田向陽 劉 漩

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

多跳水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)性能分析?

田向陽 劉 漩

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

在多跳水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議的性能有所抑制，同時(shí)由于存在較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳播延時(shí)RTS-CTS協(xié)議的效能也大大折扣。論文建立了基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議模型，用來分析在簡(jiǎn)單線性拓?fù)渌晜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中Aloha協(xié)議的性能。對(duì)該模型的評(píng)估顯示Aloha協(xié)議對(duì)通信負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模都極為敏感。

多跳水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)；Aloha協(xié)議；介質(zhì)訪問控制

1 引言

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)受到傳輸帶寬和傳播延遲兩方面的限制。在網(wǎng)絡(luò)中，傳感器把本身產(chǎn)生的以及來自上級(jí)節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，然后通過網(wǎng)關(guān)把水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來。用于這種網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議必須考慮到其特有的傳輸模式、帶寬限制以及傳輸延時(shí)。傳統(tǒng)的RTS-CTS機(jī)制即使在跳躍數(shù)不多的網(wǎng)絡(luò)中也是低效的。除非使用巨大的數(shù)據(jù)幀，否則當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)極為嚴(yán)重時(shí)基于競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議也是低效的［1-3］。

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性在于網(wǎng)絡(luò)中的信息傾向于一種特殊的傳輸模式。因?yàn)樗懈袘?yīng)器產(chǎn)生的信息都流向網(wǎng)關(guān)，所以感應(yīng)器中的來自于別的節(jié)點(diǎn)的信息量和它與網(wǎng)關(guān)之間的跳數(shù)成反比。這導(dǎo)致信息越靠近網(wǎng)關(guān)它產(chǎn)生堵塞的可能性就越大。

在一個(gè)多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，除了網(wǎng)絡(luò)信息傳輸特性外其他的一些因素也使得對(duì)MAC協(xié)議性能分析變得復(fù)雜。這些因素包括半雙工傳輸?shù)奶匦?，信息時(shí)間和空間的不同產(chǎn)生傳輸損耗也不同。這使得對(duì)誤碼率和線路連通性建模變得困難，同時(shí)也帶來了評(píng)估上的限制，比如可靠性和復(fù)雜拓?fù)湓u(píng)估［4］。本文定義了問題空間并且建立一個(gè)研究在簡(jiǎn)單多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖1）中Aloha協(xié)議性能的模型。該模型可以擴(kuò)展到更為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如多分枝樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

該模型提供了一種計(jì)算網(wǎng)絡(luò)預(yù)期通信量和任意傳感器的幀傳到網(wǎng)關(guān)的概率的方法。同時(shí)也提供了為各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定合適Aloha協(xié)議的有用依據(jù)。這個(gè)模型的評(píng)估表明Aloha協(xié)議在簡(jiǎn)單小負(fù)荷水聲系統(tǒng)具有適用性。

圖1 線性拓?fù)鋱D

2 問題空間

2.1 目標(biāo)協(xié)議

基于競(jìng)爭(zhēng)MACMAC協(xié)議會(huì)限制介質(zhì)訪問控制的性能，所以一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)不需要事先和其他節(jié)點(diǎn)調(diào)試。這些協(xié)議大體上分為兩類：Aloha協(xié)議，這一類協(xié)議不考慮介質(zhì)目前狀態(tài)，另一類是載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA），這類協(xié)議則考慮介質(zhì)目前狀態(tài)。為了使CSMA能有效的工作，傳感器在它所傳輸?shù)男畔⑼渌?jié)點(diǎn)的信息發(fā)生沖突的情況下必須在某種程度上能決定其正確性。無線介質(zhì)的本質(zhì)使得這種檢測(cè)變得重要起來。在無線電廣播頻率（RF）范圍內(nèi)這個(gè)問題的解決辦法是使用一類MAC協(xié)議，這類MAC協(xié)議通過使用動(dòng)態(tài)訪問預(yù)留表來避免碰撞，例如著名的RTS-CTS交換。這可以減少卻并不能消除沖突［5～7］。

