1、第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源：国家自然科学基金资助项目（）；青海省自然科学创新团队基金资助项目（）收稿日期：修改日期：，（，；，；，）：，（），：；：基于状态着色的水声网络 协议田晓静，杜秀娟，王丽娟，李 冲，韩多亮（青海师范大学计算机学院，青海省物联网重点实验室，青海 西宁；藏语智能信息处理及应用国家重点实验室，青海 西宁；高原科学与可持续发展研究院，青海 西宁）摘 要：水声网络中的 协议主要采用 机制，然而 控制包不仅限制了并发传输的可能性，进而降低了信道利用率和吞吐量，而且造成信道资源分配不公平。为了提高吞吐量、信道利用率和公平性，提出了一种基于状态着色的水声
2、网络（，）协议。在 协议中，每个节点根据自身一跳邻居表构建本地分层图，通过侦听数据帧或 帧获知邻居节点状态来为本地分层图中的节点着色，并根据本地分层着色图调度包的发送，减少数据帧的碰撞与重传。协议在避免冲突的前提下实现了并行传输。同时，给出基于公平性的退避方案以提高 协议的公平性。仿真结果表明，协议与 协议和 协议相比在端到端延迟、吞吐量和平均能耗等方面有明显的优势。关键词：水声网络；协议；本地分层着色图；信道利用率；中图分类号：文献标识码：文章编号：（）近年来，水声网络（，）在海洋学数据收集、环境监测、战术监视和资源发现等研究领域都有广阔的应用前景。电波在 中不适用，因此，使用声波进行通信。
3、声波在水下环境中比电波效果更好，但也受以下几方面的制约：声波在水下的传播速度只有 左右，比无线电通信中电波 的传播速度低 个数量级，水声信道具有高延迟的特点；水声信道受多径效应、噪声等因素的影响，使得水声信道误码率很高；水声信道中声音信号的可用带宽很窄。此外，还存在节点移动和更换电池困难的问题。因此设计一种适用于 的 协议将面临极大的挑战。随着 的关注度日益增大，越来越多适用于 的 协议被国内外学者相继提出。协议一般分为基于竞争的 协议和基于无竞争的 协议。基于无竞争的 协议包括频分多址（，第 期田晓静，杜秀娟等：基于状态着色的水声网络 协议）、时分多址（，）和码分多址（，）。将频带分成若干个
4、子频带，然而水下信道带宽很窄，会造成很低的吞吐量，因此 不适用于。引入伪随机码，使得每个节点可以在同一时间使用同一频带进行通信，提高了信道利用率，然而，难以解决远近效应的问题，因此并不适用于。允许将时间信道分为离散的时隙，但在 中时钟同步难以实现，在水下并不适用。基于竞争的 协议分为随机访问的 协议与基于握手的 协议。夏威夷大学提出的 协议，每个节点可以随时发送数据包，简单易行，但是极易产生冲突；文献提出的 协议通过增加 控制包的长度，来避免冲突，但是过长的 控制包持续占用信道造成能量极大的浪费并且降低了信道利用率；文献提出的 协议引入时隙技术，只有在一个时隙的开始才能发送报文，因此短的控制包
5、也可以避免冲突，但是时钟同步在 中是一个难以解决的难题，较长的时隙划分对于有限的水下带宽造成了极大的浪费，每次数据传输之前都需要经过一系列的握手，且同一时间内只有一组数据进行传输，节点之间的握手不仅增大了能量消耗，同时也延长了数据传输的平均延时；文献提出的 是一种基于预约的 协议，不需要 握手机制避免冲突，然而引入了、等控制包和复杂的调度算法来避免冲突，若在移动的 中，传播延时估算误差会很大，因此只适用于静态网络或者移动性不大的网络中。本文提出一种新型的基于状态着色的水声网络 协议，与基于竞争的 协议相比，该协议不需要 握手机制避免冲突产生，通信全程只有数据帧和确认帧（，），没有使用除 以外的
