利用相對(duì)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)水聲通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)分復(fù)用

章佳榮，喬鋼

(哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001)

水聲通信網(wǎng)絡(luò)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害預(yù)警、水下潛器導(dǎo)航、聯(lián)合作戰(zhàn)指揮等方面具有廣泛的應(yīng)用前景［1-3］。但水下設(shè)備能量有限且更換不便，數(shù)據(jù)沖突導(dǎo)致的能量消耗會(huì)縮短網(wǎng)絡(luò)的生存周期［4］?；谖帐謾C(jī)制的CSMA協(xié)議雖然可以有效減少?zèng)_突的發(fā)生，但由于載波傳播速率低，往復(fù)握手會(huì)增加信息傳播的端到端時(shí)延［5-6］。TDMA協(xié)議為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配固定的工作時(shí)隙，可以有效地減少?zèng)_突、縮短握手信號(hào)帶來(lái)的傳輸時(shí)延［7-8］。但實(shí)現(xiàn)TDMA協(xié)議需要有嚴(yán)格的幀同步時(shí)序，而在水聲環(huán)境中做到全網(wǎng)時(shí)鐘的嚴(yán)格同步非常困難，因此無(wú)線電中許多成熟的TDMA協(xié)議無(wú)法直接應(yīng)用到水聲環(huán)境中。文獻(xiàn)［9-10］分別針對(duì)特定的星形網(wǎng)絡(luò)和分布式網(wǎng)絡(luò)，提出適用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的TDMA協(xié)議，但需要周期地廣播同步信號(hào)。文章針對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)鐘同步困難、周期廣播同步信號(hào)效率低的問(wèn)題，提出一種基于相對(duì)時(shí)鐘的TDMA協(xié)議(relative time clock based time division multiple access，RTC-TD-MA)。根據(jù)主節(jié)點(diǎn)與各子節(jié)點(diǎn)的距離安排時(shí)間表，各節(jié)點(diǎn)將時(shí)間表映射到本地時(shí)鐘上進(jìn)行工作，不需要全局的時(shí)鐘同步，并在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中完成時(shí)鐘漂移修正。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

水聲通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為集中式和分布式2種類型，對(duì)于集中式網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)之間位置相對(duì)固定，采用TDMA協(xié)議是一種理想的選擇，可以有效縮短握手協(xié)議在握手過(guò)程中占用的時(shí)間。本文提出的基于相對(duì)時(shí)鐘的TDMA協(xié)議基于集中式網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用背景。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)(如圖中的O)和若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)(如圖中的A、B、C等)組成，節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Network topology

2 基于相對(duì)時(shí)鐘的TDMA協(xié)議

RTC-TDMA協(xié)議的基本思想是各節(jié)點(diǎn)將自己的工作時(shí)隙映射到本地時(shí)鐘上進(jìn)行工作，避免復(fù)雜的全局時(shí)鐘同步。同時(shí)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中完成時(shí)鐘漂移的修正，避免時(shí)鐘漂移帶來(lái)的數(shù)據(jù)沖突。協(xié)議工作流程分為3部分:時(shí)間表注冊(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)鐘漂移修正。

2.1 時(shí)間表注冊(cè)

時(shí)間表注冊(cè)包括時(shí)延估計(jì)與時(shí)間表安排兩步驟。

2.1.1 時(shí)延估計(jì)

進(jìn)行時(shí)延估計(jì)的目的是為了對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻與接收時(shí)刻的交錯(cuò)布置，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。文章提出的協(xié)議中，并不關(guān)心子節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)延，只需要主節(jié)點(diǎn)與各子節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延值。獲取傳播延時(shí)的流程如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，由主節(jié)點(diǎn)O向周圍的子節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)間表注冊(cè)指令RIS(require initial signal)，并記錄當(dāng)前時(shí)刻ts，子節(jié)點(diǎn)i收到RIS指令后，隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)刻發(fā)送時(shí)間表注冊(cè)響應(yīng)信號(hào)CIS(clear initial signal)，CIS中包含i從收到RIS指令到回復(fù)CIS信號(hào)的時(shí)間間隔Δti，主節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)i回復(fù)的CIS信號(hào)后記錄當(dāng)前時(shí)刻tri，主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)i的時(shí)延Tdi由下式表示:

子節(jié)點(diǎn)回復(fù)注冊(cè)響應(yīng)信號(hào)CIS在主節(jié)點(diǎn)處可能會(huì)發(fā)生沖突，對(duì)于這種沖突，提出如下解決方案:

1)對(duì)于未知的網(wǎng)絡(luò)，采用多輪注冊(cè)的方式。第一輪結(jié)束后，主節(jié)點(diǎn)提取注冊(cè)成功的節(jié)點(diǎn)ID號(hào)、保留時(shí)延信息，并發(fā)起第二輪注冊(cè)。在發(fā)起第二輪注冊(cè)的RIS信息中廣播已經(jīng)注冊(cè)成功的節(jié)點(diǎn)ID號(hào)，注冊(cè)成功的節(jié)點(diǎn)保持靜默，剩余節(jié)點(diǎn)則進(jìn)行再次注冊(cè)。重復(fù)此步驟，直到主節(jié)點(diǎn)廣播完RIS信號(hào)后，沒(méi)有收到子節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)信號(hào)，認(rèn)為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)完成。

2)對(duì)于已知的網(wǎng)絡(luò)，采用輪詢的方式。主節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)ID輪詢獲取與子節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)延信息。

圖2 傳播時(shí)延獲取流程Fig.2 Flow chart of propagation delay acquisition

2.1.2 時(shí)間表安排

主節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)延值大小對(duì)各子節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)刻進(jìn)行交錯(cuò)布置，減少空閑等待時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，時(shí)間表信息如圖3所示。

圖3 時(shí)間表信息Fig.3 Time table information

網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)采用相同的工作周期T，主節(jié)點(diǎn)將安排好的時(shí)間表信息廣播給網(wǎng)絡(luò)中的所有子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)收到時(shí)間表后，根據(jù)ID信息查找本節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)刻調(diào)整值tmi，進(jìn)行本地時(shí)鐘映射。

2.2 本地時(shí)間軸映射與數(shù)據(jù)傳輸

子節(jié)點(diǎn)以收到時(shí)間表的tir時(shí)刻為起始時(shí)刻，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻tis由下式表示:

子節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)后進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)，判斷是否要進(jìn)行時(shí)鐘漂移的修正，監(jiān)聽(tīng)時(shí)間為T(mén)di，監(jiān)聽(tīng)結(jié)束后進(jìn)入休眠，等到下一個(gè)工作周期自動(dòng)喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程如圖4所示。

圖4 本地時(shí)間軸映射Fig.4 Local timemapping

2.3 時(shí)鐘漂移修正

對(duì)于由洋流擾動(dòng)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間距離的變化、本地時(shí)鐘精度不同等原因造成的節(jié)點(diǎn)工作時(shí)鐘漂移，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中進(jìn)行修正。主節(jié)點(diǎn)在初始化階段，根據(jù)時(shí)間表將對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收時(shí)刻映射到本地時(shí)間軸上，相鄰的數(shù)據(jù)接收時(shí)間段之間留有保護(hù)間隔，當(dāng)數(shù)據(jù)接收時(shí)刻超出對(duì)應(yīng)的臨界范圍時(shí)，發(fā)送ACK信號(hào)通知對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)在下個(gè)周期進(jìn)行工作時(shí)間調(diào)整，調(diào)整值包含在ACK信號(hào)中，反之，則不發(fā)送任何信息。圖5所示為主節(jié)點(diǎn)時(shí)間軸上在一個(gè)工作周期內(nèi)對(duì)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收窗設(shè)置。

圖5 時(shí)間表修正Fig.5 Schedule modification

以接收節(jié)點(diǎn)i(數(shù)據(jù)i)為例，按初始化時(shí)的時(shí)間表安排，數(shù)據(jù)i應(yīng)該到達(dá)的時(shí)刻為t0，數(shù)據(jù)接收持續(xù)時(shí)間為T(mén)data，數(shù)據(jù)i在安全時(shí)間Ts內(nèi)接收完畢，則不會(huì)與相鄰的數(shù)據(jù)接收產(chǎn)生沖突，安全時(shí)間Ts為

則數(shù)據(jù)i的到達(dá)時(shí)刻tri在(t0Tg)內(nèi)時(shí)，不與相鄰數(shù)據(jù)的接收產(chǎn)生沖突，主節(jié)點(diǎn)不返回任何信息，反之，則發(fā)送ACK通知節(jié)點(diǎn)i在下個(gè)工作周期進(jìn)行時(shí)間調(diào)整，調(diào)整值Δtm為