Aloha協(xié)議在傳輸前不考慮介質(zhì)的狀態(tài)，這就減少了延遲帶來的影響，因此對(duì)它的分析相對(duì)簡(jiǎn)單一些。當(dāng)進(jìn)行幀的接收時(shí)介質(zhì)的狀態(tài)處于易于接受的狀態(tài)是至關(guān)重要。只有當(dāng)該幀需要被同一個(gè)傳輸過程中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收時(shí)，相關(guān)的傳播延時(shí)才會(huì)被考慮進(jìn)來。因?yàn)閭鞑パ訒r(shí)會(huì)讓顯著增長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)信息易損期。

2.2 使網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的因素

分析一個(gè)應(yīng)用于多跳水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基于競(jìng)爭(zhēng)MACMAC協(xié)議性能時(shí)有幾個(gè)因素是必須考慮的。

信息模式和信息流：一個(gè)傳感器會(huì)在不相關(guān)的時(shí)間隨機(jī)的或者周期性的生成信息。報(bào)告罕見或極端事件使用前一個(gè)生成模式，而報(bào)告流向監(jiān)視則使用后一個(gè)生成模式。如果信息是隨機(jī)產(chǎn)生的，那么它到來的過程可以按照泊松分布建模。如果各個(gè)傳感器產(chǎn)生信息是獨(dú)立的，那么信息的合成也將是一個(gè)泊松分布［8］。如果信息產(chǎn)生是周期性的，那么兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間信息到達(dá)時(shí)間的不同將會(huì)嚴(yán)格取決于節(jié)點(diǎn)之間傳播延時(shí)的不同。也許有人會(huì)認(rèn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)開始產(chǎn)生信息的時(shí)間是一個(gè)隨機(jī)變量。然而，信息產(chǎn)生過程一旦開始，那么除非被外力或者信息產(chǎn)生算法所改變，否則幀的托付周期在此節(jié)點(diǎn)的工作期限內(nèi)將會(huì)固定下來。因此，在周期性的信息傳輸模式中一旦發(fā)生了一次沖突，那么接下來的所有和這一來源點(diǎn)相關(guān)的幀都會(huì)繼續(xù)沖突下去。

另外一個(gè)問題是信息流模式自身的問題。如上所述，在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有的信息都流向唯一的目的地即網(wǎng)關(guān)。因此，在信息流向網(wǎng)關(guān)的過程中將會(huì)出現(xiàn)聚集現(xiàn)象。這一現(xiàn)象會(huì)增加所有信息生成策略發(fā)生沖突的可能性，但在周期性信息生成策略中它會(huì)增加一些傳感器永久丟失幀的可能性。這說明對(duì)于周期性信息生成模式的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)來說基于競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議也許不是一個(gè)好的選擇［9］。

可靠性服務(wù)要求：很多應(yīng)用要求信息能確保送達(dá)。像這樣的可靠性服務(wù)需要一直進(jìn)行幀的緩沖和轉(zhuǎn)發(fā)直到收到應(yīng)答為止。從數(shù)學(xué)分析上看，緩沖和轉(zhuǎn)發(fā)也許推翻了泊松分布關(guān)于節(jié)點(diǎn)信息傳輸模式的假設(shè)。進(jìn)一步說來，進(jìn)行應(yīng)答接收就增加了一個(gè)額外的信息易損期，因此潛在的沖突就增加了。

信道模型：水通道的幾個(gè)特性使建立清晰的性能模型成為困難。除了上面談到的傳播延時(shí)外，人們必須考慮到半雙工通信的性質(zhì)，時(shí)間和空間不同導(dǎo)致的信息損耗和單向性聯(lián)接的可能影響［10］。

