水声通信组网技术第一讲水下信息网络概论剖析
水下无线通信系统的设计与性能分析
水下无线通信系统的设计与性能分析随着科技的不断发展，水下无线通信系统在海洋工程、海洋资源勘探、军事等领域的应用越来越广泛。
本文将对水下无线通信系统的设计原理及其性能进行分析。
一、水下无线通信系统的设计原理1. 调制方式：水下无线通信中，由于水的特殊性质，常用的无线通信调制方式并不适用。
通常采用的调制方式有频移键控（FSK）和正交频分多址（OFDM）等。
这些调制方式能够克服水下的多路径传播和海洋环境噪声对信号的干扰。
2. 传输技术：为了提高水下无线通信的传输距离和速率，可以采用声波、电磁波以及光学技术。
声波传输适用于短距离通信，如水下无人机遥控。
而电磁波和光学技术适用于中长距离通信，如深海资源勘探。
3. 路由算法：水下无线通信中，由于水下环境的复杂性，传统的路由算法不再适用。
因此，设计水下无线通信系统时需要考虑到水下环境的特殊性。
一种常用的水下路由算法是基于地理位置的路由算法，通过节点之间的位置信息进行通信路径选择。
4. 多径传播影响：水下环境中，存在多径传播现象，即信号由于反射、折射等原因，到达接收节点的路径不止一条。
这会导致信号衰减和传播时间延迟，影响通信性能。
为了克服多径传播的影响，可以采用等化器、自适应调制等技术。
二、水下无线通信系统的性能分析1. 传输距离：水下无线通信的传输距离受到水下环境的影响，如水的吸收、散射和衰减等。
一般来说，声波传输距离较短，约为几百米至几公里；而电磁波和光学技术可以实现更远的传输距离，甚至达到数十公里。
2. 传输速率：水下无线通信的传输速率受到信道带宽和噪声等因素的影响。
在频谱资源有限的情况下，可以通过高效的调制和编码技术来提高传输速率。
此外，还可以采用多天线技术和波束成形技术来增加信道容量，提高传输速率。
3. 抗干扰性能：水下环境中存在各种噪声和干扰源，如水声噪声、海洋生物的声音等。
设计水下无线通信系统时需要考虑到这些干扰源对信号的影响，并采取相应的抗干扰技术，如扩频技术和自适应信号处理技术。
水下无线通信网络研究与设计
水下无线通信网络研究与设计近年来，随着海洋经济的不断发展，水下工程日益增多，水下通信网络的需求与日俱增。
不论是测量海底地形还是水下油气开发，都需要可靠的水下通信网络支持。
但是，水下环境的复杂性使得水下通信存在着许多技术难题，如信号传输距离短、信号传播衰减大、水下干扰严重等。
本文将阐述水下无线通信网络的基本原理、技术难题及现有解决方案，并探讨未来水下无线通信网络的发展趋势。
一、水下无线通信网络的基本原理水下无线通信网络是指通过水下传感器、水下节点等设备在水下环境中组成的一种无线通信网络，其基本原理与地面无线通信网络类似。
一般来说，水下通信网络由以下几个组成部分：1. 水下节点：水下节点是指能够接收或发送信息的水下设备，可以是传感器、水下机器人等。
在水下无线通信网络中，水下节点相当于手机或电脑等终端设备。
2. 水下信道：水下信道指的是信号在水下传输过程中所经过的介质，也称为水下传播媒介。
水下信道的难点在于信号传输距离短、传播路径不稳定、海水对信号的衰减大等。
3. 水下中继器：水下中继器可以增强信号的传输距离和传输能力，在水下通信网络中起到增信、放大等作用。
在水下通信网络中，水下中继器相当于网络交换机。
二、水下通信网络存在的技术难题1. 信号传播距离短：由于水的折射率比空气大，水下信号的传播距离相对较短。
2. 信号传播路径不稳定：水下信道中的传播路径常常发生折射、散射等现象，这些现象会导致信号传播路径不稳定。
3. 海水对信号的衰减大：由于海水中含有各种离子、浮游生物及悬浮物，这些物质会吸收和散射信号，导致信号衰减大，传输信号失真。
4. 水下干扰严重：在水下环境中，机器人、鱼类、海藻等各种生物都会干扰水下信号的传播。
三、现有解决方案针对上述水下通信存在的技术难题，已有许多解决方案被提出，如下：1. 采用超声波通信：超声波在水中的传播速度高，传输距离比较远，可以对改善水下通信质量产生积极效果。
2. 采用激光通信技术：由于激光具有窄束衍射、波长短等特点，在海水中的传输距离几乎不受影响，其传输序列可以高达1Gbps。
水声通信组网技术水声网络路由分解PPT学习教案
按是否依赖定位分类：基于网络拓扑的路由协议 基于位置的路由协议
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2021/8/26