若Δtm＞0，表示接收時(shí)刻延后，節(jié)點(diǎn)i下個(gè)周期工作時(shí)間需要提前Δtm;若Δtm＜0，表示接收時(shí)刻超前，節(jié)點(diǎn)i下個(gè)周期工作時(shí)間需要延后Δtm。

3 協(xié)議性能分析與仿真

3.1 協(xié)議性能分析

下面對(duì)傳統(tǒng)的CSMA協(xié)議和文章提出的RTCTDMA協(xié)議進(jìn)行性能分析與比較。RTC-TDMA協(xié)議在進(jìn)行正常工作之前需要先進(jìn)行初始化，初始化所需要的時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和所選擇的初始化方式有關(guān)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)布放完成后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都需要進(jìn)行連通性測(cè)試和初始化，而RTC-TDMA協(xié)議的初始化工作可以在這個(gè)階段完成，所以在這里僅比較進(jìn)入工作狀態(tài)后兩種協(xié)議的性能。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎脠D1的形式，由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和N個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成。

3.1.1 端到端時(shí)延

端到端時(shí)延定義為數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生到被目的節(jié)點(diǎn)成功接收所花費(fèi)的時(shí)間。選取網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)子節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，用TRTS、TCTS、TDATA、TACK分別表示節(jié)點(diǎn)完成RTS、CTS、DATA、ACK信號(hào)編解碼所需要的時(shí)間，假定信號(hào)編碼與解碼所需時(shí)間相同，Tpd表示此子節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)信號(hào)的傳播時(shí)延，Nload表示網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

僅考慮由于沖突引起的數(shù)據(jù)重傳，傳統(tǒng)的CSMA協(xié)議的端到端時(shí)延可以表示為

式中:pn表示進(jìn)行n次重傳的概率，是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的函數(shù)。根據(jù)式(5)，CSMA協(xié)議的端到端時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載有關(guān)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越大，沖突產(chǎn)生的機(jī)率越大，端到端時(shí)延越大。

采用RTC-TDMA協(xié)議時(shí)，平均端到端時(shí)延為:

式中:td表示此子節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)時(shí)間表中一個(gè)周期內(nèi)的發(fā)送時(shí)間延遲量，m表示延遲發(fā)送的周期個(gè)數(shù)，C表示RTC-TDMA協(xié)議中每個(gè)時(shí)隙的發(fā)送容量，?」表示向下取整，T表示RTC-TDMA協(xié)議的工作周期。根據(jù)式(6)，RTC-TDMA協(xié)議的端到端時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、工作周期和每個(gè)發(fā)送時(shí)隙的發(fā)送容量有關(guān)，選擇一個(gè)合理的工作周期和發(fā)送容量是縮短端到端時(shí)延的關(guān)鍵。

3.1.2 能量消耗

假設(shè)節(jié)點(diǎn)只包含發(fā)送、接收和休眠這3個(gè)能耗狀態(tài)，其中休眠狀態(tài)相比其他2種狀態(tài)功率低得多，只考慮發(fā)送和接收能耗［10］。用Psnd表示發(fā)送功率，Prcv表示接收功率，假設(shè)信號(hào)的編解碼所需要的時(shí)間相同。則CSMA協(xié)議完成一次完整的數(shù)據(jù)包收發(fā)需要消耗的能量為

RTC-TDMA協(xié)議完成一次完整的數(shù)據(jù)包收發(fā)需要消耗的能量為

比較式(7)和式(8)，采用RTC-TDMA協(xié)議完成一次數(shù)據(jù)傳輸能節(jié)省的能量為

3.2 協(xié)議性能仿真

為驗(yàn)證協(xié)議的性能，在OMNeT++4.0仿真環(huán)境中進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下:

1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎脠D1所示的結(jié)構(gòu)，由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和5個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成，子節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在以主節(jié)點(diǎn)為中心，半徑1 km的范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間通信的最大距離為1 km。

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

3)控制包長(zhǎng)為64 bit，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為256 bit，編解碼速率為200 bit/s。

4)RTC-TDMA協(xié)議工作周期為T(mén)，主節(jié)點(diǎn)時(shí)間軸上數(shù)據(jù)接收時(shí)隙與保護(hù)間隔之比為10∶1。