在半雙工通信中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的優(yōu)先級(jí)比接受信息的優(yōu)先級(jí)要高。也就是說，如果發(fā)送信息工作和接受信息工作是同時(shí)進(jìn)行的，或者有一幀到達(dá)節(jié)點(diǎn)而該節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送信息工作，那么對(duì)于幀信息的接收工作就會(huì)一直處于失敗狀態(tài)。而在信息發(fā)送方面，除非在下級(jí)鏈路該幀同來自其他節(jié)點(diǎn)的幀發(fā)生沖突，否則對(duì)發(fā)送工作沒有影響。如果幀到達(dá)節(jié)點(diǎn)時(shí)同其他的幀重疊，那么對(duì)于該節(jié)點(diǎn)來說這些幀就丟失了。然而，既然這些幀的其中之一來源于下級(jí)節(jié)點(diǎn)（拓?fù)淙鐖D1），那么拓?fù)鋵?duì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息將會(huì)比較有利。因?yàn)橹挥挟?dāng)它與來自該節(jié)點(diǎn)下級(jí)節(jié)點(diǎn)的幀發(fā)生沖突時(shí)該幀才會(huì)丟失。

到目前為止我們僅僅討論了由沖突引起的幀丟失。幀也可能由于傳輸錯(cuò)誤而丟失，這些錯(cuò)誤的產(chǎn)生主要是由于信息在信道傳輸過程中的信息衰減。在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，信息衰減由于時(shí)間和空間不同導(dǎo)致了信息損失模式變化很大且復(fù)雜，這使得為這些網(wǎng)絡(luò)傳輸錯(cuò)誤建立一個(gè)精確的靜態(tài)模型成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

信息損失在時(shí)間和空間上的不同可能會(huì)導(dǎo)致一些本來應(yīng)該是全雙工的網(wǎng)絡(luò)變成單工的。網(wǎng)絡(luò)可能因此被隔離開來了，在這種情況下上級(jí)節(jié)點(diǎn)部分和網(wǎng)關(guān)就處在了隔離狀態(tài)。在一些典型的拓?fù)渲校@也許不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的隔離，但是在需要可靠性服務(wù)的情況下將會(huì)需要通過其他的路徑來傳回應(yīng)答信息。

2.3 性能度量

在評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能時(shí)通信量和延時(shí)是典型的參考值。通信量必須考慮典型的信息流。既然在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有的信息都流向網(wǎng)關(guān)，那么只有到達(dá)網(wǎng)關(guān)的信息才反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的通信量。信息內(nèi)容的性質(zhì)決定了網(wǎng)絡(luò)特定性能要求。如果信息對(duì)時(shí)間敏感，那么把信息的延時(shí)變?yōu)樽钚【惋@得重要起來。然而如果信息對(duì)時(shí)間沒有嚴(yán)格要求，那么傳輸可靠性就比等待時(shí)間更為重要了。

因此，有三個(gè)參考值對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有明顯的影響：通信量，幀延時(shí)和傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的概率。這三項(xiàng)因素都依賴于每一跳幀的接收成功率［11］。

3 具體分析

作為分析Aloha協(xié)議在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)適用性的第一步，我們需要建立該協(xié)議在一個(gè)簡(jiǎn)單多跳線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的性能模型。我們假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍只是到達(dá)它臨近節(jié)點(diǎn)的一跳，并且沖突范圍比任何一個(gè)兩跳臨近節(jié)點(diǎn)的距離都要近。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)立刻發(fā)出它所接受到來自上級(jí)臨近節(jié)點(diǎn)的每一幀［12］。該分析不考慮可靠性服務(wù)模式，也不考慮可能出現(xiàn)的捕獲效應(yīng)，如果一個(gè)幀和其他幀沖突的話就認(rèn)為此幀丟失。

3.1 問題方程

傳輸模式：假設(shè)每一個(gè)傳感器以平均λ幀每秒的速率產(chǎn)生數(shù)據(jù)的事件是隨機(jī)的，傳感器之間產(chǎn)生信息是獨(dú)立的。再假設(shè)每一個(gè)傳感器產(chǎn)生的幀都會(huì)遵循泊松分布。我們進(jìn)一步假設(shè)所有傳感器產(chǎn)生的幀的大小都是恒定的并且速率始終如一，這樣幀的傳輸時(shí)間就會(huì)是恒定，標(biāo)記為T。那么每一個(gè)傳感器的提供負(fù)荷（原始幀）就表示為λT。

性能度量：在本文分析中我們注重網(wǎng)絡(luò)的通信量。同時(shí)我們也關(guān)注每個(gè)節(jié)點(diǎn)的幀發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的概率。

