水聲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

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1、水聲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議2018-03-0821:03:49科技傳播2018年4期海麗萍+王宏云摘要水聲網(wǎng)絡(luò)（UAN）-般由海底傳感器節(jié)點(diǎn)、自動(dòng)化水下載體和作為網(wǎng)關(guān)向岸上基站提供無(wú)線電通信鏈路的水而基站連接組成。UAN研究領(lǐng)域的一個(gè)重耍難點(diǎn)是研究可以減小能量損耗和降低時(shí)間、空間和頻率對(duì)淺海信道傳輸信號(hào)影響的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。文章提出了淺海水聲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,并對(duì)它進(jìn)行了仿真。關(guān)鍵詞水聲網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議；Mac協(xié)議；Macaw協(xié)議中圖分類號(hào)TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1674-6708（2018）205-0146-02在過(guò)去的幾十年里，水聲通信的研究和工程應(yīng)用迅

2、速增長(zhǎng)，過(guò)去主耍應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，現(xiàn)在己經(jīng)逐步擴(kuò)展到了商業(yè)領(lǐng)域。水聲網(wǎng)絡(luò)（UAN）-般由海底傳感器節(jié)點(diǎn)、自動(dòng)化水下載體和作為網(wǎng)關(guān)向岸上基站提供無(wú)線電通信鏈路的水面基站連接組成[1]oUAN研究領(lǐng)域的一個(gè)重要難點(diǎn)是研究岀可以減小能量損耗和降低時(shí)間、空間和頻率對(duì)淺海信道傳輸信號(hào)影響的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文提出了淺海水聲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，并對(duì)它進(jìn)行了仿真。1數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議UAN的設(shè)計(jì)通常以分層結(jié)構(gòu)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這三層分級(jí)結(jié)構(gòu)是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。物理層主要負(fù)責(zé)通信通道中邏輯信息（比特0和1）到傳輸信號(hào)的轉(zhuǎn)變。在接收終端，物理層負(fù)責(zé)檢測(cè)出被噪聲干擾的信號(hào)和其他信道

3、的失真信號(hào)，并把信號(hào)轉(zhuǎn)換回邏輯比特。在網(wǎng)絡(luò)層屮選擇合適的通道即尋找從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑并開始信息交換。數(shù)據(jù)鏈路層主要有兩個(gè)功能：幀編碼和誤差糾正控制。幀編碼意味著定義一個(gè)包含信息頻率、位同步、源地址、U標(biāo)地址以及其他控制信息的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議又被分為兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制（LLC）協(xié)議和媒體訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議。1.1邏輯鏈路控制協(xié)議在邏輯鏈路控制子層，我們通過(guò)執(zhí)行一個(gè)停止或等待白動(dòng)重復(fù)檢索（ARQ）協(xié)議來(lái)檢測(cè)誤差和請(qǐng)求重傳錯(cuò)誤幀。源節(jié)點(diǎn)A在發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)之前等待一個(gè)來(lái)口冃標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的回執(zhí)（ACK）o如果在預(yù)置暫停時(shí)間內(nèi)沒接收到回執(zhí)，A重傳這幀數(shù)

4、據(jù)。在數(shù)據(jù)幀來(lái)回傳播的時(shí)間段內(nèi)，信道保持空閑。在全雙工通信鏈路，如果節(jié)點(diǎn)A在等待ACK時(shí)連續(xù)傳送相同的數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)絡(luò)吞吐量可以增大。節(jié)點(diǎn)A傳送數(shù)據(jù)幀到節(jié)點(diǎn)B。節(jié)點(diǎn)B只有在成功接收這幀數(shù)據(jù)后才會(huì)發(fā)送ACK幀，所以發(fā)送?幀數(shù)據(jù)的時(shí)延是:t產(chǎn)IJc（1）其中人是數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，C是數(shù)據(jù)傳輸速度。(2)兩幀數(shù)拯成功發(fā)送的最小時(shí)延是:fT=tf+touc=Z/乜J當(dāng)接收數(shù)據(jù)幀有錯(cuò)課時(shí)，需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀，因此實(shí)際延時(shí)絕對(duì)大于Tt。1.2媒介訪問(wèn)控制子層數(shù)據(jù)鏈路層最關(guān)鍵的技術(shù)就是媒體訪問(wèn)控制(MAC)。它的作用是平均分配存在竟?fàn)幒透咄掏铝抗?jié)點(diǎn)之間的信道資源。帶沖突避免的多

