水声传感器网络仿真实验的方法研究

第 11 卷"第 6 期2013年12月

实验科学与技术

Experiment Science and Technology

Vol. 11 No. 6

Dec.2013水声传感器网络仿真实验的方法研究

王彪，陈艳

!江苏科技大学电信学院，江苏镇江2i2003)

摘要：针对水声传感器网络原理抽象、协议复杂、网络技术更新快、实验条件难以满足等若干问题，在分析水声传感器网 路相关原理及技术特点的基础上，提出了将网络仿真软件0PNET应用于水声传感器网络的实验与教学仿真中。重点讨论了 将0PENT在水声传感器网络教学与实验环节中的仿真方法与实践，通过直观的软件仿真系统设计，能够加强学生对水声传 感器网络新概念中涉及的关键技术的理解与研究。

关键词：水声传感器网络；水声通信；网络仿真；实验

中图分类号：TP212; TP391.9; G642. 423 文献标志码：A doi：10. 3969/j. issn. 1672 -4550.2013. 06. 004 Study on Simulation Method of Underwater Sensor Networks

WANG Biao, CHEN Yan

(C o lle g e of T ele co m m u n ica tion,J ia n g s u U niversity of S c ie n c e a n d Technolog, Z h e n jia n g 212003 ,C hina)

Abstract: Aiming at the m any problem s such a s abstract principles, com plex network protocols, updated quickly network technology and the experimental conditions which are difficult to m eet the teaching and experimental needs and s o on, w e put forward the simula-tion softw are 0PNET which is applied to acoustic sensor network teaching experiment and simulation based on the analysis of the princi-ple and technical characteristics of underwater acoustic sensor netw orks. This paper discusses the teaching and experimental links of simulation m ethods and practices in the softw are 0PENT. By this intuitive softw are simulation system design, it could enhance students’understanding and research of the key technologies involved in this new concept.

Key words ：underwater sensor networks ；underwater acoustic communication ；network simulation ；experim ent

2006年《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006 - 2020年)（明确将“海洋技术”确立为八个前沿 技术之首，体现出当前在海洋应用方面的迫切需求。然而由于学科本身以及历史的原因，国内开展海洋工 程及水声工程等学科的高校并不是很多。随着近年来 对海洋工程领域的关注，有众多高校已经纷纷投入人 力与物力建设海洋工程及水声工程等学科点。水声传 感器网络技术是目前该领域最新的研究热点与研究方 向，在未来具有非常大的应用前景[1_2]，国内开设水 声相关专业的高校都纷纷投入力量开展了这方面的教 学与科研工作。由于水声传感器网络是近几年才出现 的前沿技术，在网络总体设计、网络拓扑、网络协 议、信道仿真等方面与陆上网络相比均具有较大的难 度[3_4]。而且目前水声传感器网络还没有具体原型系 统，在教学和实验过程中不利于学生很好地理解与掌

收稿日期：2012 -07 -05;修改日期：2013 -05 -31

基金项目：江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题 (JGLX13_ 073)；江苏科技大学研究生教育教

学改革研究与实践课题（2011);江苏科技大学

电信学院教学改革研究课题(2012)。

作者简介：王彪（1980 -)，男，博士，讲师，主要从事 水声通信方面的研究工作。握水声传感器网络相关的关键技术。在教学和实验过程中若通过一些仿真工具或仿真技术来直观而形象地演示水声传感器网络相关技术的运行效果，会大大增 加学生的理解[5]。

网络仿真技术是一种以系统理论、形式化理论、随机过程理论、统计学和优化理论为基础，通过对网络结构、设备、链路和协议的建模，建立一 个模拟真实网络的环境，从而获取网络设计或优化 所需要的网络性能数据的仿真技术。目前，常用的网络仿真软件有0PNET，NS2，0M N E T+ +等。其中0P N E T网络仿真软件是目前世界上比较先进的网络仿真开发和应用平台[6]，它采用分层建模方式、基于包的建模机制，离散事件驱动的模拟机 理，具有比较齐全的模型库，丰富的统计量收集和分析功能，可用于网络协议的开发、分析、网络的规划和设计。但现有很多这方面的应用与技术报道都只是针对陆上无线网络[7]，所以将这一先进的网络仿真软件应用于水声传感器网络的仿真与设计是非常必要的。

1水声传感器网络

水声传感器网络是由布放在海底、海中的传感

10 ?实验科学与技术2013年12月

器节点（包括固定的传感器节点和装载传感器的移动平台）和海面浮标节点以及它们之间的双向声链路组成的分布式、多节点的综合网络系统。它大面积覆盖水下三维区域，可以对信息进行采集、处 理、分类和压缩，并可以通过水下通信网节点以中继方式回传到陆基或船基的信息控制中心。