5)CSMA協(xié)議采用二進(jìn)制退避算法，最大重發(fā)次數(shù)為3次。

仿真過(guò)程中，分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、端到端時(shí)延、能量消耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到的結(jié)果如下。

圖6所示為CSMA協(xié)議與RTC-TDMA協(xié)議網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比曲線，RTC-TDMA協(xié)議的周期為60 s。

圖6 吞吐量對(duì)比曲線Fig.6 Throughput comparison

從兩者對(duì)比來(lái)看，RTC-TDMA協(xié)議性能整體上優(yōu)于CSMA協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小的情況下，兩者吞吐量比較接近，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，RTC-TDMA協(xié)議的吞吐量要明顯高于CSMA協(xié)議。從單條曲線上看，CSMA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量有一個(gè)先增加后減少的過(guò)程，是因?yàn)閷?duì)CSMA協(xié)議來(lái)說(shuō)，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，在握手成功的情況下可以激勵(lì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但沖突的可能性也隨之增加，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加到一定程度后，沖突的抑制作用超過(guò)了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的激勵(lì)作用，吞吐量隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而減小。RTC-TDMA協(xié)議的吞吐量有一個(gè)先增加后平穩(wěn)的過(guò)程，這是因?yàn)樵赗TCTDMA協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)子節(jié)點(diǎn)分配了固定的工作時(shí)隙，子節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)的發(fā)送容量是有上限的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載沒(méi)有超過(guò)容量上限時(shí)，吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而增加，當(dāng)超過(guò)容量上限時(shí)，吞吐量不受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響，進(jìn)入一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)。

圖7 平均端到端時(shí)延對(duì)比曲線Fig.7 Average end to end delay comparison

圖7所示為CSMA協(xié)議與RTC-TDMA協(xié)議的平均端到端時(shí)延對(duì)比曲線。從圖中可以看出，CSMA協(xié)議的平均端到端時(shí)延隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而增大，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加導(dǎo)致了沖突的加劇，數(shù)據(jù)重發(fā)次數(shù)增加，進(jìn)而導(dǎo)致端到端時(shí)延的增加。RTC-TDMA協(xié)議的平均端到端時(shí)延變化規(guī)律與工作周期有關(guān)，在仿真中，分別對(duì)工作周期為60、30、15 s這3種情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，從三者的對(duì)比情況來(lái)看，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小的情況下，周期越小，平均端到端時(shí)延越小，但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大的情況下，周期越大，平均端到端時(shí)延越小。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小的情況下，在每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙內(nèi)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量小于發(fā)送容量上限，根據(jù)式(2)、式(6)和仿真條件，周期越大，空閑等待時(shí)間越大，導(dǎo)致端到端時(shí)延越大。而在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大的情況下，周期小導(dǎo)致每個(gè)子節(jié)點(diǎn)在每個(gè)工作時(shí)隙內(nèi)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量超過(guò)發(fā)送容量上限，未發(fā)送的數(shù)據(jù)則要等到m個(gè)周期后才能被發(fā)送，導(dǎo)致端到端時(shí)延變大。從總體上來(lái)看，RTC-TDMA協(xié)議的端到端時(shí)延要小于CSMA協(xié)議的端到端時(shí)延，在使用RTC-TDMA協(xié)議時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和發(fā)送容量選擇一個(gè)合適的周期是提高性能的關(guān)鍵。

圖8為2種協(xié)議各發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包消耗的總能量隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的曲線。從圖中可以看出，CSMA協(xié)議在相同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下發(fā)送相同數(shù)量的數(shù)據(jù)包消耗的能量要高于RTC-TDMA協(xié)議，并且CSMA協(xié)議的能量消耗隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而增大，而RTC-TDMA協(xié)議相對(duì)比較平穩(wěn)。這是因?yàn)镃SMA協(xié)議在負(fù)載增大的情況下，沖突增加，數(shù)據(jù)重傳導(dǎo)致消耗的能量隨之增加，而RTC-TDMA協(xié)議節(jié)點(diǎn)都在固定的時(shí)隙內(nèi)工作，產(chǎn)生沖突的機(jī)率很小，即使有時(shí)鐘漂移，也可以在通信過(guò)程中自動(dòng)進(jìn)行修正，因此受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的影響較小。