6、任何控制包避免冲突，减少控制包可以减少能耗，提高信道利用率。我们通过节点一跳邻居表及其节点状态构建每一个节点的本地分层着色图，每个节点根据本地分层着色图实现尽可能多的并发无冲突传输，同时解决了隐藏终端和暴露终端的问题。为了提高协议的公平性，提出基于公平性的退避方案，给不容易抢占信道的节点较小的退避时间。当节点数据传输结束或一次抢占信道成功后传输的数据帧数达到最大值，节点开启退避计时器，退避时间结束后重新抢占信道。因此，协议在能耗、信道利用率和公平性等方面有极大的改进。协议为了更好地阐述 协议的机制，将第 节中描述 协议所使用的参数解释说明，如表 所示。表 协议中的符号参数符号含义节点 节点 的
7、本地分层图中的节点集节点 的本地分层图中的节点 与邻居节点共享边集节点 的本地分层着色图 包的传输延时 包的传输延时最大传播延时成功通信次数请求通信次数接收节点与发送节点的距离 协议的设计 构建本地分层着色图 本地分层拓扑图在网络初始化阶段，节点向网络中定期广播 消息（消息包含发送节点的、层级和位置等信息），传感器节点通过接收的 消息获取一跳邻居表和层级信息。根据传感器节点到 的跳数，为 中的每个节点指定一个层级。将拓扑图中节点附带层级后，得到分层拓扑图，如图 所示。此外，节点还根据收到 消息中邻居节点的信息，构建本地（一跳）邻居表，如表 所示。图 分层拓扑图表 节点 的邻居信息表节点层级层级
8、老化时间状态颜色位置，在 协议中，根据每个节点的本地一跳邻居表，为每个节点构建本地分层图。具体过程如传 感 技 术 学 报第 卷下：如图 所示，根据节点 的一跳邻居表（表）为节点 构建本地分层图，其中节点 的本地分层图中节点集为：，即：，；如果两个节点是一跳邻居那么两个节点共享同一条边，则（，），（，），（，），（，）。由于每个节点只会和本层或者上下层的节点成为一跳邻居，因此 节点和最底层的节点的本地分层拓扑图中层级数 为（），其余节点的本地分层拓扑图中层级数 都为（）。节点 的本地分层图可表示为，。图 节点 的本地分层图图 节点 与节点 通信 基于节点状态构建本地分层着色图 协议的通信过程如
9、图 所示，节点 是发送节点，节点 是接收节点，节点、节点 分别为节点 与节点 的一跳邻居节点，节点 通过尝试发送第一个试探数据帧抢占信道，第一个试探数据帧里有标识告诉节点 本次信道占用期间传输数据帧数。当节点 收到第一个试探数据帧时，向节点 回复 帧，表示传输无冲突。节点 收到来自节点 的 帧后，开始传输包链中剩余的数据帧，当节点 收到最后一个试探数据帧，回复一个 帧。节点 根据收到的 帧判断是否重传部分数据帧。协议中，帧对第一帧数据帧进行确认是为了判断是否成功抢占信道，帧对包链中的其余数据帧进行确认是为了判断是否需要重发丢失或出错的数据帧。在半双工通信的，需要一种机制来避免发送节点即将进行的
10、数据传输干扰其邻居节点正在接收其他节点的数据帧。为了解决这种干扰，协议通过侦听信道中的数据帧或 帧判断邻居节点状态，根据邻居节点状态为本地分层图中的节点着色，所着颜色分为以下 种颜色。绿色表示该邻居节点状态未知或处于发送避免状态，发送节点可以尝试给该邻居节点发送第一帧试探数据帧。在网络初始化完成后数据传输开始前，节点将邻居表中邻居节点的状态初始化为未知状态；为了保证节点使用信道的公平性，当节点数据传输结束或一次抢占信道成功后传输的数据帧数达到最大值，按照协议规则节点要进入发送避免状态。黄色表示邻居节点处于发送状态，若给正处于发送状态的邻居节点传输数据，则会在该邻居节点处产生收发冲突。当发送节点
