论水声传感网MAC协议的研究的综述

随着海洋探索和海洋军事的快速发展,水声传感网的许多新应用,如环境数据的收集与整理、污染的检测与控制、灾难的预报与预防、水下能源如水下石油和天然气的探测与开发,以及日趋激烈的水下军事竞争等已成为各国竞争的焦点[1]。近年来对水声传感网的研究已成为通信系统研究的新热点之一。相比无线信道,水声信道所处的环境十分恶劣,其与无线通信在诸多方面有着明显的差异。首先,水声信号的传播速度大约在1 500 m/s,低于无线电波5个量级;其次,水声信道带宽十分有限,这导致了水声通信网的长传播时延和低比特率,从而给可靠、有效的通信协议的设计带来了巨大的挑战[2]。虽然水声通信近年来因受到高度重视,其发展极为迅速,已有很多关于水声传感器网络协议方面的探索,但是该领域起步较晚,其在实际应用中仍存在很多局限。例如,水下通信中因声学调制解调器使用的频率较低,严重限制了可用的带宽;由于多径衰落和长传播时延,使得水声信道严重受损,导致了其较高的误码比特率和经历临时的连通性损失;一旦水声传感器被部署便不能更换或者充电,这就要求节点的有效工作时间较长。为了克服上述问题,必须设计出合适的MAC协议。由于水声传感网与无线传感网的特性存在巨大差别,不能将比较成熟的无线传感网的MAC协议直接应用到水声传感网。虽然近年来对水声传感器网络的MAC协议已有一些研究,取得了一定成果。但是,对相关研究的总结较少。为此,本文拟对近年来MAC协议的最新研究成果进行总结、归纳,并分析目前存在的问题,展望未来该领域的研究方向,旨在为我们和同行今后的工作提供必要的参考。

1水声传感网MAC协议的研究现状

水声传感网是由布放在海底、海中的传感器节点和海面浮标节点以及它们之间的双向声链路组成的分布式、多节点、大面积的覆盖水下目标区域,可以对信息进行采集、处理、分类和压缩,并通过水下通信网节点以中继方式回传到岸基或船基的信息控制中心的综合系统。当前,对水声传感网的研究主要集中在点对点的水下通信,而对组织网络方面的研究较少。虽然水声传感器网络与无线传感器网络有许多相似之处,例如,它们在网络节点中都配置了感知组件、数据处理组件和通信组件,但由于它们的环境条件和通信媒介的不同,2种传感网络的性能存在很大差异,主要体现在传播时延、功耗、内存容量和空间的相关性等方面。因此,比较成熟的无线传感网的MAC协议不能直接用于水下水声传感网,这使得人们对水声传感网MAC协议的设计需求较为迫切。目前,海军在水下通信中采用的协议主要是基于避免冲突的载波检查多路接入协议(CSMA/CA),此协议主要靠RTS(requesttosend)/CTS(cleartosend)和数据包的交换来确保数据包的可靠传输。但是,由于水声传输的长时延性,使得CSMA/CA并不能较好地适应水声通信。随着数据量的增大,延迟会造成网络碰撞增多。因此,传统的RTS/CTS数据包交换机制并不适用于水声传感网。而且,在物理层水声传感网也没有相似于香农理论容限的测量依据[3]。目前,水声通信MAC协议的研究主要有2个方面,一是定义合适的水下MAC协议容量测量方法,另一个是对协议本身进行改造。由于水声传感网通信的可用带宽受限,传输时延较长,水下传感器电量有限,因此,水声传感器MAC协议的研究重点主要集中在传输时延和能量的消耗问题上。

水声传感网的MAC协议大体可分为2类:一类是基于非竞争的MAC协议,包括FDMA,CDMA,TDMA以及它们的改良协议;另一类是基于竞争的MAC协议,主要有基于信道预留和握手机制等,包括ALOHA,CSMA,MACA及其改良协议。

2 基于非竞争的MAC协议

基于非竞争的MAC协议是不允许任何碰撞的协议[4]。适用于无线传感网络的基于非竞争的MAC协议主要是致力于同步整个传感网,但推广到水声传感网中则不切实际。基于非竞争的MAC协议的主要目的是把一个传感网从一个随机状态转换到一个稳定的状态,从而使碰撞次数减少。当前,水声传感网中的基于非竞争的MAC协议主要有基于TDMA和基于CDMA 2种形式。

