基于NS-2的Aqua-Sim网络仿真平台研究外文翻译资料

 2022-06-30 23:05:27

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摘 要

在水下传感器网络（UWSN）中，声信号是主要通信介质，所以其与地面网络有很大不同。声信号所造成的误码率高、带宽受限、长时间传播延迟，在一定程度上影响了UWSN各种功能的实现。然而，MAC协议是受到水下环境独特特性完全影响的协议之一。对于UWSN，由于电池替换或充电的困难，能效现在成为主要关注的问题。为了节约能源，所提出的大多数MAC协议遵循睡眠和收听模式，因为睡眠模式的能量消耗比空闲的收听模式要少得多，因此，能效直接取决于如何安排每个节点的睡眠模式和收听模式。在一些协议中，对于基于发送节点的调度，其调度由发送节点指定，而对于基于接收节点的调度，接收节点决定调度数据传输。在本文中，我们评估比较基于发送节点调度的UWAN-MAC协议和基于接收节点调度的R-MAC协议。我们的仿真结果表明，基于接收节点的小型网络和轻量级网络在能耗方面通常表现良好，但是，通过增加节点数量或流量负载，基于发送节点的端到端延迟和吞吐量方面的性能优于基于接收节点的调度协议。

关键字：水下MAC协议、水下声传感器网络、Aqua-Sim模拟器

目 录

第1章 介绍 1

第2章 相关工作 3

第3章 基于发送节点和基于接收节点调度协议 5

3.1 UWAN-MAC协议 5

3.2 R-MAC协议 6

第4章 性能评估 9

4.1性能指标 9

4.2单跳星形拓扑结构 9

4.3多跳树形拓扑结构 12

第5章 结论 16

参考文献 17

第1章 介绍

在过去几年中，开发和使用水下传感器网络的趋势日益上升，而其中最重要的原因是为了改善海洋勘探和支持各种民用、军用水上应用的需求[1]。由于地球的海洋几乎覆盖了其地表的70％，为了减少对土地资源的依赖，水下资源发现被认为是主要研究目标[2]。

类似于其他类型的传感器网络，UWSN由可变数量的传感器组成，用于在给定区域执行协作监测任务[3]，这些传感器节点用于环境监测、海洋资料收集、系统预警、战术监视、辅助导航和油井勘探等应用[4]。然而，因为水下传感器网络主要使用声波作为通信介质，所以其与地面无线电传感器网络有一些不同。因此，水中传感器节点使用声波作为通信方式，其速度为1500m /s，比无线信号低5个数量级，由于传播速度较低，所以甚至在两个相邻节点通信之间都出现较高的传播延迟[5]。因为水下传感器网络通常必须覆盖海洋环境的很大面积，这偶尔会导致稀疏部署[6]，所以UWSN的实施成本很高。

图1.1网络架构

图1.1显示了水下网络传感器为了收集信息而如何分布和部署在海洋环境的不同位置和深度，然后它们将所收集信息转发到地面上的接收器。之后，收集的信息可以通过其他无线通信方法从接收器传输到监控中心，如卫星通信[7]。

使用声信号会多方面地影响UWSN中不同功能的设计[8]，但是，与地面网络相比，它已经完全改变了MAC协议的设计[9,10]。除了长时间的传播延迟之外，由于电池替换或充电的困难，能效问题也是一个主要问题，为了节约能源，大多数提出的MAC协议遵循睡眠和收听模式，因为睡眠模式的能量消耗比空闲的收听模式要少得多。因此，能效直接取决如何安排每个节点的睡眠模式和收听模式，从这个角度来看，MAC协议分为基于发送节点和基于接收节点调度的协议，前一类中调度由发送节点决定，而后一类中调度由接收节点决定。

在本文中，我们使用基于ns-2的水声网络模拟器Aqua-sim，评估比较基于发送节点调度的UWAN-MAC协议和基于接收节点调度的R-MAC协议，模拟树形和星形两种拓扑结构，研究它们在轻到大流量下的可伸缩性和性能。

本文的其余部分安排如下：在第二节中，我们回顾了相关的工作；在第三节中，介绍了基于发送节点和基于接收节点的调度协议；第四部分通过仿真评估基于发送节点和基于接收节点调度的MAC协议的性能；最后，第五部分对本论文进行了总结。