11、发送包链中的非最后一帧时，发送节点的邻居节点也侦听到来自发送节点的 （表示本节点侦听到了 帧，但该帧的目的节点不是本节点），此时发送节点的邻居节点认为发送节点处于发送状态。红色表示邻居节点正在接收来自其他节点的数据，此时若当前节点给该邻居节点发送数据会在该邻居节点处产生收收冲突。当接收节点发送回应第一帧试探数据帧的 帧，并进入接收状态。此时接收节点的邻居也会听到 帧（表示本节点侦听到了 帧，但该帧的目的节点不是本节点），此时接收节点的邻居节点认为接收节点处于接收状态。图 节点 的分层着色图网络初始化完成后，在开始传输数据之前，节点将邻居表中邻居节点的状态初始化为未知状态。以节点 为例，网络初始
12、化后节点 的本地分层图中所有的节点的颜色都为绿色（图（）中灰色节点）。若节点 向其他邻居节点（除节点 以外的邻居节点）发送数据帧，节点 尝试发送第一个数据帧后，节点侦听到来自节点 的，将本地分层图中的节点 的颜色由绿色变为黄色（图（）中淡灰色节点）。若节点 接收到一个来自其他邻居节点（除节点 以外的邻居节点）的数据帧后，会回复一个 帧；节点 会听到来自节点 的 帧，将本地分层图中的节点 的颜色由绿色变为红色（图（）中深灰色节点）。节点 通过不断地侦听信道中的数据帧和 帧来确定邻居节点的状态，进而实时地给节第 期田晓静，杜秀娟等：基于状态着色的水声网络 协议 点 的本地分层图 着色，最后得到节点
13、 的本地分层着色图，。数据传输若节点 向节点 发送数据，要满足以下两个条件：节点 没有红色的邻居节点；节点 的颜色为绿色。图 数据帧传输满足这两个条件后，节点 与 的通信过程如图 所示：假设以包链的形式传输数据，一次数据传输最多发送 个数据帧。首先节点 向节点 尝试发送第一个试探数据帧，并要求节点 对该帧执行确认，节点 的邻居节点也会听到，此时节点 的邻居节点认为节点 处于发送状态并将本地分层着色图中节点 的颜色变为黄色；节点 收到，给节点 回复 帧，节点 的邻居节点听到 帧，此时节点 的邻居节点认为节点 处于接收状态并将本地分层着色图中节点 的颜色变为红色；节点 收到 帧后，依次向节点 传输
14、包链中剩余的 个数据帧，直至发送最后一个数据帧，并要求节点 对该 个帧执行确认。节点 收到 后，向节点 回复 帧，帧会告诉节点 传输的 个数据帧是否成功传输。若传输成功，节点 的邻居节点听到 帧认为节点 处于发送避免状态，将本地分层着色图中节点 的颜色变为绿色；若传输失败，节点 需要立即重传出错的数据帧，节点 的邻居节点的本地分层着色图中节点 的颜色不变直到听到新的 帧并且所有数据帧完全成功传输，节点 颜色变为绿色。节点 的邻居节点（节点）在侦听到节点 传输的最后一个数据帧后等待，若没有听到节点 重传，节点 的邻居节点认为节点 已经处于发送避免状态并将本地分层着色图中节点 的颜色变为绿色。帧发
15、生丢包存在以下两种情况（具体示意图如图 所示）：节点 发送的包链中的第一个数据帧后，等待，没有接收到回应第一个数据帧的 帧，则节点 将重新传输第一个试探数据帧，直到接收到对应的 帧，或者重传的次数超过了预定义的次数；节点 发送包链中的最后一个数据帧 后，等待，仍然没有收到来自节点 的 帧，节点 将立刻重新传输最后一个数据帧，然后等待接收 帧。基于公平性的退避方案公平性是指信道资源可以公平地被节点获取，较早发送请求的节点应该优先传输数据。但是由于 长传播延时的特性，是否能优先传输数据不仅取决于节点发送请求的时间，还取决于节点的位置。时空不确定性使得距离接收节点较近的节点会迅速抢占信道，而其他距离