1.1节点水声通信建模考虑的问题

水下声信道不同于陆上无线电信道，其信道特性要复杂得多。所以水下信息的无线传输与陆上相比难度更大，主要反映在如下六个方面：

1 $传播损失大。声信号在水下传播时受到吸收和散射的作用，导致其信号能量衰减很大，传播损失随距离的平方而增加"声信号的传播损失随着频率的增 加也呈增加趋势。同时，在远距离传播过程中，依赖 于频率的衰减会抑制某些传播模态，导致影区，即在这些空间区域内几乎没有任何声信号存在。

2)传播延时大。声信号在水下的传播受到声波速度的影响，使信号在水下声信道传输具有很大的时间延时。水下声信道的传播时间比无线电信道高5个数量级，如此大的传播时延（0.67 s/km)会 显著减少系统吞吐量。

3)可用带宽有限。由于信道的影响，绝大多数水下通信使用声波的频率都低于100 kHz，导致 可使用的带宽远远低于无线电通信可使用的带宽。

4)多途起伏严重。由于受限水下传播信道和声速变化的影响，声信号的多途效应严重，信号幅 度和相位的起伏大，从而导致相当严重的码间串扰 现象。

5)多普勒效应严重。与陆上无线电信道相比，声波在水下的传播速度较慢，通信信号的频率也较低，因此当接收和发送传感器节点之间存在很小的相对运动时，就会导致较大的多普勒频偏。

6)环境噪声级高。由于受水下信道复杂多变的影响，环境噪声使接收信号的信噪比下降，影响 水声通信的性能。

1-2网络协议设计

由于水下传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限，每个节点只 能获取局部的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。同时，传感器网络拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。水声通信网协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前的研究重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路径"数据链路层的介质访 问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。

2基于0P N E T的水声网络仿真

对于水声传感网网络的仿真过程，最为重要的就是水声无线通信和水声网络协议的仿真。对于水声无线通信的仿真，为了与实际情况更加接近，重要的是对水声信道的建模，在建模的过程中要充分考虑到上节所分析的水声通信建模的若干问题；而对于网络协议的设计，要结合水声通信的特点，对现有的网络协议加以修正与修改。

2. 10PNET 简介

0PN ET采用离散事件驱动的模拟机理，其中“事件”是指网络状态的变化。也就是说，只有网络状态发生变化时，模拟机才工作，状态不发生变 化，不进行仿真。仿真的时间是离散的，每当有一 个事件出现后时间往前推进，也就是时间是跳跃前进的。一个仿真时间点上可以同时出现多个事件，事件的发生有疏密的区别。

0P N E T采用基于包的建模机制模拟实际物理网络中包的流动，模拟实际网络协议中的组包和拆 包的过程，可以生成、编辑任何标准的或自定义的包格式。

0P N E T采用面向对象的建模方法来反映实际的网络组成和结构。采用三层模型实现对网络行为的描述：网络模型、节点模型和进程模型。通过0P N E T提供的向导编辑器完成对三层模型的细节刻画。0PNET M odeler中常用的编辑器有：网络编 辑器(Network E d ito r)、节点编辑器（Node Editor)、进程编辑器（Process Editor)，此外还有包格式编辑 器（Packet Format E d ito r)、探针编辑器（Probe Edi-tor) 、天线模型编辑器（Antenna Pattern E d ito r)等。

2.2仿真步骤

1)定义问题。明确仿真的目的和要求，并设计或选用相应的网元、网络和流量等模型。一般选 用使用较普遍的网元（包括节点和链路）模型，以保证仿真结果的普适性，如有必要应修改或增加网元模型。

2)熟悉0P N E T的三层建模机制，有关的协议和标准。0PNET采用进程层、节点层和网络层三层 建模机制。最底层为进程模型，定义了节点内功能模块中各事件之间的控制流，使用状态图描述功能模块内的状态和状态间的控制流。进程模型在进程

第11卷第6期王彪，等：水声传感器网络仿真实验的方法研究11 ?

编辑器中用Proto - C语言描述，该语言是0PNET为协议和算法的开发而设计的。它基于状态转换图的组合，是类似于核心函数的高级命令库，同时具有C/C+i程序语言的基本功能。其次是节点模型，用于定义网络中节点的结构和描述节点中（软件或硬件)模块间的数据流。节点模型描述了协议的层次 结构，并通过描述功能模块之间的数据流来实现一个网络器件或系统的体系结构。第三层为网络模型，全面反映网络的相关特性。网络编辑器具有图形化的编辑界面，并且提供由各种通信实体组成的模型库。用户可以通过简单的拖放操作在网络编辑器的工作区中快速、方便地配置起自己的网络拓扑，也可以对网络中各种设备的属性进行设置[6]。