第2章 相关工作

水下环境中的传播延迟对UWSN的MAC协议的设计有重大影响，基于这个问题，廖等人[6]研究表明，因为地面MAC协议不考虑声信号的长时间传播延迟，所以它们不能在UWSN中可靠有效地运行。在一些文献中指出，几乎所有节能的水下传感器网络MAC协议遵循基于竞争的方法，这意味着节点竞争访问具有碰撞可能性的共享介质。在一组信号交换中，发送和接收节点在发送数据分组之前交换一些控制分组，以避免任何可能的冲突。而在另一组中，节点采用随机访问方式，节点尝试随机访问媒体，当数据包到达接收节点时，如果没有来自其他节点的数据包，则接收节点可以成功接收到该数据包。ALOHA是一种随机存取方法，由于重传次数较多，因此耗能太大而无法使用。

大多数为水下传感器网络设计MAC协议的研究都集中在诸如R-MAC、S-FAMA和DACAP之类的信号交换组上，这些MAC协议的每项设计都有不同的要求，目前已经提出了基于信号交换组的一些差异。

Slotted Floor Acquisition Multiple Access（S-FAMA）[11]协议消耗了由空闲聆听和无意聆听到的能量，它在发送数据之前将载波侦听与发送者和接收者之间的对话结合起来。换句话说，S-FAMA在数据传输之前在源和目的地之间使用请求发送/清除发送（RTS / CTS）控制分组，并且分组（例如RTS、CTS、DATA和ACK）应在每个时隙的开始处传输。尽管S-FAMA避免了数据包冲突，而对数据包大小没有任何要求，但它需要节点之间的时钟同步，这在水下传感器网络中很难实现。

有文献提出了一种类似S-FAMA的距离识别碰撞避免协议（DACAP）[12]，它在传输数据之前结合了载波侦听和RTS/CTS控制数据包交换，但不需要节点之间的任何同步。然而，在源和目的地之间交换（RTS/CTS）控制分组以消除数据分组冲突，由于传播延迟较长，在水下传感器网络中消耗大量能量。为了完全避免数据包之间的冲突，必须满足两个条件：其一，RTS的周期应该大于最大传播延迟；其二，CTS的周期应该大于RTS的周期与最大传播延迟以及硬件发送到接收传输时间的两倍之和[5]。虽然RTS包和CTS包交换方法消耗更多的能量，但它可以显著减缓隐藏和暴露的终端问题[6]。

另一方面，在基于竞争的MAC协议的分类中有两种随机接入方法，即ALOHA和载波监听多路访问（CSMA）。CSMA是多个节点随机共享传输介质而无需任何控制，如UWAN-MAC和T-Lohi协议，目前已经提出了基于随机接入组的一些差异。

Syed等人提出了通过减少总消耗来提高系统利用率的想法，例如减少传输的控制分组数量[13]，这是根据Tone-Lohi（T-Lohi）协议提出的，其中所有节点在发送任何数据之前发送短分组（音调分组）来通知它们的相邻节点，这些音频数据包能够以节能的方式快速发送。每个节点发送自己的音调，在发送数据包之前监听信道，然后每个节点根据在争用循环（CR）期间接收到的音频数据包的数量来统计其他节点的数量。

然而，许多研究集中通过采用基于调度的方案来开发高效的MAC协议，特别是用于水下传感器网络的MAC协议，这种方案能够确定传感器节点传输的有效时隙。

第3章 基于发送节点和基于接收节点调度协议

由于传感器电池更换或充电困难，在为水下传感器网络设计新的MAC协议时，能效被认为是主要因素。为了节约能源，大多数提出的MAC协议遵循睡眠和收听模式，因为睡眠模式的能量消耗比空闲的收听模式要少得多，因此，能效直接取决于如何安排每个节点的睡眠模式和收听模式。从这个角度来看，所有基于竞争的MAC协议可以分为两类：基于接收节点和基于发送节点的调度协议。在基于接收节点的协议中，所有节点确定它们何时处于监听模式并能够接收数据，其他节点则需要调整其传输以确保其数据在指定的时隙到达接收端；另一方面，在基于发送节点的协议中，接收端以能够接收发送分组的方式调整监听时隙时间。每种模式都有自己的优点和缺点，可以在比较两个协议时具体讨论，其中两个协议分别来自于两种模式。在本文中，我们通过选择两个被引用次数最多的协议来研究基于接收节点和基于发送节点的协议的性能，其中两个协议分别来自于两种类别。R-MAC和UWAN-MAC分别是两种基于接收节点和基于发送节点的协议，它们遵循不同的睡眠和收听模式以节省能量。