16、接收节点较远的节点难以获得信道资源，导致节点在获取信道资源上的不公平现象。因此，提出基于公平性的退避方案，改善信道分配资源不公平的现象。发送节点通过计算自己的优先级函数来评估自己接入信道的可能性。优先级函数对尚未接入信道的发送节点并不会产生影响。优先级函数是基于发送节点与接收节点的通信次数和发送节点的请求数据传输的次数。通信次数越大时，优先级函数值越小，发送节点接入信道的可能性越小；请求数据传输的次数越大时，优先级函数的值越大，发送节点接入信道的可能性越大。发送节点的优先级函数 的计算公式如式（）所示：图 函数图像（）（）式中：权重系数，为发送节点与接收节点的通信次数，为发送节点请求数据传输的
17、次数。权重系数 和 可以平衡通信次数和请求次数的影响。根据上述公式，当 增大，优先级函数值变小；增大，优先级函数值变大。通信次数越少，请求数据传输次数越多，优先级函数值越大，节点接入信道的可能性越大。函数 （）和函数 的图像如图 所示。传 感 技 术 学 报第 卷当节点数据传输结束或一次抢占信道成功后传输的数据帧数达到最大值，都会开启一个退避计时器。发送节点的优先级函数值越大，越早结束退避计时器。由于 的时空不确定性，信道可能会被一个有距离优势的节点一直占用，造成信道分配不公平的现象。因此，我们给距离接收节点较远的节点较高的优先级。为接收节点与发送节点之间的距离。越大退避时间越小，越高退避时间
18、越小。因此，较大和 较高的发送节点会优先结束发送退避状态去抢占信道。退避计时器由式（）表示：（），（）（）隐藏终端和暴露终端隐藏终端是两个不在彼此传输范围内的发送节点可能在同一个接收节点处发生冲突。如图 所示：节点 与节点 都是都在节点 的传输范围内，但是节点 与节点 不在彼此的传输范围内。节点 和节点 同时向节点 发送的数据帧可能会在节点 处发生冲突。在 中，隐藏终端会产生冲突，降低吞吐量，提高能量消耗。协议中，若节点 有数据向节点 传输且节点 满足向节点 传输数据的条件时，节点 首先向节点 发送第一个试探数据帧，节点 收到第一个数据帧后，向节点 回复。由于节点 在节点 的传输范围内，节点
19、也会侦听到，此时节点 的本地分层着色图中节点 的颜色变为红色（接收状态），节点 将不满足向节点 传输数据的条件，无法向节点 发送第一帧数据帧，解决了隐藏终端的问题。图 与 互为隐藏终端，与 互为暴露终端暴露终端是一个发送节点侦听到其他的数据传输，而推迟该节点数据传输，此时产生暴露终端的问题。如图 所示，节点 和节点 是节点 的邻居节点，节点 和节点 是节点 的邻居节点，但节点 和节点 不是彼此的邻居节点，节点 由于侦听到节点 向节点 发送数据而推迟自身向节点 发送数据，事实上，节点 向节点 发送数据并不会干扰节点 向节点 发送数据。在带宽有限的 中暴露终端会降低信道利用率和吞吐量。协议中，若节
20、点 有数据向节点 传输且节点 满足向节点 传输数据的条件，节点 向节点 发送第一个试探数据帧后，节点 也在节点 的传输范围内，节点 也会侦听到，此时节点 的本地分层着色图中节点 的颜色为黄色（发送状态），节点 与节点 的数据传输并不会推迟节点 向节点 发送数据，解决了暴露终端问题。信道利用率分析通 过 数 学 分 析 对 比 协 议 与 协议的信道利用率。假设网络布局如图 所示，节点 的邻居节点的个数为（），每一个邻居节点都有 个节点对 隐藏，称为节点 的隐藏节点（图中，节点 的灰色邻居节点是节点 的隐藏节点，）。每个节点每秒平均发送 个数据帧（以参数为 的泊松源发送数据）产生的数据帧均匀地指
