利用相对时钟实现水声通信网络时分复用

章佳荣，乔钢

(哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨150001)

水声通信网络在海洋环境监测、自然灾害预警、水下潜器导航、联合作战指挥等方面具有广泛的应用前景［1-3］。但水下设备能量有限且更换不便，数据冲突导致的能量消耗会缩短网络的生存周期［4］。基于握手机制的CSMA协议虽然可以有效减少冲突的发生，但由于载波传播速率低，往复握手会增加信息传播的端到端时延［5-6］。TDMA协议为每个节点分配固定的工作时隙，可以有效地减少冲突、缩短握手信号带来的传输时延［7-8］。但实现TDMA协议需要有严格的帧同步时序，而在水声环境中做到全网时钟的严格同步非常困难，因此无线电中许多成熟的TDMA协议无法直接应用到水声环境中。文献［9-10］分别针对特定的星形网络和分布式网络，提出适用于水声通信网络的TDMA协议，但需要周期地广播同步信号。文章针对水声通信网络实现严格的时钟同步困难、周期广播同步信号效率低的问题，提出一种基于相对时钟的TDMA协议(relative time clock based time division multiple access，RTC-TD-MA)。根据主节点与各子节点的距离安排时间表，各节点将时间表映射到本地时钟上进行工作，不需要全局的时钟同步，并在数据传输过程中完成时钟漂移修正。

1 网络拓扑结构

水声通信网络的拓扑结构可以分为集中式和分布式2种类型，对于集中式网络，各节点之间位置相对固定，采用TDMA协议是一种理想的选择，可以有效缩短握手协议在握手过程中占用的时间。本文提出的基于相对时钟的TDMA协议基于集中式网络的应用背景。网络拓扑结构如图1所示，由一个主节点(如图中的O)和若干个子节点(如图中的A、B、C等)组成，节点位置相对固定。

图1 网络拓扑结构Fig.1 Network topology

2 基于相对时钟的TDMA协议

RTC-TDMA协议的基本思想是各节点将自己的工作时隙映射到本地时钟上进行工作，避免复杂的全局时钟同步。同时，在数据传输过程中完成时钟漂移的修正，避免时钟漂移带来的数据冲突。协议工作流程分为3部分:时间表注册、数据传输和时钟漂移修正。

2.1 时间表注册

时间表注册包括时延估计与时间表安排两步骤。

2.1.1 时延估计

进行时延估计的目的是为了对数据发送时刻与接收时刻的交错布置，提高网络吞吐量。文章提出的协议中，并不关心子节点之间的传播时延，只需要主节点与各子节点的传播时延值。获取传播延时的流程如图2所示。

网络初始化时，由主节点O向周围的子节点广播时间表注册指令RIS(require initial signal)，并记录当前时刻ts，子节点i收到RIS指令后，随机选择一个时刻发送时间表注册响应信号CIS(clear initial signal)，CIS中包含i从收到RIS指令到回复CIS信号的时间间隔Δti，主节点收到子节点i回复的CIS信号后记录当前时刻tri，主节点与子节点i的时延Tdi由下式表示:

子节点回复注册响应信号CIS在主节点处可能会发生冲突，对于这种冲突，提出如下解决方案:

1)对于未知的网络，采用多轮注册的方式。第一轮结束后，主节点提取注册成功的节点ID号、保留时延信息，并发起第二轮注册。在发起第二轮注册的RIS信息中广播已经注册成功的节点ID号，注册成功的节点保持静默，剩余节点则进行再次注册。重复此步骤，直到主节点广播完RIS信号后，没有收到子节点的注册信号，认为整个网络的注册完成。

2)对于已知的网络，采用轮询的方式。主节点根据节点ID轮询获取与子节点之间的时延信息。

图2 传播时延获取流程Fig.2 Flow chart of propagation delay acquisition

2.1.2 时间表安排

主节点根据时延值大小对各子节点的工作时刻进行交错布置，减少空闲等待时间，提高网络吞吐量，时间表信息如图3所示。

图3 时间表信息Fig.3 Time table information

网络中所有节点采用相同的工作周期T，主节点将安排好的时间表信息广播给网络中的所有子节点，子节点收到时间表后，根据ID信息查找本节点的发送时刻调整值tmi，进行本地时钟映射。