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2 路由协议的分类 ——平面路由协议
所有结点在形成和维护路由信息的责任上是等同 的。路由协议的逻辑视图是平面结构，结点的地 位是平等的。
➢ RREQ（route request) ➢ RREP（route reply)
➢ 路由维护 (route maintenance)（按需进行）
网络仅对active route进行维护，对其他路由不闻 不问
➢ RERR（route error)
➢ 维持路由表信息的第正23页确/共性49页和实效性
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优点：不存在特殊结点，路由协议的鲁棒性较好， 通信流量平均的分散在网络中，不需要结点移动 性管理
缺点：缺乏可扩展性，限制了网络的规模
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2 路由协议的分类
——分级路由协议
网络由多个簇组成 结点分为两种类型：普通结点和簇头结点。 处于同一簇的簇头结点和普通结点共同维护所在簇内部的路由信
自组织网目前主要以一种末端网络形式存在，应用规模都较小， 使用簇思想的作用不明显
在一定程度上抑制了簇思想在自组织网中的研究
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2 路由协议的分类
按路由发现的策略划分，MANET路由协议可分为三类：
主动路由协议（global/proactive routing protocol） 被动路由协议(on-demand/reactive routing protocol) 混合路由协议(hybrid routing protocol)
水下通信原理
水下通信原理水下通信原理是指在水下环境中进行信息传输的一种技术。
由于水的密度和折射率与空气不同，水下通信相比陆地或空中通信存在许多独特的挑战和限制。
本文将从水下通信的基本原理、技术应用及其未来发展等方面进行阐述。
水下通信的基本原理是利用声、电、光等信号进行传输。
其中，声波是一种最常用的传输媒介。
在水下环境中，声波的传播速度比空气中的声波要快得多，约为1500米/秒。
因此，水下通信系统通常利用声波进行信息传输。
传统的水下声通信系统采用声纳技术，即利用声波的回声来获取目标信息。
这种技术在军事、海洋研究以及海底油气勘探等领域有着广泛的应用。
除了声波通信外，水下通信还可以利用电磁波进行传输。
电磁波在水下的传播速度比空气中的要慢得多，约为3×10^8米/秒。
因此，水下电磁波通信系统需要考虑信号的衰减和散射等问题。
此外，由于水的导电性较强，水下电磁波通信系统还需要解决电磁波在水中的传播损耗和干扰等问题。
近年来，光纤通信技术的发展为水下光通信提供了新的解决方案。
光纤通信系统利用光的全反射原理，在光纤中传输信号。
水下光通信系统利用光纤作为传输媒介，可以实现高速、大容量的数据传输。
然而，由于水的吸收和散射等问题，水下光通信系统的传输距离和速率仍然存在一定的限制。
水下通信技术在海洋资源开发、海底地震监测、海底遗迹勘探等领域都有重要的应用。
例如，在海洋石油勘探中，水下通信系统可以实现海底油井的监测和控制。
在海底地震监测中，水下通信系统可以传输地震传感器采集到的数据。
此外，水下通信技术还被应用于水下机器人、海底网络和海底观光等领域。
尽管水下通信技术取得了一定的进展，但仍存在许多挑战和难题需要解决。
例如，水下通信系统需要克服水的吸收和散射引起的信号衰减和失真问题。
此外，水下通信系统还需要应对海洋环境的复杂性和不确定性，如水流、盐度和温度的变化等。
因此，未来的研究重点将是开发更高效、稳定和可靠的水下通信技术。
水下通信原理是利用声、电、光等信号进行信息传输的一种技术。
水下声波通信网络的路由算法与传输控制技术
水下声波通信网络的路由算法与传输控制技术第一章：引言水下声波通信是一种在海底进行的传输技术。
由于水下通信环境的复杂性，声波通信网络的路由算法和传输控制技术的研究成为了水下通信领域的一个热门研究方向。
本篇文章将着重解析水下声波通信网络的路由算法和传输控制技术的研究现状。
第二章：水下声波通信网络的组成和传输特性水下声波通信网络主要由声发射器、水声信号处理器、水声遥控器和水声接收器等设备组成，通过声波信号传输数据。
水下通信环境充满了噪声、信号衰减和多径传输等特性，使其传输效率受到很大的制约。
第三章：水下通信网络的路由算法在水下声波通信网络中，路由算法与传输控制技术是实现高效数据传输的两大关键技术。