21、向每一个邻居节点，即每一个邻居节点将以 的速率接收数据帧。图 网络拓扑图节点的信道利用率被定义为成功传输有效数据帧的传输时间与整个数据传输总时间的比值：?（）式中：?表示发送有效数据的平均时间，?表示信道中繁忙的平均时间（包含传输成功、传输失败以及退避所占用的时间），?表示信道中空闲的平均时间。在 协议中，一个时隙包含一个数据帧的最大传输延时、最大传播延时 以及保护时间，即：（）在 协议中，表示传输一个数据帧所需要的最大时间，包含传输一个数据帧的传输时延（）和最大传播时延（），即：（）因此，。在 协议中传输一个数据帧占用的时间大于 协议中占用的时间。第 期田晓静，杜秀娟等：基于状态着色的水声网
22、络 协议 假设在 中的误码率为，若一个数据帧有 个比特，那么数据帧错误率 为：（）（）在 协议中，表示发送节点（节点）在某时隙中发送 帧时，这个帧被成功传输的概率。该帧的成功传输意味着此时隙发送节点的邻居节点既没有发送 帧，也没有回复 帧给发送节点的隐藏节点，也就是说：发送节点的所有隐藏节点在上一个时隙都没有成功传输 帧给发送节点的邻居节点。因此，可表示为：()（）（）在 协议中，表示成功传输的概率，即当接收节点为绿色（“未知状态”与“发送避免状态”），且发送节点的其他邻居节点都不为红色（“接收状态”）时，发送节点才会向接收节点发送数据帧。协议成功传输需要满足以下三个条件：接收节点在 时间内并
23、没有转换到发送状态进行数据的发送；接收节点的其他邻居节点在 时间内不向接收节点发送数据；发送节点的其他邻居节点在 时间内不向发送节点的隐藏节点回复 帧。因此，可表示为：（）（）（）在式（）和式（）中，并且（）（），因此，协议成功传输的概率远大于 协议成功传输的概率。在 协议中，一次完整的数据传输包含 帧、帧，所有的数据帧（包含重传的数据帧）以及 帧。帧、帧以及 帧都需占用一个时隙。在 协议中，一次完整的数据传输包含第一个试探数据帧，回应第一个数据帧的 帧，建立通信后剩余全部数据帧（包含重传的数据帧）以及回应最后一个数据帧的 帧。数据传输所需要的总时间用 表示。定义 为数据开始传输到成功地接收到
24、 帧所占用的总时间，那么：（）（）（）式（）中：发送有效数据的平均时间?是指数据传输过程中传输数据帧所占用的平均时间。那么发送节点发送有用数据帧的平均时间为：?（）式中：表示发送节点传输数据成功的概率。在 协议中，。在 协议中，。信道的平均繁忙时间包含成功传输数据帧的平均时间（?）、信道中发生冲突而传输数据帧失败的平均时间（?）以及平均退避时间（?），因此：?（）在 协议中，一次完整数据成功传输的总时间 应该包含 帧和 帧所需要的两个时隙加上，那么：（）在 协议中，一次完整数据成功传输的总时间 应该包含回应第一个数据帧的 帧的总时间加上，那么：（）根据式（）和式（）可知，因此，协议一次完整数据
25、成功传输的总时间大于 协议一次完整数据成功传输的总时间。在式（）中，对于 协议，?；对于 协议，?。在 协议中，数据帧传输失败的时间包含两个时隙，第一个时隙是用来发送 帧，第二个时隙是用来等待不会到达的 帧。由于发送节点与其 个邻居节点产生数据帧的速率是相同的，因此一个给定 帧是发送节点产生的概率为 （），因此：?（）（）在 协议中，数据帧传输失败的时间包含发送第一个数据帧以及没有接收到回应第一个数据帧的 帧的时间，因此：?（）（）（）式中：为回复第一个数据帧的 的传播延时加传输延时，。在式（）和式（）中，因此?。协议数据帧传输失败的时间大于 协议数据帧传输失败的时间。在 中，退避时间是指由于
26、发送节点侦听到其邻居节点发送的 帧或者侦听到信传 感 技 术 学 报第 卷道上存在冲突后而推迟自身数据帧传输的时间。发送节点侦听到其邻居节点发送的 帧的概率为：（）（）此时退避时间为（）（）。信道中无冲突有以下两种情况：只有一个发送节点的邻居节点发送 帧；没有发送节点的邻居节点发送 帧。那么发送节点侦听到信道存在冲突概率为：（）（）（）此时退避时间为。协议的退避时间 可表示为：（）（）（）在 协议中，接收节点不为绿色（“接收状态”或“发送状态”）时或者发送节点存在红色（“接收状态”）的邻居节点，发送节点进入退避状态，开启退避计时器。发送节点认为接收节点不为绿色有以下两种情况：发送节点侦听到接收