5、址接入(MACA)協(xié)議利用兩個(gè)叫做請(qǐng)求/發(fā)送(RTS)和清除/發(fā)送(CTS)的信號(hào)幀來(lái)檢測(cè)沖突。它是MAC子層的常用協(xié)議。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)A想要發(fā)送信息到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B時(shí)，它會(huì)首先發(fā)出一個(gè)RTS命令。如果節(jié)點(diǎn)B收到RTS,它則會(huì)發(fā)送回一個(gè)CTS命令。如果節(jié)點(diǎn)A沒有在預(yù)定時(shí)間內(nèi)接收到CTS,它將重新發(fā)送RTS。只要節(jié)點(diǎn)A—收到CTS,它就立刻開始傳輸數(shù)據(jù)幀［2］。任何監(jiān)聽到CTS的其他節(jié)點(diǎn)將會(huì)延遲一個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的時(shí)間來(lái)避免沖突。MACAW協(xié)議是MACA協(xié)議的改良版，它提髙了UAN的性能和可靠性。1.2.1退避計(jì)數(shù)器的改進(jìn)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送攜帶退避計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)幀，接收數(shù)據(jù)幀的冃標(biāo)

6、節(jié)點(diǎn)復(fù)制退避計(jì)數(shù)器的值。在數(shù)據(jù)幀傳輸完成后，所有退避計(jì)數(shù)器的值都還原成最小值。同時(shí)，MACAW協(xié)議用乘法增加線性減少(MILD)算法來(lái)代替二進(jìn)制指數(shù)算法。在MILD算法中，當(dāng)數(shù)據(jù)幀每次發(fā)生沖突時(shí)，退避計(jì)數(shù)器將會(huì)線性增加1.5倍從x到Bomax,在傳輸成功后，退避計(jì)數(shù)器將會(huì)從1秒衰減到最小的BomaXo1.2.2監(jiān)控幀和ACK幀的增加在MACAW協(xié)議中，作為信道握于?的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生交換，利用RT8-CTS-DS-DATA-ACK幀替代。DS幀用來(lái)確定暴舉節(jié)點(diǎn)和RTS-CTS握手成功與否。在單個(gè)信道中，暴露節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)RTS-CTS在節(jié)點(diǎn)A和日標(biāo)節(jié)

7、點(diǎn)B之間成功處理時(shí)，源節(jié)點(diǎn)A首先發(fā)送DS幀，然后節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)幀到B。除了BZ外接收到DS幀的其他節(jié)點(diǎn)是暴鉤節(jié)點(diǎn)，它們將延遲數(shù)據(jù)幀傳輸。如果暴踞節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到RTS幀而沒有監(jiān)聽到DS幀，那么RTS或者CTS將發(fā)生沖突，它將立刻發(fā)送數(shù)據(jù)，從而提高信道的利用率。如果節(jié)點(diǎn)A沒有收到節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的CTS,它將在超時(shí)后轉(zhuǎn)播RTS。如果節(jié)點(diǎn)A—直沒有收到數(shù)據(jù)，則退避計(jì)數(shù)器值增加。如果節(jié)點(diǎn)A收到ACK,則退避計(jì)數(shù)器值減少。如果節(jié)點(diǎn)A收到CTS,則退避計(jì)數(shù)器值不變。MACAW協(xié)議的主要優(yōu)勢(shì)是通過(guò)添加D8幀部分解決隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題并一目?減少了數(shù)據(jù)幀之間的沖突。在信道誤碼率

8、較高的情況下，加入ACK幀可以増加網(wǎng)絡(luò)喬吐量。MILD退避算法提升