传统的网络路由算法常常考虑节点间通信的带宽和距离，但在水下通信中，声波传输的特殊性质需要更加细致、复杂的网络管理策略。
目前，常用的水下网络路由算法主要有PEL宽度路由算法和SARA算法。
PEL宽度路由算法通过把网络分成一定宽度的层，来寻找尽可能短的路线，从而提高网络的吞吐能力。
SARA算法则是一种分层和基于状态的路由算法，它利用网络的历史信息进行资源分配和动态调整，以实现在动态的水下环境中达到最优路由。
第四章：水下通信网络的传输控制技术在水下声波通信网络中，传输控制技术是保证数据传输的关键。
基于TCP和UDP等协议的传统传输控制技术在水下环境下效果不佳，因此需要新的控制技术。
目前，水下网络传输控制技术的研究主要集中在两个方面：基于分组传输的传输控制技术和基于信令控制的传输控制技术。
前者主要是将数据分成多个数据包进行传输，并通过ACK确认，并采用数据包重传机制来处理数据传输过程中遇到的错误。
后者则是通过信令控制来保证数据传输的可靠性。
当前应用较多的传输控制技术有TIBORA、M-DFS、TCP-Sack等。
第五章：总结与展望水下声波通信网络的路由算法和传输控制技术是水下通信领域的核心技术之一。
当前，这两个方面的研究成果日益增多。
水声通信组网技术水下信息网络概论剖析
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
2020/6/1
第一讲 序论
19
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 自动最佳路由选择
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
2020/6/1
有线回传 最佳路由 备选替换路由
与有基础设施网的区别：
•不需要预设的基础设施（BS、AP）； •网络的组织是临时的、按需的、自动的； •必须采用分布式的控制方式。
2020/6/1
第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统
2020/6/1
第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统
– 移动终端和固定基 站互相通信
• 对网络层来说WLAN是一个单跳网络
2020/6/1
第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络
• 移动Ad hoc网络/多跳无线网络 • 由一组带有无线通信收发装置的移动终端
节点组成 • 网络中每个终端可以自由移动、地位相等 • 是一个多跳、临时、无中心网络 • 不需要现有信息基础网络设施的支持 • 可以在任何时候、任何地点快速构建
水面舰艇及潜艇与UUV通信
2020/6/1
第一讲 序论
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2.水下信息的传输
UUV与UUV的通信
2020/6/1
第一讲 序论
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2.水下信息的传输
2020/6/1
课题研究论文：浅谈水下无线通信网络安全关键技术
93170 通信学论文浅谈水下无线通信网络安全关键技术进入 21 世纪以来，随着日益增长的物质需求和科学技术的发展，人类对海洋资源的开发利用以及海洋权益日益重视。
开发利用海洋的科技热潮正在全球兴起，海洋资源的勘探与开发、海洋环境监测、军事对抗等现代海洋高新科学技术已成为各海洋大国研究的重要领域。
任何海洋技术的应用都离不开对海洋数据的快速采集、存储、处理以及实时传输，因此水下无线通信网络关键技术已成为各海洋大国不遗余力进行研究的前沿课题之一。
一、水下无线通信网络研究现状1.水下无线通讯技术。
现有水下无线通讯技术主要有激光通讯、无线电通讯、水声通讯三种：激光通讯适用于近距离高速数据传输，水质的清澈度对传输影响较大，激光直线对准要求较高，这些应用条件限制了激光通讯在水下无线中的应用。
无线电波在海水中选择性衰弱现象严重，频率越高衰减越大。
无线电通讯只能用于短距离高速通讯或水下垂直链路通信，无法满足远距离水下传输要求。
声波在海洋中的衰减比电磁波小1000倍，因此，低频声波在浅海中可传播数十公里，在大洋声道中甚至可传播上万公里。
因此，目前绝大部分水下无线通信网络都采用水声作为传输介质。