27、节点向发送节点的隐藏节点回复第一个 帧；发送节点侦听到接收节点传输第一个试探数据帧。接收节点不为绿色的概率为：（）（）（）此时退避时间为（）（）。发送节点存在红色（“接收状态”）的其他邻居节点是指发送节点侦听到除了接收节点之外的其他邻居节点发送的 帧。发送节点认为此时传输会使信道中产生冲突且干扰其他邻居节点的数据传输而推迟自身的数据传输，因此，发送节点存在红色其他邻居节点的概率为：（）（）（）此时退避时间为。协议中的退避时间 表示为：（）（）（）（）根据 式（）和 式（）可 知：，（）（）且（）。因此 协议退避时间大于 协议退避时间，即。协议以及 协议的信道中空闲的平均时间?，如下式所示：?（
28、）（）综合以上公式可得，协议的信道利用率如式（）所示，协议的信道利用率如式（）所示。根据式（）和式（），可知：。根据式（）式（）可得 协议传输有效的数据平均时间大于 协议传输有效数据的平均值。由式（）可知：传输有效数据的平均时间?的值越大，平均繁忙时间?和平均空闲时间?之和越小，协议的信道利用率越大。综上所述，协议的信道利用率远大于 协议的信道利用率。（）（?）（）（）（?）（）协议的仿真与分析 仿真场景参数设计通过 平台进行仿真实验来评估所提出的 协议的性能。仿真实验在 的仿真区域内部署 个节点，路由协议采用 协议，仿真实验参数设置如表 所示。表 协议仿真参数表参数取值单位数据帧大小 帧大小
29、仿真时间发送功率增益带宽 性能评估指标有总能耗、平均能耗、端到端延时、吞吐量、交付率、信道利用率。其中，总能耗是指在仿真时间内整个网络所消耗的总能量，即各节点的初始能量与剩余能量之差的和；平均能耗指一次仿真实验中总能耗与 节点成功接收的包数的比值；交付率是指在仿真实验时间内 节点成功接收的数据帧数与发送节点生成的总数据帧数的比值；吞吐量为单位时间内 节点成功接收的数据量；端到端时延是指从发送节点产生数据帧到该数第 期田晓静，杜秀娟等：基于状态着色的水声网络 协议 据帧被 节点成功接收所需要的时间；信道利用率定义如 小节式（）所示。最佳节点数与声波信号强度为了测试 协议的性能，需要部署一个合适的
30、仿真实验场景，避免 协议由于实验场景部署不恰当导致性能低的问题。本节通过大量的仿真实验测试在 的仿真区域内最佳节点数与最佳声波信号强度。仿真环境设置如下：数据总量为 字节，数据率为 包，其他仿真实验环境参数设置与表 相同。在一个三维空间内，若节点数太少，网络连通性差，在数据帧传输过程中存在找不到下一跳节点的情况，数据帧不能从源节点成功地传输到 节点，若节点数太多，节点密度太大，节点之间冲突的可能性增大，因此选择一个适用于此仿真环境的最优节点数是非常必要的。图 传输范围随声波信号强度变化声波信号强度决定节点传输范围，当传输范围较小时，竞争信道的节点比较少，但是数据帧从源节点到 节点的跳数会增大，
31、网络连通性较差，可能出现孤立的节点。当传输范围较大时，数据帧从源节点到 节点的跳数会变小，网络有较好的连通性，但是任意节点的邻居节点数会增加，会进一步加大冲突的可能性。在仿真实验中，通过给定发送节点和接收节点的距离，测试发送节点可以成功传输数据帧到接收节点的最小声波信号强度。仿真结果如图 所示，声波信号强度的取值范围为 至 。其中传输范围 、对应的声波信号强度为、。图 表示声波信号强度与平均邻居节点数之间的关系。声波信号强度越大，节点的传输范围越大，那么节点的平均邻居节点数量越多。图 表示节点个数、声波信号强度与交付率的关系。当节点数量较少时，网络连通性较差，需要较大的声波信号强度来保障整个网
