基于NS3的RCHF MAC协议优化改进分析*

韩多亮，杜秀娟，朱建连

（青海师范大学 青海省物联网重点实验室，青海 西宁 810008）

0 引 言

随着海洋资源在国际竞争中的地位日益重要，海洋开发和信息产业不断发展，水下传感器网络（Under-Water Sensor Network， UWSN）成为人们研究的热点，可广泛应用于海洋资源勘探、海洋环境监测以及资源开发等领域[1]。水下传感器网络具有长延时、低带宽和高误码率等特点，在一定范围内信号不能同时传输，所以水下传感器网络是共享信道。可见，设计节能、高传输可靠性的MAC协议，在水下通信中非常重要[2]。

合理有效的MAC协议是解决UWSN通信中数据包冲突的有效方法。MAC协议根据节点对信道的占用方式，主要分为无竞争的MAC协议和基于竞争的MAC协议[3]。无竞争的MAC协议有TDMA、FDMA和CDMA，根据水下信道的特殊性，实现水声通信的资源复用。基于竞争的MAC协议，节点通过随机接入信道或者握手进行信道预约，然后有选择性地接入信道[4]。

1 相关工作

针对水下传感器网络，研究者已经提出了很多MAC协议。

夏威夷大学于1968年提出了Aloha协议，节点只要有数据产生，就会将数据立即发送到信道上，若在规定时间内收到回复，则表示发送成功；否则，发送节点重新发送数据。传输过程中，如果数据产生冲突，则会等待一段随机的时间再次发送，直到数据成功发送为止[5]。该协议在数据传输过程中重传和冲突处理机制较少，导致交付率和能耗较大。

Roberts等于1972年提出了时隙Aloha协议，将时间分为离散的时间片，节点如果要发送数据，必须等到下一个时间片开始，因此避免了节点随意的发送数据[6]。与Aloha协议相比，时隙Aloha协议减小了信道冲突，节约了能耗，但没有对重传和回复确认做处理，冲突较大，能量损耗严重。

Marcal Molins等提出了Slotted FAMA协议。该协议引入了时隙结构，节点在数据传输过程中进行三次握手。节点在发送数据前利用控制报文预约信道，如果预约成功，则在时隙开始时发送报文；如果预约失败，则节点进入退避状态，等待下一次的信道预约[7]。该协议保证了在某一时刻信道上只有一对节点进行通信，有效减少了通信中的报文冲突。

Professor Du 等提出了一种基于RLT编码的无握手可靠传输的MAC协议（RLT Code Based Handshake-Free，RCHF），节点根据自身和邻居状态进行数据的发送与接收[8]。本文针对RCHF MAC协议实验过程中发现的问题进行优化改进，利用NS3网络平台进行仿真，并在青海湖进行测试，根据实验过程中的输出信息，对改进后节点的状态和层级变化进行验证。实验结果表明，改进后的RCHF MAC协议能准确及时地更新节点的状态和层级。

2 网络模型

网络初始化状态：30个传感器节点随机均匀分布在M×N×N的长方体内。1个sink节点布在水面（长方体上表面），模型如图1所示，图中“·”表示传感器节点，“●”表示sink节点，假设水下传感器网络具有以下性质：

（1）水下传感器网络是由固定在水下的静态节点、悬浮在水中的动态节点和水面的sink节点构成；

（2）所有节点都具有唯一的ID，非sink节点均匀地分布在水下；

（3）节点能感知本身的深度信息；

（4）节点根据预先设置好的功率进行数据通信，部署完成后，功率不再发生改变；

（5）节点根据数据获取时间，周期性采集信息，并将数据传送至sink节点；

（6）节点具有相似的处理数据的能力[9]。

图1 网络模型

3 RCHF协议概述

RCHF MAC协议中，源节点将数据包分组为k个数据块。然后，源节点对分组后的数据包编码并发送。编码后的分组会被逐跳转发至sink节点，从而上传至服务器。

网络初始化后，每个节点维护一个邻居动态表，主要包括节点的id、层级和状态。状态字段记录邻居节点的实时状态。状态“0”表示邻居节点处于发送状态，状态“1”表示邻居节点处于接收状态，“2”表示处于未知状态，“3”表示邻居节点处于发送避免阶段。

当节点具有发送数据资格时，先在邻居表中搜索状态为“2”或者“3”的下一跳节点，如果发送节点自身状态为接收或者未知，发送节点则发送第一帧，并将自己的状态切换为接收状态，准备接收接收节点回复的第一帧确认控制报文（ACK）。收到第一帧ACK后，将剩余的N-1帧发送出去，再将自己的状态切换为接收状态，准备接收最后一帧ACK控制帧。如果状态为“0”或“1”，它将推迟交付，直到状态大于“1”。