2. 水下通信节点设计。
与陆地节点相比，水下节点工作环境更加恶劣，在进硬件设计时需要特别注意以下因素：（1）节点的防水性能是设计时需要考虑的首要因素，一旦节点内部渗水将无法工作；水下节点可能工作于深海区域，在设计时需要考虑水深带来的压力，避免因为气压过大造成防水层破损；海水中的各种物质、生物会对节点造成一定程度腐蚀，因此耐腐蚀性也要作为考虑要素之一。
（2）由于节点部署在水下，无法采用太阳能充电更无法更换电池，因此在设计节点的硬件电路时应选择低功耗元器件，在完成任务的前提下尽量减少能量消耗，延长节点寿命。
二、水下无线通信网络安全管理研究1.水下无线通信网安全管理机制。
由于现有的安全管理机制不适用于水下无线通信网络，因此，针对水下无线通信网络的特性和安全需求，我们提出了一种基于簇状拓扑的分级安全管理机制，该机制主要包括：（1）分级混合加密机制：将加密体系分为簇内通信加密和簇内通信加密，簇内通信加密采用对称加密机制；簇间通信加密采用混合加密机制，即对传输的数据采用对称加密机制，对于传输的对称密钥采用基于身份的公钥加密机制。
水下声学通信技术的研究
水下声学通信技术的研究第一章：前言水下声学通信技术是指在水下环境中，利用声波进行信息传输的技术。
由于水下环境的复杂性，水下声学通信技术在海洋、河流等领域得到了广泛的应用。
本文将对水下声学通信技术的研究进行探讨。
第二章：水下声学传播水下声学通信与空气中的声学通信有很大的不同。
在水下环境中，声波的传播速度比空气慢得多。
同时，水下环境中存在大量的噪声干扰，如海浪声、鱼群声、水下震动等。
因此，水下声学传播的模型需要更为复杂。
理论上，水下声学传播有两种模型：几何扩散传播模型和波动传播模型。
几何扩散传播模型是指声波在水下环境中的传播是由于声波受到了水分子的散射和吸收而减弱，从而导致声能散失。
但是，由于水分子的散射和吸收是随机的，因此这种模型不能用于精确的声学传播预测。
波动传播模型则是利用湍流噪声、海水声速、水平流动和水平衍射等因素，对水下声学传播进行更为准确的预测。
第三章：水下声学通信技术水下声学通信技术主要有两种：主动式水下声学通信和被动式水下声学通信。
主动式水下声学通信是指利用主发声器向水下环境发送声波信号，在接收端使用接收器接收信号，并对信号进行解码。
主动式水下声学通信可以在不同的水下环境中进行通信，并且可以用于传输各种类型的信息，包括语音、图像和数据等。
被动式水下声学通信是指利用水下噪声信号来进行通信，而不是通过主发声器发送声波信号。
被动式水下声学通信具有低功耗和高可靠性等优点，但信号传输速度较慢。
第四章：现状分析与发展潜力水下声学通信技术在海洋勘探、水下机器人、海洋观测等领域都有广泛的应用。
随着海洋资源的不断开发和利用，水下声学通信技术迎来了快速的发展。
目前，已经出现了许多商用水下声学通信产品，如水下通信声纳、水下声学网络和水下声学电话等。
尽管水下声学通信技术得到了广泛的应用，但在实际应用中仍然存在一些挑战，如信号干扰、功耗、传输速率等问题。
因此，未来的水下声学通信技术的发展方向应该是提高传输速率、降低功耗、提高信号的稳定性和抗干扰能力等。
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Underwater Acoustic Communication Network
西北工业大学
王海燕
2017/11/6
第一讲 序论
1
课程安排
介绍水声信道条件下无线通信组网的原理与基 本技术，共分六讲。 第一讲 水下信息网络概论 第二讲 水声信道传输特性 第三讲 水声通信网络物理层技术 第四讲 水声网络的多址接入 第五讲 水声网络路由 第六讲 水声通信网络仿真技术
Wi-Fi
Wi-Fi
有线回传 最佳路由 备选替换路由
2017/11/6
第一讲 序论
21
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 方便扩展
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
2017/11/6 第一讲 序论 15
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络
转发结点
转发结点
转发结点 B
C 自组网络 A
D E
目的结点
F
源结点
2017/11/6
第一讲 序论
16
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点