32、络的连通性。当节图 平均邻居节点个数随声波信号强度变化点数较大时，较小的声波信号强度就能保障网络的连通性。在图中，当声波信号强度为 和 时，随着节点数的增加，网络连通性逐渐变好，交付率逐渐增大；当声波信号强度大于等于 时，节点数量为、时都能有很好的网络连通性，因此交付率均在 以上。图 节点个数、声波信号强度对交付率的影响图 表示节点个数、声波信号强度与总能耗的关系。随着网络中部署的节点数逐渐增大，整个网络消耗的总能耗逐渐增大；随着声波信号强度逐渐增大，整个网络的总能耗也逐渐增大。图 节点个数、声波信号强度对总能耗的影响图 至图 仿真实验结果表明：在保障交付率的前提下，应该尽量选择部署较少的节点
33、和较小的声波信号强度使得网络中的总能耗较小。因此，综传 感 技 术 学 报第 卷合仿真实验结果选择在仿真区域部署 个节点，设置节点的声波信号强度为。并行传输和无并行传输分析当发送节点有数据传输时，判断其本地分层着色图，若接收节点为绿色，其他邻居节点没有红色，发送节点可以发送数据帧，这样就可以实现发送节点与其他邻居节点并行传输数据帧，提高了网络吞吐量和信道利用率，解决 中信道利用率低的问题，然而，并发传输可能会带来冲突；若接收节点与发送节点的其他邻居节点都为绿色时发送节点才能发送数据帧，这样就没有并发传输的可能性，会减少冲突的发生，提高交付率，对于带宽有限 的，非并行传输会造成极大的带宽资源浪费
34、，使得 中信道利用率低。图 吞吐量随数据率的变化图 表示并行传输与非并行传输的吞吐量随着数据率增大的变化趋势。仿真环境设置如下：数据总量为 字节，其他的仿真实验环境设置与表 相同。图（）（）分别表示一个源节点、两个源节点、三个源节点以及四个源节点时 协议中并行传输与非并行传输的吞吐量随着数据率增大的变化趋势。在图（）中，网络中只有一个源节点，根据 路由机制，路由的选择与候选节点的剩余能量有关，因此节点每次传输数据选择的路径不尽相同，当数据率较大时，网络中就会存在并行传输的情况，并行传输的吞吐量大于非并行传输的吞吐量；数据率较小时网络中不存在并行传输的情况，并行传输与非并行传输的吞吐量几乎相同。
35、在图（）（）中，由于网络中有多个源节点，因此存在大量的并行传输，随着数据率的增大，并行传输的吞吐量均大于非并行传输的吞吐量；源节点数越多，并行传输的吞吐量与非并行传输的吞吐量差值越大。图 表示 协议中并行传输与非并行传输的吞吐量随着源节点个数增加的变化趋势。仿真环境设置如下：数据总量为 字节，其他的仿真实验环境设置与表 相同。当源节点数为 时并行传输与非并行传输吞吐量几乎相同，当源节点数大于 时，随着源节点数的增加，并行传输的吞吐量大于非并行传输的吞吐量。在图中，并行传输与非并行传输的吞吐量均随着源节点个数的增加而增大。然而随着源节点个数的增大，网络中产生的冲突也随之增大的，因此当源节点个数为
36、 时，吞吐量达到峰值。源节点增加到 个之后吞吐量逐渐减少，源节点增加到 之后吞吐量逐渐趋于稳定。图 吞吐量随源节点个数的变化图 协议信道利用率图、图 的仿真结果表明，在水下环境中，并行传输使得 协议性能更优。性能测试与分析本节通过大量的仿真实验测试 协议的性能。仿真环境设置如下：数据总量为 字节，其他的仿真实验环境设置与表 相同。信道利用率是衡量信道使用效率的重要指标。因此，我们对 协议进行了多组仿真实验以测试其信道利用率，仿真结果如图 所示。信道利用率指成功传输有效数据帧的时间与整个数据传输总时间的比值。数据帧被成功传输所占用的时间被定义为成功传输数据帧的时间；整个数据传输总时间包含信道中传