圖8 能量消耗對(duì)比曲線Fig.8 Energy consumption comparison

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在哈爾濱工程大學(xué)的信道水池對(duì)協(xié)議性能進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和5個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成，由于水池尺寸有限，通過(guò)給每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)刻設(shè)置不同的時(shí)延來(lái)模擬子節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)的不同距離。物理層通信采用FSK調(diào)制方式，控制包長(zhǎng)64 bit，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)256 bit。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)仿真曲線選擇幾組典型的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖9 成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistic of successfully received packets

圖9為在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下，主節(jié)點(diǎn)上對(duì)兩種協(xié)議成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。每種網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，兩種協(xié)議的統(tǒng)計(jì)時(shí)間各為1 h。從圖中可以看出，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小的情況下，相同時(shí)間內(nèi)兩種協(xié)議成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量比較接近，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，RTC-TDMA協(xié)議成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量要遠(yuǎn)高于CSMA協(xié)議成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量，與仿真結(jié)果中的吞吐量性能曲線一致。由于統(tǒng)計(jì)端到端時(shí)延比較困難，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)2種協(xié)議在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下發(fā)送500組數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖10所示。

圖10 發(fā)送時(shí)間統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistic of sending time

從整體上看，RTC-TDMA性能優(yōu)于CSMA協(xié)議，但RTC-TDMA協(xié)議的發(fā)送時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載有關(guān)。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低的情況下，周期越大，發(fā)送空閑等待時(shí)間越多，導(dǎo)致發(fā)送時(shí)間越長(zhǎng)，如在周期為60 s時(shí)，RTC-TDMA協(xié)議的發(fā)送時(shí)間要大于CSMA協(xié)議的發(fā)送時(shí)間。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，空閑等待時(shí)間時(shí)間減少，發(fā)送時(shí)間縮短。在低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，選擇相對(duì)較小的工作周期可以獲得較高的性能;在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，選擇相對(duì)較大的工作周期可以獲得較高的性能。

圖11 沖突數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.11 Statistic of collisions

獲取發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)際消耗的能量比較困難，但在前文分析中已經(jīng)說(shuō)明成功完成一次相同的數(shù)據(jù)發(fā)送，CSMA協(xié)議消耗的能量要高于RTC-TDMA協(xié)議，并且數(shù)據(jù)沖突會(huì)導(dǎo)致CSMA協(xié)議消耗更多的能量。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)兩種協(xié)議在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下完成500組數(shù)據(jù)發(fā)送產(chǎn)生的沖突數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中RTC-TDMA協(xié)議沒(méi)有沖突，CSMA協(xié)議沖突數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示。從圖中可以明顯看出，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，CSMA協(xié)議產(chǎn)生沖突的機(jī)率增加，由此導(dǎo)致的數(shù)據(jù)重傳會(huì)增加能量的消耗。

5 結(jié)論

文章針對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步困難的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種基于相對(duì)時(shí)鐘的TDMA協(xié)議(RTC-TDMA協(xié)議)。RTC-TDMA協(xié)議不需要嚴(yán)格的全網(wǎng)時(shí)鐘同步，并可在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中完成時(shí)鐘漂移的修正。仿真研究與水池實(shí)驗(yàn)表明:

1)在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小的情況下，RTC-TDMA協(xié)議與傳統(tǒng)的CSMA協(xié)議性能比較接近，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大，RTC-TDMA協(xié)議比傳統(tǒng)的CSMA協(xié)議具有更高的吞吐量、更小端到端時(shí)延和更低的能耗。

2)RTC-TDMA協(xié)議的端到端時(shí)延與單位時(shí)隙的發(fā)送容量和工作周期有關(guān)，選擇一個(gè)合理的工作周期是降低端到端時(shí)延的關(guān)鍵。

3)RTC-TDMA協(xié)議在低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，選擇相對(duì)較小的工作周期T可以獲得較高的性能;在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，選擇相對(duì)較大的工作周期T可以獲得較高的性能。

RTC-TDMA協(xié)議在集中式網(wǎng)絡(luò)中可以獲得較高的性能，在分布式網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用需要進(jìn)一步研究。另外，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于具體的水聲通信網(wǎng)絡(luò)，如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、信道環(huán)境選取一個(gè)最優(yōu)的工作周期T也還需進(jìn)一步研究。

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