2.2 本地时间轴映射与数据传输

子节点以收到时间表的tir时刻为起始时刻，数据发送时刻tis由下式表示:

子节点发送完数据后进入监听，判断是否要进行时钟漂移的修正，监听时间为Tdi，监听结束后进入休眠，等到下一个工作周期自动唤醒进入工作状态，整个过程如图4所示。

图4 本地时间轴映射Fig.4 Local timemapping

2.3 时钟漂移修正

对于由洋流扰动导致节点间距离的变化、本地时钟精度不同等原因造成的节点工作时钟漂移，在数据传输过程中进行修正。主节点在初始化阶段，根据时间表将对应节点的数据接收时刻映射到本地时间轴上，相邻的数据接收时间段之间留有保护间隔，当数据接收时刻超出对应的临界范围时，发送ACK信号通知对应节点在下个周期进行工作时间调整，调整值包含在ACK信号中，反之，则不发送任何信息。图5所示为主节点时间轴上在一个工作周期内对各个子节点的数据接收窗设置。

图5 时间表修正Fig.5 Schedule modification

以接收节点i(数据i)为例，按初始化时的时间表安排，数据i应该到达的时刻为t0，数据接收持续时间为Tdata，数据i在安全时间Ts内接收完毕，则不会与相邻的数据接收产生冲突，安全时间Ts为

则数据i的到达时刻tri在(t0Tg)内时，不与相邻数据的接收产生冲突，主节点不返回任何信息，反之，则发送ACK通知节点i在下个工作周期进行时间调整，调整值Δtm为

若Δtm＞0，表示接收时刻延后，节点i下个周期工作时间需要提前Δtm;若Δtm＜0，表示接收时刻超前，节点i下个周期工作时间需要延后Δtm。

3 协议性能分析与仿真

3.1 协议性能分析

下面对传统的CSMA协议和文章提出的RTCTDMA协议进行性能分析与比较。RTC-TDMA协议在进行正常工作之前需要先进行初始化，初始化所需要的时间与网络规模和所选择的初始化方式有关。在实际工程应用中，节点布放完成后，整个网络都需要进行连通性测试和初始化，而RTC-TDMA协议的初始化工作可以在这个阶段完成，所以在这里仅比较进入工作状态后两种协议的性能。网络拓扑采用图1的形式，由1个主节点和N个子节点组成。

3.1.1 端到端时延

端到端时延定义为数据从源节点产生到被目的节点成功接收所花费的时间。选取网络中任意一个子节点为研究对象，用TRTS、TCTS、TDATA、TACK分别表示节点完成RTS、CTS、DATA、ACK信号编解码所需要的时间，假定信号编码与解码所需时间相同，Tpd表示此子节点与主节点进行通信时信号的传播时延，Nload表示网络负载。

仅考虑由于冲突引起的数据重传，传统的CSMA协议的端到端时延可以表示为

式中:pn表示进行n次重传的概率，是关于网络负载的函数。根据式(5)，CSMA协议的端到端时延与网络负载有关，网络负载越大，冲突产生的机率越大，端到端时延越大。

采用RTC-TDMA协议时，平均端到端时延为:

式中:td表示此子节点在网络时间表中一个周期内的发送时间延迟量，m表示延迟发送的周期个数，C表示RTC-TDMA协议中每个时隙的发送容量，⎿」表示向下取整，T表示RTC-TDMA协议的工作周期。根据式(6)，RTC-TDMA协议的端到端时延与网络负载、工作周期和每个发送时隙的发送容量有关，选择一个合理的工作周期和发送容量是缩短端到端时延的关键。