3 )运行仿真（Simulation )。通过运行仿真得到网络运行的性能数据。

4 )调试模块再次仿真（Re-simulation )。通过分析仿真数据，找出与网络设计目标的差距；通过修改网络拓扑结构、更新网络设备、调整协议及业务 量等；再次仿真运行，最终达到网络设计的各项性能指标，如网络的吞吐量、延时、响应时间等。

5 )发布结果和仿真报告（Report)。根据仿真结果，0PN ET可发布网络性能测试参数的各种相关图表，提交仿真报告，为确定网络设计的最佳方案 提供依据。

3水声网络实验中仿真的应用

水声传感器网络是水声工程领域新的研究热点，而0P N E T是目前网络仿真的主要工具之一。通过该软件可以辅助水声网络技术课程的理论教学，加深对水声网络原理和协议工作过程的理解，完成组网技术的仿真、分析和优化网络性能。

3.1水声网络拓扑结构仿真

转发节点是水声网络的必备节点，发送节点发送出数据，被接收节点接收的同时也被转发节点接收到。转发节点不对信号进行任何处理，只是负责把数据在此发送出去备接收节点接收。其信号传播路径如图1所示。

图1节点拓扑示意图3.2水声无线信道建模

根据无线通信的特点，0PN ETM odeler中模拟无线信道的无线管道阶段包含计算发送时延和传输时延、链路毕包、方向性天线增益、路径损耗、背 景噪声和干扰调制效果等。按照水声信道的特点，通过修正不同模块参数和功能，达到对水声无线信道的仿真。下面以典型的水声多途信道为例说明0PN ET在水声网络中的仿真应用。

本模型由发送节点（send)、转发节点（hub)和接收节点（recv)组成，分别如图2 ( a)、( b )、( c)所示，是由multichanel_ noise_ only 的0PNET 丁程所构建出来的模型。假设接收节点以10 m/的速度向右移动，同时转发节点以5 m/s的速度向右 移动，保证节点保持h u b在send和re c v中垂线上的关系，以此来模拟多途情形。假设通信发生在浅 海，海水温度280 K，海水深度1k m左右，噪声类型为加性高斯白噪声。

Source Transimit Node

(a) 发送节点

M]--------------------------{C

Node Receive Sink

(b)接收节点

Node_r

(c)转发节点

图2水声网络节点示意图

12 ?

实验科学与技术

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3.3水声网络性能仿真与分析3.3.1接收功率仿真

从上到下分别是10. 00 W ，1.00 W# 0. 50 W#

0.10 W ，0.01 W 的接收功率，根据其倍数关系我

们可以看到，接受功率与原发送功率相比，衰减关 系是20x lg (. dB 。不同发送功率下接收功率曲线 如图3所示。

250 500 750 1 000

图5不同发送功率吞吐量曲线

4

结束语

水声传感器网络是当前一个新的研究热点。由

于水声传感器网络的应用环境是水下，对水声传感 器网络的设计与应用提出了巨大的挑战。与无线传 感器网络相比，很多现有的技术和工程经验都无法 用于水声传感器网络，这一点也决定了水声传感器 网络只能采用网络仿真实验，而无法进行真实原型 网络实验。0P N E T 软件在网络仿真方面具有很大 的优势，所以在教学中利用好0P N E T 软件对水声 传感器网络建立仿真系统，不仅能够让学生更好地 理解相关理论，同时能够为相关科研工作者提供一 个在该方面易于创新的实验平台。

参考文献

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)7]陆正福，刘吉庆.基于0PNET M odeler ?的网络性能仿

真实验)J ].实验科学与技术，2006，4(4)： 4-7.

信距离的大小。

125

250

375

500

625

750

875 1 000

t/s

图3不同发送功率下接收功率曲线

3. 3. 2

信噪比仿真

对应上述发射功率，图4是其对应发射条件下 的信噪比，可以看出随着发送功率的降低，信噪比 的大小也随之减少。图中的波动是因为所加的噪声 并不是恒定的，而是随着时间变化的。但是，都随

着时间的增长即接收距离的变化而不断地减小。当 信噪比小到一定程度时候，误码率便超过了通信系 统所能容忍的程度，此时不能通信。

_201

-------1-------1-------1-------0

250

300

750

1 000

t/s

图4不同功率信噪比曲线

3.3.3

呑吐量的比较

采用average 模式，把各个发送功率对应的吞 吐量结果绘制如图5所示，从上到下分别对应的 是 10.00 W , 1.00 W , 0.50 W , 0.10 W 和

0.01 W 不同发送功率下的吞吐量结果。如果发送

接收吞吐量相差不大的情况，那么通信的实现是 比较实际和可行的，通过图5可以直接地观察通

A U I 2/讲标