在讨论我们的评估方法及其结果之前，我们将在本节中简要介绍每个协议及其主要操作特性。

3.1 UWAN-MAC协议

UWAN-MAC协议是由Park和Rodoplu提出的[14]，其旨在提高能源效率。因此，为了减少每个节点的能量消耗，UWAN-MAC通过增加睡眠模式而不是空闲侦听模式来提供合适的方法，这是基于睡眠模式比空闲聆听模式消耗更少能量的事实。特别地，UWAN-MAC是为水下网络设计的节能MAC协议，它属于随机接入方式，在发送节点和接收节点之间没有信号交换。例如，发送方发送数据包时，它实际上会通知接收方何时应该发送下一个数据包，然后相邻节点会侦听数据包以避免可能的冲突[15]。UWAN-MAC协议的基本思想如图3.1所示，它展示了在传播延迟未知的情况下如何实现本地同步调度。

图3.1 UWAN-MAC协议思想[14]

在图3.1中，节点A在周期开始时传播包含A的传输周期“TA”的同步数据包，然后进入休眠状态。假设节点B位于节点A附近接收A的同步数据包，这能够让B节点在下一个周期的正确时间准确唤醒，以在不知道传播延迟的情况下接收节点A。因此，因为节点使用相对时间戳，所以这种情形下不需要提供时钟同步。

在这个协议的初始化期间，每个节点随机选择初始传输时间，然后传播它的同步数据包，同时它收到相邻节点的同步数据包。每个同步数据包都包含Ti以通知所有相邻节点在这段时间后新的数据包将再次发送，当初始化阶段完成后，每个节点都知道什么时间需要按照其建立的时间表唤醒以进行接收和发送。

由于UWAN-MAC仅使用一个控制分组，所以它被称为带宽有效协议，另一方面，以下两种方式可能会有碰撞发生：

（1）当节点发送数据包而来自相邻节点的另一个数据包到达时，可能会发生“发送-接收冲突”。

（2）如果两个以上的数据包同时到达一个节点并且该节点无法解码任何数据包，则可能会发生“收-发冲突”。

3.2 R-MAC协议

R-MAC协议是由谢和崔提出的[5]，其主要设计目标是能源效率和公平性，在该协议中，通过调度控制分组和数据分组的传输完全避免了数据分组冲突。 R-MAC不仅可以避免数据包冲突，而且还可以解决基于RTS/CTS的协议所暴露的终端问题，除了解决暴露的终端问题外，还可以节约能源，也保证公平。然而，不是在R-MAC中使用RTS/CTS交换控制分组以避免数据分组冲突，而是为发送节点和接收节点都调度这些分组的传输。此外，为了减少空闲状态和侦听情况下的能量消耗，每个节点周期性地在监听和休眠模式下工作。

在R-MAC中，每个节点都有三个阶段，称为延迟检测、周期通信和周期性操作。通常，前两个阶段用于在邻居节点之间生成同步，最后一个阶段用于监听/睡眠操作。

在延迟检测阶段，每个节点必须是上电状态并随机选择一个时间来传播叫做ND（Neighbor Discovery）的控制数据包。当一个节点从它将相邻节点接收到ND时，它记录这些包的到达时间，然后随机选择一个时间发送ACK-ND（Neighbor Discovery），ND和ACK-ND具有完全相同的数据包大小。收到ACK-ND后，发送方可以计算传播延迟，在这个阶段，传播延迟可以如下计算：

（1）

其中I2表示从ND分组到ACK-ND的传输的持续时间，而I1表示从发送相应的ND分组到ACK-ND到达的间隔时间，L为传播等待时间。

如图3.2所示，节点A发送一个ND数据包并记录时间，一旦接收到该分组，节点B随机地延迟一段时间IB并且将ACK-ND分组发回到节点A。节点B将时间间隔I

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