既然網(wǎng)絡(luò)的有效通信量是網(wǎng)關(guān)接收到的來自線性鏈路終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的信息量，那么我們?cè)诜治鐾ㄐ帕康臅r(shí)候必須關(guān)注此鏈路最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)On和網(wǎng)關(guān)之間能達(dá)到的最大通信量。網(wǎng)絡(luò)的通信量U(n)來表示，同時(shí)它也表示鏈路最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信量。通信量多少依賴于網(wǎng)關(guān)能成功接收來自于On的幀的多少。

Oi+1能否成功接收Oi的幀取決于Oi+1的狀態(tài)，是空閑的，正在查看它的下游臨近節(jié)點(diǎn)Oi+2發(fā)送的幀，還是自己本身正在發(fā)送幀。這些制約條件都是獨(dú)立存在的。Oi的傳送成功率Pi就是Oi+1的幀接收成功率，可寫作如下表達(dá)：

Pi=Pr｛Oi+1節(jié)點(diǎn)成功接收幀數(shù)|Oi節(jié)點(diǎn)傳送的幀數(shù)｝

問題現(xiàn)在就變?yōu)閷?dǎo)出各個(gè)Pi并把它們和網(wǎng)關(guān)的信息量聯(lián)系起來。一旦獲得了這些數(shù)據(jù)，那么Oi的幀到達(dá)網(wǎng)關(guān)的概率就是。同時(shí)這也是所有下級(jí)節(jié)點(diǎn)能成功接收此幀的概率。由此，幀的端到端延時(shí)可以通過幀成功穿過網(wǎng)絡(luò)的概率，累積傳輸量以及它到網(wǎng)關(guān)的傳播延時(shí)推導(dǎo)出來。

3.2 得到Pi和U(n)的方法

因?yàn)橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息前并不考慮在它一跳范圍內(nèi)的臨近節(jié)點(diǎn)是否正在進(jìn)行信息接收工作，因此當(dāng)臨近節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行幀接收工作時(shí)，信息易損期就變?yōu)榘l(fā)送時(shí)間的兩倍，也就是2T。為了得到Oi+1的接收成功率，我們必須確定所有可能的沖突源。我們假設(shè)沖突范圍比任意一個(gè)兩跳臨近節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的距離都要近。只有距離接收節(jié)點(diǎn)一跳的距離的相關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的信息才必須被考慮進(jìn)來，如圖2。因此，我們必須確定沖突節(jié)點(diǎn)集合Ci=｛Oi+Oi+1+Oi+2｝中的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息概率，這樣它能在接收相關(guān)幀的任意時(shí)間內(nèi)到達(dá)它的接收點(diǎn)。

圖2 沖突節(jié)點(diǎn)集

假設(shè)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)以速率λ生成的幀信息是獨(dú)立的，完全分布式的，同時(shí)節(jié)點(diǎn)間在產(chǎn)生幀的時(shí)候是獨(dú)立的，節(jié)點(diǎn)Oj聚集的信息量可以以泊松分布建立模型。我們用λj表示節(jié)點(diǎn)Oj聚集的信息量。在一個(gè)幀信息易損期內(nèi)Oj沒有信息產(chǎn)生的概率是：

假設(shè)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)以相同的速率產(chǎn)生幀，我們分別得到：

由此，我們得到

O1的成功傳輸率和相應(yīng)的O2的接收成功率都依賴于沖突節(jié)點(diǎn)集合C1。該概率是

式（3）反映在一個(gè)信息易損期，只有在沒有O1或O3的其他幀到達(dá)O2，并且O2沒有進(jìn)行傳輸以致鏈路堵塞的情況下，O1的幀才會(huì)被成功接收。一般來說Oi的幀被成功接收的概率取決于Ci如下所示。

結(jié)合式（2），（4）和（5）我們得到關(guān)于 n個(gè)變量λ1,λ2,...,λn的 n 個(gè)非線性方程。用 Ui表示 Oi到Oi+1的鏈路通信量，那么，Ui=λn?Pn?T 。該網(wǎng)絡(luò)的通信量可以簡(jiǎn)單表示為

