基于Aqua-Sim 的水声传感器网络MAC 层协议分析*

李 莉，杨丽娟，李 钢，赵 静

(1.沈阳化工大学 计算机学院，辽宁 沈阳110142;2.吉林石化公司 丙烯腈厂，吉林 吉林132021)

0 引 言

水声传感器网络技术是21 世纪新兴的重要网络技术之一，在科技、军事和民用领域中有着非常广泛的应用前景。目前，很多国家相继加大了水声领域的研究力度。国内的一些研究机构也开展了关于水下传感器网络的研究，中国科学院、715 所、东南大学、厦门大学、西北工业大学、哈尔滨工程大学等单位在我国水下网络通信技术研究中取得了很多重要成果［1］。但由于水声环境的多噪声、传输环境的不稳定以及高传播延时、多径效应、窄带宽等复杂特点，适用于陆上无线传感器网络的很多优秀技术和协议，无法直接应用于水声传感器网络。因此，水声传感器网络还有许多重要技术需要研究和解决，且主要集中在物理层、数据链路层和网络层。

本文研究的水声传感器网络媒体介入控制(media access control，MAC)层协议是研究的关键技术之一。

1 水声传感器网络MAC 层协议

1.1 MAC 层协议分类［2］

在水声传感器网络中，MAC 协议决定了水声信道的使用方式，它主要解决的是多个用户怎样合理有效地利用水声信道的问题［3］。针对不同的水声传感器网络应用环境，研究人员提出了多种MAC 协议，这些协议可以按照不同的方式划分成不同的类别。按照同步网络、异步网络的划分方式，可以将MAC 协议划分成同步MAC 协议和异步MAC协议。按照信道分配方式的不同，可以将MAC协议分为三大类:采用无线信道的时分复用方式的MAC 协议、基于竞争机制的MAC 协议和轮替分配方式的MAC 协议。本文主要研究了基于竞争机制的Broadcast MAC 协议和R－MAC协议，针对水声信道仿真分析并比较了两种协议的相关性能。

1.2 协议介绍

1.2.1 Broadcast MAC［4］协议

Broadcast MAC 协议是一种基于竞争机制的非持续载波侦听广播MAC 协议。它的原理是:当一个节点有数据要发送，先查看信道，如果信道为空，就广播该数据分组;否则，将退避一段时间T。如果T 超出了限值，该数据分组有可能会丢失。当接收端接收到该数据分组时，不需要向发送端发送确认(Acknowledgement，ACK)字符确认。Broadcast MAC 协议原理很简单，在网络传输业务量相对较低时它非常有效。此外，这个协议可以充分利用水声信道的广播环境，对地理(Geographic，GEO)路由协议非常适用。

1.2.2 R－MAC［5］协议

R－MAC 协议是Aqua－Sim 针对水声信道提出的一种新协议，协议中，每个节点周期性地侦听和睡眠。当一个节点向另一个节点发送数据时，R－MAC 采用基于预约的方式来同步，以避免数据冲突。R－MAC 协议分为三个部分:1)节点初始化，节点之间通过发送控制信息来测量每两个节点间的传输延时和传播延时;2)每个节点随机选择一个侦听和睡眠周期开始的时间，并向其他节点广播这个信息，这样最终每个节点都会记录一个包含所有节点的周期时间表;3)利用(2)中的时间表，节点间相互协调传输数据用以避免碰撞。

本文利用基于NS2［6］的Aqua－Sim 仿真软件对以上两种协议进行仿真分析，通过对两种协议在平均数据包延时、平均能量消耗(每个数据包能量消耗的平均值)以及平均吞吐量的比较，分析两种协议在集中式拓扑结构的水声传感器子网中的性能。

2 Aqua-Sim 仿真平台

Aqua－Sim 是一个专门模拟分析水声传感器网络的仿真软件，由美国康涅狄格大学水声传感器网络研究室于2009 年在NS2 基础上开发而成。目前已有两个版本，Aqua－Sim 1.0 和Aqua－Sim Beta 版本，本文实验使用的是Aqua－Sim 1.0 版本。