数据发送流程如图2所示。

图2 发送数据流程

在ACK控制帧中，主要包括接收节点接收的帧的数量和错误率。通过比较原始包的个数和帧中块的大小，判断是否接收完整。如果接收节点能够重组整个数据块，发送节点收到ACK后，通过解析ACK控制帧；如果未收到的帧序号为0，则将自己的状态置为“3”；如果不能重组整个数据块，根据ACK中未收到的数据帧序号，发送节点将未收到的数据重新编码发送给接收节点。

ACK控制帧部分信息如表1所示。

表1 ACK控制帧部分信息

当节点收到数据后先解码，更新邻居表，根据帧内的接收节点的id号，判断节点本身是否是接收节点。若不是，直接丢弃数据包；若是，则判断该帧是否是第一帧。若是，则开启定时器并立刻回复ACK控制；若不是，则将数据发送出去。接收数据流程如图3所示。

图3 接收数据流程

4 协议优化与改进

目前，RCHF MAC协议已经应用于湖试和仿真实验。实验过程中，对协议做了改进与优化：（1）在ACK控制帧中添加一个控制字段，用于判断接收节点是否成功接收数据，并直接区分接收数据的类型；（2）对邻居表的更新做了改进，以保证节点能正确及时更新节点的状态和层级。

4.1 ACK控制帧的优化

在ACK确认帧帧格式中，数据字段起始处添加一个数据类型确认字段，占2比特，其中第一比特表示接收节点对一个数据帧和数据块的确认。该比特为“0”时，表示接收节点对一个数据帧的确认；该比特为“1”时，表示对一个数据块的确认。第二个比特表示接收节点是否完全重构数据包。该比特为“0”时，表示接收节点已经对一个数据块中的所有原始包成功重构；该比特为“1”时，表示接收节点未完全重构一个Block中的所有原始包。优化后的ACK控制帧格式如表2所示。

表2 ACK控制帧部分信息

发送节点收到ACK控制帧，即可根据ACK帧格式中的数据字段起始处的控制字节的第二个比特，确定自身下一步的状态和进程。若第二个比特为“0”，则发送节点将进入传输避免阶段；若第二个比特为“1”时，则发送节点对未恢复的原始包进行重新编码，并发送给接收节点。发送节点和接收节点可以直接根据第2个比特位的值改变自身状态，从而确保节点的状态能正确及时改变。

4.2 邻居表的更新优化

通信过程中，数据的发送与接收均基于节点状态，所以邻居表的维护和更新在通信过程中至关重要。

实验中发现，节点位置发生变化，由两跳邻居转变为一跳邻居后，节点层级仍保持不变，说明问题的拓扑如图4所示。其中，1号节点是sink节点，4号节点是源节点。实验初始时，3号节点是1号节点的两跳邻居，层级为3；当3号节点位置发生变化后，3号节点变为1号节点的一跳邻居，3号节点的层级应更新为2，但一段时间后3号节点层级仍然未变，数据传输不能正常进行，能耗增加。

图4 实验拓扑

在每个节点的邻居表中增加一个老化时间，一段时间后节点将直接删除邻居表中老化时间已到的邻居。当节点收到广播和数据包时，根据邻居表中的信息及时更新邻居表，更新自身的状态和层级，以保证数据的正常传输。

5 仿真实验

NS3是一款面向网络系统的离散事件仿真软件，相比于NS2，各层均进行了改进，得到了教育研究机构的认可。仿真实验基于NS3进行，网络模型如图1所示。

根据网络模型部署节点，针对问题和提出的解决方案进行开发实现，协议改进优化的部分代码如下：

对协议优化进行技术上的实现后，进行湖试和仿真实验，并对实验过程和实验结果中节点的状态、层级进行分析。结果表明，经过优化改进，当节点发生移动时，节点能够及时准确地更新层级，并根据邻居表中的信息更新节点状态。图5为仿真实验时输出的信息，图6为湖试时输出的信息。

图6 实验输出信息

实验过程中，对ACK控制帧中的数据类型确认字段进行验证，根据两个比特值的变化，可以判断接收节点是否成功重构数据并区分确认的数据类型，及时更新状态。

6 结 语

随着海洋资源在国际竞争中的地位日益重要，水下传感器网络在未来的海洋开发中将迎来更广阔的使用前景。水下环境复杂多变，对各层协议的要求不同。MAC协议在数据传输过程中占据重要地位，因此本文就RCHF MAC协议在应用过程中发现的问题进行分析，做出优化改进。仿真结果表明，节点可以根据ACK控制帧和邻居表中的信息及时更新状态，节约了能耗，提高了传输可靠性。