2.1基于TDMA的MAC协议

在水声传感网中基于TDMA的MAC协议及其改良协议方面已有一些研究,其中比较典型的有ITDMA与WMAC。

基于竞争的协议一般不要求全局时间同步[11],它主要通过先侦听信道,然后竞争信道,在竞争成功的信道上进行数据的传输。基于竞争的协议的主要研究内容是解决包冲突的问题。此类协议主要有基于信道预留和基于握手机制两类。

3.1基于信道预留

基于信道预留就是通过控制信息来对信道竞争的1种预留机制,本文以典型的TLohi (tonebased Lohi)与RMAC(reservation based MAC)协议为例做具体介绍。

3.2基于握手机制

基于握手机制是指针对水声所采用的特殊的握手方式。本文以典型的MACAMN(MACA multiple neighborsbased)协议,RIPT(receiverinitiated packet train)协议以及Slotted FAMA(slotted floor acquisition access)协议为例来具体介绍。

MACAMN协议可实现水下节点的1点对多点的传输[18],即发送节点通过形成1串包在1个握手周期内完成对多个邻居节点的数据传输,具体步骤如图6所示[18]。如果1个节点要发送数据包,先广播1个RTS包给目的节点,当目的节点收到RTS包后,会回复1个CTS给发送节点。由于内部节点的传播延迟,当目的节点感知到它所发送的CTS包与前1个目的节点发送的CTS包会在发送节点产生碰撞时,会延迟CTS包的发送[13]。当接收机等待了1个最大传输时延的时延过后,会根据自己所收到的CTS包的顺序,依顺序发送数据包给目的节点。该协议极大地减少了长传播时延导致的时间浪费,也减少了隐藏终端的问题[19]。

Slotted FAMA协议包含了时隙划分、载波侦听和握手技术[23]。Slotted FAMA的主要算法和CSMA算法相同,但它和CSMA最大的不同是它分时间段的信道接入和强制性地在每一个节点的开始时隙里面发送RTS,CTS,data和ACK包。时隙长度等于最大传播时间、RTS/CTS包的传输时间和保护时间的总和,每一个包传输都在时隙的开始部分[24],其大致步骤如图8[25]所示。在SFAMA协议中,节点一直侦听信道,在没有侦听到载波或有包要发送的时候,节点处于空闲状态。如果在节点有包准备发送并且没有侦听到载波,节点会发送1个RTS,然后等待2个时隙来接收CTS。如果在这个时间段内没有收到CTS,则认为是发生了碰撞,发送终端会随机退避到另外的时隙。如果在这个新时隙同样没有发现载波,就再次发送RTS。当收到CTS过后,节点会在下一个时隙发送数据。当接收节点收到整个数据包过后,会发送1个确认ACK包回给发送节点,这便完成了整个包握手机制。该 协议在很大程度上避免了包的碰撞。在未来的工作中需要改进时隙中的退避算法,使其能够更好地实现网络的公平性[26]。

4结论和展望

水声传感网因其宽广的应用领域和巨大的应用潜力受到高度重视。本文对近年来水声通信MAC协议的研究进行了综述,并对未来的研究方向进行了展望。目前水声传感网的MAC协议已有一些探索。现有的各种协议在吞吐量、开销、信道利用率以及网络的扩展性等方面存在优势,也有不足。如何更好地克服水声通信中的长传播时延、有限的可用带宽、能量消耗和可移动性等问题,提出更合理更实用的水声通信MAC协议将是该领域未来的重点研究方向。

为了提高信道的利用率,现存的MAC协议中ITDMA采用了双向数据包同传的方式,不过仅局限于2个对传节点;MACAMN,RIPT采用了数据包成串的发送方式,不过仅是一对多的传输。目前还没有协议提出了多向数据包成串同传的协议,一个多向数据包成串同传的MAC协议,使得多个传感器节点能够利用水声的高时延在1个给定的周期内传输和接收数据包,该协议是非常具有研究意义的,它能极大地提升整个水声网络的信道利用率。另外,由于水声传感网的应用领域很广,针对不同的环境以及所想要搜集的数据,所采用的MAC协议也会不同,我们不能局限于提出单个的MAC协议,应该考虑到跨层的问题。跨层使得层与层之间能够“直接”通信,避免了冗余信息和对等层的通信开销,能够获得更高的网络性能,所以,基于跨层的水声传感网是值得大力探索和研究的方向。