与NS2 一样，Aqua－Sim 同样采用了面向对象类的设计概念。图1 展示了Aqua－Sim 1.0 的类图［4］。“Underwater－Node”对象是水声传感器网络中节点的抽象，它封装了许多有关节点的信息，比如:节点的位置和节点的移动速度等参数信息。“UnderwaterChannel”对象代表的是水声信道，它向上层提供公共的接口，比如:上层的路由层对象可以通过这个接口获取信道参数信息。“UnderwaterPhy”代表的是水声物理层，它封装了水声传感器网络物理层的信息，比如:衰减模型和碰撞模型等，同时，它为传输器提供电源开关接口，并且可以设置传输和发送的功率。“UnderwaterMAC”代表的是水声MAC 层，它封装了MAC 层协议，Aqua－Sim 1.0的MAC 层封装了四个MAC 协议:T－MAC，R－MAC，Broadcast MAC，Aloha MAC。MAC 层的上面是路由层，Aqua－Sim 1.0封装了四个路由协议:Vector－Based Forwarding(VBF)，Vector－Based Void Avoidance(VBVA)［7］，Depth－base Routing(DBR)，Q－learning－based Routing(QELAR)。

图1 Aqua-Sim 1.0 的类图Fig 1 Class diagram of Aqua-Sim 1.0

3 水声传感器网络MAC 层协议仿真

3.1 仿真步骤与仿真参数设置

在Aqua－Sim 平台上进行一次MAC 层协议仿真一般经过如下步骤:1)编写Otcl 仿真代码，包括设置仿真参数信息和网络拓扑结构等;2)运行Aqua－Sim 加载仿真脚本进行仿真，执行成功后会生成.tr 文件和.nam 文件，.tr 文件即trace跟踪文件，它记录了整个仿真过程的详细信息，.nam 文件记录了NAM 动画输入信息，可以用它将整个仿真过程展示出来;3)编写分析网络性能的gawk 代码，用于分析仿真生成的trace 跟踪文件;4)利用画图软件将上一步中分析出的数据以图形方式呈现出来，本文使用的画图工具是Matlab。

本文主要通过Aqua－Sim 仿真软件分析Broadcast MAC和R－MAC 协议在集中式拓扑结构的水声传感器子网中的性能。本实验中，仿真网络中的每个节点都采用统一的能量模型，初始能量为10000 J，根据UMW 1000［5］型水声调制解调器的参数，设置节点发送一次报文消耗能量2 W，接收一次报文消耗能量0.75 W，睡眠状态下消耗的能量是0.008 W，比特率设置为10 000 bit/s，仿真时间为500 s，几何衰减选取球面传播模型，传播范围为90 m。

3.2 网络拓扑结构

网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，水声传感器网络的拓扑结构主要有集中式拓扑结构，分布式拓扑结构和多跳式拓扑结构三种基本方式［8］。水声传感器网络设计中，综合考虑到覆盖范围大、消耗电池能量小、易于接入陆上主干网等要求，通常采用集中式和多跳式混合的网络拓扑结构。在单个子网内采用集中式，每个节点的硬件标准是一致的，这样当中心节点出现问题时可以从其他节点中选出合适的节点来代替。在大范围上采用多跳式，每个子网选出一个合适的节点充当网关，此网关可以和其他子网的网关通信，从而实现多个子网的信息交流［9］。

本文主要针对小范围的子网内的MAC 协议进行仿真，采用集中式网络拓扑结构，实验设置了五个节点，具体的拓扑结构图如2。

图2 网络拓扑结构Fig 2 Network topology structure

3.3 仿真结果与分析

实验分别仿真了Broadcast MAC 和R－MAC 两种不同协议在五个节点的集中式拓扑结构下的数据传输过程，计算得到了平均数据包延时、平均能量消耗以及平均吞吐量等性能参数，如图3～图5 所示。