3.1.2 能量消耗

假设节点只包含发送、接收和休眠这3个能耗状态，其中休眠状态相比其他2种状态功率低得多，只考虑发送和接收能耗［10］。用Psnd表示发送功率，Prcv表示接收功率，假设信号的编解码所需要的时间相同。则CSMA协议完成一次完整的数据包收发需要消耗的能量为

RTC-TDMA协议完成一次完整的数据包收发需要消耗的能量为

比较式(7)和式(8)，采用RTC-TDMA协议完成一次数据传输能节省的能量为

3.2 协议性能仿真

为验证协议的性能，在OMNeT++4.0仿真环境中进行仿真，仿真参数如下:

1)网络拓扑采用图1所示的结构，由1个主节点和5个子节点组成，子节点随机分布在以主节点为中心，半径1 km的范围内，节点间通信的最大距离为1 km。

2)能量消耗模型采用WHOI的modem能量模型［11-12］，接收功率为80 mW，发射功率为10W。

3)控制包长为64 bit，数据包长度为256 bit，编解码速率为200 bit/s。

4)RTC-TDMA协议工作周期为T，主节点时间轴上数据接收时隙与保护间隔之比为10∶1。

5)CSMA协议采用二进制退避算法，最大重发次数为3次。

仿真过程中，分别对网络的吞吐量、端到端时延、能量消耗进行了统计，得到的结果如下。

图6所示为CSMA协议与RTC-TDMA协议网络吞吐量对比曲线，RTC-TDMA协议的周期为60 s。

图6 吞吐量对比曲线Fig.6 Throughput comparison

从两者对比来看，RTC-TDMA协议性能整体上优于CSMA协议。在网络负载较小的情况下，两者吞吐量比较接近，随着网络负载的增加，RTC-TDMA协议的吞吐量要明显高于CSMA协议。从单条曲线上看，CSMA协议的网络吞吐量有一个先增加后减少的过程，是因为对CSMA协议来说，随着网络负载的增加，在握手成功的情况下可以激励网络吞吐量，但冲突的可能性也随之增加，当网络负载增加到一定程度后，冲突的抑制作用超过了网络负载的激励作用，吞吐量随着网络负载的增加而减小。RTC-TDMA协议的吞吐量有一个先增加后平稳的过程，这是因为在RTCTDMA协议中，网络为每个子节点分配了固定的工作时隙，子节点在每个时隙内的发送容量是有上限的，当网络负载没有超过容量上限时，吞吐量随网络负载的增加而增加，当超过容量上限时，吞吐量不受网络负载的影响，进入一个平稳状态。

图7 平均端到端时延对比曲线Fig.7 Average end to end delay comparison

图7所示为CSMA协议与RTC-TDMA协议的平均端到端时延对比曲线。从图中可以看出，CSMA协议的平均端到端时延随网络负载的增加而增大，这是因为网络负载的增加导致了冲突的加剧，数据重发次数增加，进而导致端到端时延的增加。RTC-TDMA协议的平均端到端时延变化规律与工作周期有关，在仿真中，分别对工作周期为60、30、15 s这3种情况进行了统计，从三者的对比情况来看，在网络负载较小的情况下，周期越小，平均端到端时延越小，但在网络负载较大的情况下，周期越大，平均端到端时延越小。这是因为网络负载较小的情况下，在每个子节点的工作时隙内需要发送的数据量小于发送容量上限，根据式(2)、式(6)和仿真条件，周期越大，空闲等待时间越大，导致端到端时延越大。而在网络负载较大的情况下，周期小导致每个子节点在每个工作时隙内需要发送的数据量超过发送容量上限，未发送的数据则要等到m个周期后才能被发送，导致端到端时延变大。从总体上来看，RTC-TDMA协议的端到端时延要小于CSMA协议的端到端时延，在使用RTC-TDMA协议时，根据网络负载和发送容量选择一个合适的周期是提高性能的关键。