每一次向網(wǎng)關(guān)的繼續(xù)跳躍都會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)負(fù)荷增加，直到不能支持更多的負(fù)荷為止，在這種情況下，每產(chǎn)生一幀新信息都會(huì)導(dǎo)致至少另外一幀信息在一個(gè)或者更多的沖突節(jié)點(diǎn)集中由于沖突而丟失。因此，每多一次跳躍節(jié)點(diǎn)的成功接收率就會(huì)隨之減少。然而線性鏈路的最后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)除外，因?yàn)樗鼈兊臎_突節(jié)點(diǎn)集較小。兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的接收成功率之比如下。

因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以承受的聚集負(fù)荷隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長(zhǎng)會(huì)呈指數(shù)減少。這樣在給定信息產(chǎn)生速率λ后，根據(jù)它們之間相互依靠關(guān)系可以迭代得出 λi和 P1,P2,…,Pi的值。

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效通信量或者說網(wǎng)絡(luò)有用通信量用S(n)表示，其表達(dá)如下

在等式中L表示以字節(jié)單位的數(shù)據(jù)幀的平均大小，α表示網(wǎng)關(guān)收到的每一個(gè)數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)部分的平均比值。

4 性能評(píng)估

在得到線性鏈路中信息負(fù)荷值和傳感器數(shù)量后，通過解決式（2）給出的n個(gè)非線性方程，我們可以得到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的聚集信息負(fù)荷。這也可以通過解決下面這個(gè)最簡(jiǎn)化的問題來得到。

等 式 中 Λ=(λ1,λ2,…,λn) ， Fi(Λ)=，在后一個(gè)等式中Ph是Λ的函數(shù)。

得到每一個(gè) λi值就可以直接計(jì)算出 Pi和U(n)。接下來我們給出不同網(wǎng)絡(luò)大小n值時(shí)相應(yīng)的傳感器平均負(fù)荷λ?T。

圖3 在不同的線性規(guī)模下節(jié)點(diǎn)信息負(fù)荷（λi）和節(jié)點(diǎn)號(hào)（i）所成的曲線關(guān)系

不失一般性，我們把T值設(shè)定為1。我們讓傳感器的平均負(fù)荷在λ=0.002，0.01，0.1或者0.5的范圍內(nèi)變化。圖3顯示每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同的線性網(wǎng)絡(luò)大小n值時(shí)的聚集信息量（λi,i=1,…,n）。當(dāng)負(fù)荷小的時(shí)候（λ=0.002，0.01，0.1），λi值隨著 i的增加而增加，而和n值無關(guān)。這點(diǎn)符合我們的直覺，因?yàn)槊恳粋€(gè)節(jié)點(diǎn)都需要把接收到的來自上游節(jié)點(diǎn)的幀發(fā)往下游。當(dāng)負(fù)荷增加的時(shí)候，這種趨勢(shì)就變?nèi)趿?。最終，當(dāng)λ=0.5的時(shí)候λi幾乎已經(jīng)變成一個(gè)和i無關(guān)的定值。這是因?yàn)?，?dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息負(fù)荷越來越多后，沖突會(huì)越來越多，最終會(huì)慢慢達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖4 在線性拓?fù)湟?guī)模為（n）時(shí)Pi和節(jié)點(diǎn)號(hào)（i）的曲線圖

那么我們期望，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)信息量的增加，Pi會(huì)隨著i的增大而減少。圖4顯示無論選擇多大的線性結(jié)構(gòu)值，除最后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)由于較小的沖突節(jié)點(diǎn)集外，Pi均會(huì)隨i的增大而減小。當(dāng)負(fù)荷超過λ=0.5每個(gè)節(jié)點(diǎn)都達(dá)到它的飽和狀態(tài)，Pi變得平滑。

