＣＡＷ协议对传　

统水声通信网络ＭＡＣ协议进行了相应的改进　，主要　

包括：　（１）为在快速时变水声信道中提高网络吞吐量，水　

声通信网络ＵＭＡＣＡＷ协议采用基于多帧确认方式的　

ＲＴＳ—ＣＴＳ—ＤＡＴＡ—ＡＣＫ信道握手机制，即一次握手期　

间允许多帧数据传输。　

（２）借助于物理层实现的多用户处理算法阎，水声　

通信网络节点有能力在发生数据包冲突时完成可靠接　收。为此。水声通信网络ＵＭＡＣＡＷ协议按照优先级或　

到达时间顺序对当前节点接收到的所有冲突数据帧进　

行排队并依次回复。通过这种方法可以减少节点因为　数据包重发所造成的传输延时以及能量消耗。　

（３）水声通信网络ＵＭＡＣＡＷ协议采用改进的基　

于忙时间的延时容忍（Ｄｅｌａｙ　Ｔｏｌｅｒａｎｔ）网络分配向量　

（Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　Ｖｅｃｔｏｒ，ＮＡＶ）进行信道预留，即发　送节点与目的节点对当前通信过程占用信道时间进行　

估计，并将其写入生成的控制帧与数据帧中以实现冲　

突避免。　

２．２基于忙时间的延时容忍ＮＡＶ机制　与８０２．１１空中无线网络不同，水声通信网络ＮＡＶ　

设置必须包含对节点通信信道传输时延的估计。不失　

一般性，考虑一个包含４节点的水声通信网络，其中节　

点Ａ．Ｂ为当前通信的接收发送端，节点Ｃ，Ｄ分别为节　

点Ａ，Ｂ的邻节点．此网络ＭＡＣ协议的信息交互图如　

国堕查熊煎　圭差　鲞蔓　塑　图１所示　。　

当Ａ，Ｂ两节点正处于握手通信周期时，为避免邻　节点同时发送数据而产生冲突，必须设置ＮＡＶ实现信　

道预留。例如，设节点Ａ，Ｂ间距为ｄ，受到水声信道延　

迟特性的影响．发送节点Ｂ的ＲＴＳ帧设置的信道预留　

时间　为　

＋Ｔｄ＝Ｌｍ＇ｓ＋Ｌｏｓ＋ＬＤＡＴＡ＋ＬＡｃＫ＋笪　（１）　ｒ　Ｃ　＝　＋７　＋　（２）　式中，信道预留时间　中第一项　为实际有效信息交　

互时间，在此称之为节点“忙时间”；第二项　为水声　信道延迟时间。　，　，　。ｍ和，ＪＡｃＫ分别代表ＲＴＳ，　

ＣＴＳ，ＤＡＴＡ和ＡＣＫ帧的长度；ｒ为系统通信数据率，。　

为水中声速。在水声信道条件下，由于信号传输的长延　迟．通常使节点忙时间远小于整个信道预留时间，即有　

Ｔｃ＜＜Ｔ，这将造成信道资源的极大浪费。邻节点Ｃ，Ｄ通　

过监听ＲＴＳ，ＣＴＳ帧中的ＮＡＶ信息延迟自身的数据发　

送，以避免同当前通信发生冲突。　

为解决此问题，笔者提出了一种基于忙时间的改　

进延时容忍ＮＡＶ机制【９＿。此机制的基本思想是设置　ＮＡＶ仅保留节点忙时问，而在节点等待信道延迟的空　

闲时间内允许与其他节点进行通信，从而最大程度地　

利用信道，其信息交互如图２所示　。　

例如，

节点Ｂ与Ａ通信产生的忙时间为　Ｔｓ＝　．Ｕ　（３）　

若同时节点Ｄ向节点Ｂ发送信息，则由节点Ｄ估　

计其在节点Ｂ上产生的忙时间　

ＴＤ＝ＴＤ．Ｕ　（４）　

可以得到节点Ｄ的发送条件为　

ｎ　（５）　式中，　表示空集，即只要节点的忙时间没有相互交　

叠，就能实现同时通信并避免冲突产生。否则节点　

Ｄ需进行退避，直到满足式（５）的发送条件才进行　发送。　

３　水声通信网络实现　

３．１节点模型　

典型的水声通信网络包括多种节点类型．如海底　

传感器、无人航行器、指控舰艇与海面网关节点等。各　

类型节点的功能虽不完全相同，但可采用相同的节点　

模型进行仿真。图３给出了基于ＯＰＮＥＴ的水声通信网　络的节点模型设计，其中包含８个功能模块。其中，数　

据包发生器（Ｐａｃｋｅｔ　Ｓｏｕｒｃｅ）与数据包接收器（Ｐａｃｋｅｔ　

Ｓｉｎｋ）模块负责模拟水声通信网络节点应用层的数据　生成与处理，可分别采用ＯＰＮＥＴ内置提供的　

ｓｉｍｐｌｅ—ｓｏｕｒｃｅ与ｓｉｎｋ进程模型。同时，通过设置发射机　

模块的“Ｐａｃｋｅｔ　Ｉｎｔｅｒａｒｒｉｖａｌ　Ｔｉｍｅ”与“Ｓｔａｒｔ　Ｔｉｍｅ”属性，　

可分别实现对水声通信网络的负载与起始运行时间进　通信电声　＠⑥　凹响６＠囿　６⑨闶匡０＠＠　妒＠　面　

行控制。网络层（Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｌａｙｅｒ）、介质访问控制层　

（ＭＡＣ　Ｌａｙｅｒ）与物理层（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｌａｙｅｒ）３个模块负责实　

现水声通信网络的三级分层协议。另外，发射机　（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）、接收机（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）与换能器（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）　

３个模块用以实现水声通信信道中网络数据的发送、　

传输与接收。具体来说，发射机与接收机模块用以进行　

信道各管道阶段的解算．换能器模块用以实现具有特　

定指向性的水声换能器（阵）。　

３．２　ＭＡＣ协议模型　

水声通信网络ＭＡＣ协议设计框架类似于ＯＰＮＥＴ　内置的无线局域网ｗｌａｎ＿ｍａｃ进程模型，对应的状态转　

移图如图４所示。　

妻鲢　型　生塑丝堂蔓　塑