图8为2种协议各发送1 000个数据包消耗的总能量随网络负载变化的曲线。从图中可以看出，CSMA协议在相同的网络负载条件下发送相同数量的数据包消耗的能量要高于RTC-TDMA协议，并且CSMA协议的能量消耗随网络负载的增加而增大，而RTC-TDMA协议相对比较平稳。这是因为CSMA协议在负载增大的情况下，冲突增加，数据重传导致消耗的能量随之增加，而RTC-TDMA协议节点都在固定的时隙内工作，产生冲突的机率很小，即使有时钟漂移，也可以在通信过程中自动进行修正，因此受网络负载变化的影响较小。

图8 能量消耗对比曲线Fig.8 Energy consumption comparison

4 实验验证

在哈尔滨工程大学的信道水池对协议性能进行了验证性实验。实验采用图1所示的网络拓扑结构，由1个主节点和5个子节点组成，由于水池尺寸有限，通过给每个子节点的发送时刻设置不同的时延来模拟子节点与主节点的不同距离。物理层通信采用FSK调制方式，控制包长64 bit，数据包长256 bit。实验过程中，根据仿真曲线选择几组典型的网络负载进行统计。

图9 成功接收的数据包数量统计Fig.9 Statistic of successfully received packets

图9为在不同网络负载情况下，主节点上对两种协议成功接收的数据包数量进行统计的结果。每种网络负载下，两种协议的统计时间各为1 h。从图中可以看出，在网络负载较小的情况下，相同时间内两种协议成功接收的数据包数量比较接近，随着网络负载的增加，RTC-TDMA协议成功接收的数据包数量要远高于CSMA协议成功接收的数据包数量，与仿真结果中的吞吐量性能曲线一致。由于统计端到端时延比较困难，在实验中对2种协议在不同网络负载下发送500组数据所需要的时间进行了统计，结果如图10所示。

图10 发送时间统计Fig.10 Statistic of sending time

从整体上看，RTC-TDMA性能优于CSMA协议，但RTC-TDMA协议的发送时间与网络负载有关。在网络负载较低的情况下，周期越大，发送空闲等待时间越多，导致发送时间越长，如在周期为60 s时，RTC-TDMA协议的发送时间要大于CSMA协议的发送时间。随着网络负载的增加，空闲等待时间时间减少，发送时间缩短。在低网络负载的情况下，选择相对较小的工作周期可以获得较高的性能;在高网络负载的情况下，选择相对较大的工作周期可以获得较高的性能。

图11 冲突数量统计Fig.11 Statistic of collisions

获取发送数据实际消耗的能量比较困难，但在前文分析中已经说明成功完成一次相同的数据发送，CSMA协议消耗的能量要高于RTC-TDMA协议，并且数据冲突会导致CSMA协议消耗更多的能量。在实验过程中，对两种协议在不同网络负载下完成500组数据发送产生的冲突数进行了统计，其中RTC-TDMA协议没有冲突，CSMA协议冲突数统计结果如图11所示。从图中可以明显看出，随着网络负载的增加，CSMA协议产生冲突的机率增加，由此导致的数据重传会增加能量的消耗。

5 结论

文章针对水声通信网络时钟同步困难的问题设计了一种基于相对时钟的TDMA协议(RTC-TDMA协议)。RTC-TDMA协议不需要严格的全网时钟同步，并可在数据通信过程中完成时钟漂移的修正。仿真研究与水池实验表明:

1)在网络负载较小的情况下，RTC-TDMA协议与传统的CSMA协议性能比较接近，随着网络负载增大，RTC-TDMA协议比传统的CSMA协议具有更高的吞吐量、更小端到端时延和更低的能耗。

2)RTC-TDMA协议的端到端时延与单位时隙的发送容量和工作周期有关，选择一个合理的工作周期是降低端到端时延的关键。

3)RTC-TDMA协议在低网络负载的情况下，选择相对较小的工作周期T可以获得较高的性能;在高网络负载的情况下，选择相对较大的工作周期T可以获得较高的性能。

RTC-TDMA协议在集中式网络中可以获得较高的性能，在分布式网络中的应用需要进一步研究。另外，在实际应用过程中，对于具体的水声通信网络，如何根据网络规模、信道环境选取一个最优的工作周期T也还需进一步研究。

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