### 水声通信网MAC协议分析与仿真
#### 一、引言
随着海洋资源的不断开发以及军事应用的需求日益增长，水声通信技术逐渐成为研究热点。水声通信网作为实现水下通信的关键技术之一，其网络性能直接影响着整个系统的可靠性和效率。在水声通信网中，介质访问控制（MAC）层协议的选择对于优化网络性能至关重要。本文通过使用OPNET软件对两种典型的MAC层协议——ALOHA和CSMA/CA进行了仿真分析，并对比了它们在网络性能方面的表现。
#### 二、水声通信网特点及模型建立
水声通信网的特点包括可用频带窄、传播时延大等。这些特性限制了传统的频分双工（FDD）和时分双工（TDD）方式的应用，同时也意味着当前的通信声呐设备尚无法支持全双工通信模式。因此，半双工通信成为当前水声通信的主要方式。本文基于以上特性，构建了物理层模型，具体参数如下：
1. **调制方式**：QPSK调制。
2. **信号发送速率**：1kbps。
3. **误码率**：10^-3。
4. **节点作用范围**：1.5km。
5. **传播速度**：1500m/s。
6. **通信方式**：半双工。
#### 三、仿真结果与分析
##### 3.1 负载对协议性能的影响
在时延敏感型网络中，端到端的平均时延、网络的平均吞吐量及丢包率是评估网络性能的重要指标。本文定义的端到端时延为源节点数据包从上层进入MAC层到目的节点最终接收到完整数据包的时间；网络的平均吞吐量定义为单位时间内网络中成功传输的比特数；丢包率定义为网络中因节点满负载所丢弃的数据包除以网络中总发送的数据包的比例。
- **吞吐量性能**：如图4所示，在低负载条件下，CSMA/CA与ALOHA协议具有相似的性能表现。然而，随着负载的增加，两种协议都会达到网络容量的上限而不再增长。之后，由于网络冲突加剧导致吞吐量下降。CSMA/CA协议采用控制帧握手机制，使得数据发送量大于ALOHA协议，因此较早地达到网络饱和状态。
- **端到端平均时延**：图5展示了端到端平均时延随负载变化的情况。在低负载时冲突较少，时延较低且较为平稳。CSMA/CA协议由于采用握手机制，其端到端时延略高于ALOHA协议。随着负载增加，网络冲突加剧，重发次数增多，导致两类协议的端到端时延显著增加。仿真结果显示，在相同的网络负载下，通过合适的路由选择，ALOHA协议可以获得更高的网络吞吐量和更低的端到端时延。
##### 3.2 帧长对协议性能的影响
在水声通信网中，数据包通常被分成多个帧进行发送。为了研究不同帧长对协议性能的影响，本文在两种协议的基础上进行了进一步的仿真。具体结果如下：
- **吞吐量**：图6显示了在不同帧长情况下两种协议的吞吐量变化。对于CSMA/CA协议而言，不同帧长对其网络性能的影响不大，无论是吞吐量还是端到端时延变化均较小。而ALOHA协议的吞吐量和端到端时延则受到帧长的显著影响，较长的帧长可以带来更高的吞吐量和更短的端到端时延。这是因为ALOHA协议直接发送数据帧，在相同的数据包长度下，较大的帧长意味着更少的发送次数，从而减少了网络冲突和重发次数，提高了性能。
- **丢包率**：图8展示了两种协议在不同帧长和不同负载条件下的丢包率。在低负载情况下，两种协议都能保持较低的丢包率。然而，帧长对ALOHA协议的影响更大，主要原因是帧长的变化会显著影响网络负载。
#### 四、结论
通过对ALOHA与CSMA/CA这两种MAC层协议的仿真分析，我们可以得出以下结论：
- 在低负载条件下，两种协议表现出相似的性能；
- 随着负载的增加，CSMA/CA协议更快达到网络饱和状态，而ALOHA协议在高负载下表现出更好的吞吐量和端到端时延性能；
- 帧长对ALOHA协议的性能影响显著，而对CSMA/CA协议的影响较小。
针对水声通信网的特点，选择合适的MAC层协议及其配置参数对于提升网络的整体性能至关重要。未来的研究可进一步探索其他类型的MAC协议在水声通信网中的应用潜力，以满足更加复杂多变的水下通信需求。