圖5顯示當(dāng)傳感器的平均負(fù)荷非常小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的通信量會(huì)隨n值的增大而增大。我們預(yù)計(jì)只要節(jié)點(diǎn)沒有到達(dá)它們的飽和狀態(tài)，隨著線性網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變大越來越多的幀可以到達(dá)網(wǎng)關(guān)。我們也預(yù)計(jì)當(dāng)線性網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時(shí)，靠近網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)將逐漸變得飽和。那么網(wǎng)關(guān)飽和后通信量將不再增加了。當(dāng)λ=0.01的時(shí)候我們可以觀察到上述這一點(diǎn)。而當(dāng)λ=0.1或0.5的時(shí)候所有的節(jié)點(diǎn)都飽和了，或者說幾乎飽和了，那么無論線性網(wǎng)絡(luò)規(guī)模是多大，通信量的曲線也是平緩的。

圖5 不同負(fù)載（λ）下通信量和節(jié)點(diǎn)數(shù)所成的曲線

圖6顯示網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)給定的線性網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為8的情況下通信量和負(fù)荷的關(guān)系曲線。最初，當(dāng)傳感器的平均負(fù)荷增加，但節(jié)點(diǎn)還沒有到達(dá)它們的飽和狀態(tài)時(shí)，越來越多的幀到達(dá)最后節(jié)點(diǎn)，最后到達(dá)網(wǎng)關(guān)。然而，當(dāng)負(fù)荷超過一定的極限后，大量沖突就開始出現(xiàn)，這會(huì)致使到達(dá)網(wǎng)關(guān)的幀的總數(shù)減少?？偨Y(jié)起來圖6顯示的內(nèi)容如下：通信量最先隨著負(fù)荷的增加而增加。當(dāng)負(fù)荷大約是0.5的時(shí)候它到達(dá)最大點(diǎn)，然后它就由于大量的沖突開始減少。這也就是Aloha協(xié)議在單跳網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的典型特征。

圖6 通信量和負(fù)載（λ）曲線圖

5 結(jié)語

本文給出了我們研究的初始結(jié)果。此項(xiàng)研究最終目的是建立水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于沖突MAC協(xié)議的性能分析模型。本文確定了使分析這些協(xié)議變得復(fù)雜的因素。而后本文給出了不提供可靠性服務(wù)的簡(jiǎn)單Aloha協(xié)議的分析模型。雖然該模型做了幾個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè)，但依然可以從該模型在線性拓?fù)渲械脑u(píng)估得出幾個(gè)重要結(jié)論。值得注意的是，在節(jié)點(diǎn)的數(shù)量或者平均傳感器負(fù)荷增加的情況下，這樣的網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)到達(dá)飽和狀態(tài)，因此我們必須注意它們的應(yīng)用，以確保傳感器數(shù)據(jù)能夠到達(dá)網(wǎng)關(guān)。除極小的負(fù)荷外，飽和狀態(tài)會(huì)在少于五跳，或者最大負(fù)荷狀態(tài)下三跳以內(nèi)出現(xiàn)。一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)飽和，上級(jí)節(jié)點(diǎn)的幀到達(dá)網(wǎng)關(guān)的可能性就非常小了。

Aloha協(xié)議性能的限制性因素是沖突。避免沖突的目的就是為了優(yōu)化這類協(xié)議。為了了解這些優(yōu)化措施在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的作用，對(duì)這個(gè)模型進(jìn)一步的分析和優(yōu)化就顯得有必要了。

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Analyzing the Performance of Multi-hop Underwater Acoustic Sensor Networks

TIAN Xiangyang LIU Xuan
（No.91388 Troops of PLA，Zhanjiang 524022）

In Multi-hop underwater acoustic sensor networks the performance of medium access control protocols is constrained and the RTS-CTS protocol is degraded due to long propagation delays of such networks.In this paper，we present a model of contention-based medium access control protocols to analyze Aloha variants performance in a simple string topology.An application of the model suggests that Aloha variants are vary sensitive to traffic loads and network size.

multi-hop underwater acoustic sensor network，Aloha protocols，medium access control

TN925

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.030

Class Number TN925

2017年5月13日，

2017年6月17日

田向陽，男，助理工程師，研究方向：通信技術(shù)。劉漩，女，助理工程師，研究方向：時(shí)統(tǒng)技術(shù)、微波傳輸技術(shù)。