图3 平均数据包延时Fig 3 Average packet delay

图4 平均能量消耗Fig 4 Average energy consumption

图5 平均吞吐量Fig 5 Average throughput

由图3 可以看出:Broadcast MAC 协议和R－MAC 协议在平均数据包延时上相差很小，Broadcast MAC 略低一些，但总体来看两者的延时都比较小，均低于0.1 s。图4 是每个包的平均能量消耗图，可以看出R－MAC 协议在能耗上要明显优于Broadcast MAC 协议，Broadcast MAC 随着节点发送数据速率的增加，能量消耗越来越大，在0.3 包/s 时，达到了27 J，而R－MAC 一直维持在2 J 左右，这是因为在RMAC 中精确计算了传播延时和传输延时，并且在此基础上节点间有序地发送数据而几乎避免了碰撞，从而降低了能量消耗。但是这也导致了在吞吐量上R－MAC 没有优势，如图5 所示，大约在数据速率达到0.06 包/s 后，Broadcast MAC 慢慢超过R－MAC，在0.3 包/s 时，Broadcast MAC 的吞吐量超过了400 bps，而R－MAC 依然保持在100 bps 左右。因此，从集中式拓扑结构的水声传感器子网来看，Broadcast MAC 协议更适合于要求较高吞吐量的应用环境，而R－MAC协议更适合于在能量消耗方面有严格要求的应用环境。

4 结 论

本文研究了水声传感器网络的MAC 层协议，主要利用Aqua－Sim 仿真平台在五个节点的集中式拓扑结构水声传感器网络中模拟了Broadcast MAC 协议和R－MAC 协议的传输过程，分析比较了两种协议在平均数据包延时、平均能量消耗以及平均吞吐量方面的差异。在平均数据包延时方面，两种协议相差不大，在平均能量消耗方面，R－MAC 协议要明显优于Broadcast MAC 协议，而在平均吞吐量上，随着节点数据速率的增加，Broadcast MAC 协议远远超过了R－MAC协议。因此，从本文研究的集中式拓扑结构的水声传感器子网来看，Broadcast MAC 协议更适合于吞吐量要求较高的应用环境，而R－MAC 协议更适合于在性能方面要求比较节能的应用环境。

［1］ 王 宇.基于NS2 的水下自组网MAC 层协议设计［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2012:1－2.

［2］ 袁 科.水下无线传感器网络MAC 协议仿真研究［D］.成都:西南交通大学，2010:13－20.

［3］ 张洪东.基于NS2 的水下传感器网络模拟仿真技术研究［D］.青岛:中国海洋大学，2009:18－21.

［4］ Peng Xie，Zhong Zhou，Zheng Peng，et al.Aqua－Sim:An NS－2 based simulator for underwater sensor networks［C］∥Proc of OCEANS’09，Biloxi，USA:IEEE，2009.

［5］ Xie Peng，Cui J H.R－MAC:An energy－efficient MAC protocol for underwater sensor networks［C］∥Proceedings of International Conference on Wireless Algorithms，Systems，and Applications(WASA)，Chicago，USA:IEEE Computer Society，2007:187－198.

［6］ 于 斌，孙 斌，温 暖.NS2 与网络模拟［M］.北京:人民邮电出版社，2007:1－9.

［7］ Xie Peng，Zhou Robert Zhong，Zheng James Peng，et al.Void avoidance in three－dimensional mobile underwater sensor networks［C］∥Proceedings of International Conference on Wireless Algorithms，Systems，and Applications(WASA)，Boston，USA，2009:305－314.

［8］ 吴 云.基于时分的水声传感器网络MAC 协议的研究［D］.广州:华南理工大学，2011:4－6.

［9］ 杨长清.水下通信网MAC 层协议研究［D］.南京:东南大学，2004:44－47.