37、输成功、传输失败、退避所占用的时间以及平均空闲时间。仿真结果表明，对于 协第 期田晓静，杜秀娟等：基于状态着色的水声网络 协议 议，每组实验的信道利用率均达到了 以上，且信道利用率均值为。图 表示的是在不同声波信号强度下 协议、协议和 协议的端到端延迟的比较。随着声波信号强度的增加，协议、协议和 协议的端到端延迟都呈减少的趋势。这是因为随着声波信号强度的增加，数据帧从 节点到源节点的跳数减少，对应端到端延迟逐渐减少。仿真结果表明，与 协议和 协议相比，协议的平均端到端延迟性能表现更优。图 端到端延时随声波信号强度的变化图 吞吐量随数据率的变化图 表示的是在不同数据率下 协议、协议和 协议的吞吐
38、量的比较。随着数据率的增加，三个 协议的吞吐量都在逐渐增加。当数据率继续增大时，由于 协议和 协议都能有效地避免冲突，因此吞吐量都逐渐趋于稳定，但是 协议的吞吐量仍小于 协议的吞吐量。协议由于冲突的大量产生而导致吞吐量急剧下降。仿真结果表明，与 协议和 协议相比，协议的吞吐量性能表现更优。图 表示的是在不同数据率下 协议、协议和 协议的平均能耗的比较。随着数据率的增大，网络负载以及冲突都会相应增 加。协 议、协 议 和 协议的平均能耗都相对较小，但是由于 协议信道利用率较低，每成功传输一帧经历的端到端时延较大，增加了节点的侦听和空闲能耗。在数据帧不是很长的 网络，频发的 握手消耗了额外的能量。
39、协议使用了复杂的调度算法来避免冲突，但也一定程度上增加了平均能耗。因此 协议 和 协议的平均能耗均大于 协议的平均能耗。随着数据率的增加，协议平均能耗基本维持在 左右，然而 协议和 协议由于竞争信道产生冲突而提高了能耗。由于 协议使用调度算法来避免冲突，因此 协议没有 协议能耗增加得多。仿真结果表明，与 协议和 协议相比，协议的平均能耗性能表现更优。图 平均能耗随数据率的变化仿真实验结果表明，协议的端到端延时、吞吐量和平均能耗等性能均优于 协议和 协议。结论提出了一种基于状态着色的水声网络 协议（），并且分析对比了 协议和 协议的信道利用率。通过 仿真实验，分析研究并行传输和无并行传输对协议性
40、能的影响，同时对 协议与 协议和 协议的性能进行比较分析。仿真实验表明，并行传输与非并行传输吞吐量差值最大为 ，并行传输时协议性能更优；协议与 协议和 协议的端到端延时的最大差值大约为 和，协议与 协议和 协议的吞吐量的最大差值大约为 和 ，协议与 协议和 协议的平均能耗的最大差值大约为 和 ，因此，协议的吞吐量、端到端延迟和能耗这三项的性能都要优于 协议和 协议。参考文献：，传 感 技 术 学 报第 卷 ，：，：，（）：，（）：张美燕，蔡文郁，郑晓丹，等 水下传感网络能量均衡与时延优化深度路由协议 传感技术学报，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（），（）：，：，（，），（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，：，（）：，（），（）：，：，：，（），：，：，：田晓静（），女，山西晋中人，青海师范大学博士生，主要研究方向为水下传感器网络，无线网络与安全等；杜秀娟（），女，河北石家庄人，博士，青海师范大学教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才，主要研究方向为水下传感器网络、物联网、计算机网络与安全等。