具备移动通信网络和计算机网络的特点 • 无中心网络的自组性 • 网络拓扑动态变化 • 自动最佳路由选择的多跳组网方式 • 可扩展性好 • 有限的无线传输带宽 • 移动终端的自主性 • 安全性差 • 存在单向的无线信道 • 生存时间短
长 途 交 换 设 备
市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备 基 站 基 站
基 站 基 站
光再生中继设备 ( 光放大器)
长途网 本地网 移动网 本地网
2017/11/6
图
通信网构成示意图 第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
有基础设施网
2017/11/6
第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
2017/11/6
第一讲 序论
2
第一讲 水下信息网络概论
1.无线通信网络概述 2.水下信息的传输 3.水声通信网络的特点及应用前景 4.网络分层协议体系及跨层设计 5.水下信息网络的研究与发展
2017/11/6
第一讲 序论
3
1.无线通信网络概述
无线通信系统网络结构
有基础设施网 无基础设施网
蜂 窝 移 动 通 信 系 统
Wi-Fi
Wi-Fi
有线回传 最佳路由 备选替换路由
2017/11/6
第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 支持移动IP功能
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
2017/11/6
集 群 移 动 通 信 系 统
举例
无 线 局 域 网
举例
第一讲 序论
无 线
网
无 线 传 感 器 网
蓝 牙 技 术
美 国 的
AD hoc
PRNET
4
1.无线通信网络概述
有基础设施网
有基础设施网是对有线通信网的一种扩展，有线网 被用作骨干网，连接到特殊的有线/无线转接点BS(Base Stataion),或接入点AP(Access Point)，统称为BS。 BS与有线骨干网相连并覆盖一个区域，负责协调覆 盖区内的移动节点通过一个或多个传输信道接入网络。 传输信道包括：FDMA（某个频隙）、TDMA （某个时 隙） 、CDMA （某个码道）
1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统 ----WLAN
• WLAN
– 移动节点配备无线网网卡 – 移动节点通过接入点与固定网络连接 – WLAN工作在链路层，对网络层透明
• 对网络层来说WLAN是一个单跳网络
2017/11/6 第一讲 序论 14
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络 • 移动Ad hoc网络/多跳无线网络 • 由一组带有无线通信收发装置的移动终端 节点组成 • 网络中每个终端可以自由移动、地位相等 • 是一个多跳、临时、无中心网络 • 不需要现有信息基础网络设施的支持 • 可以在任何时候、任何地点快速构建 ad hoc:for the specific purpose only
2017/11/6 第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点
无中心网络的自组性
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
2017/11/6
第一讲 序论
18
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 网络拓扑动态变化
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
2017/11/6
第一讲 序论
19
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 自动最佳路由选择
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
2017/11/6
第一讲 序论
11
1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统
2017/11/6
第一讲 序论
12
1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统
– 移动终端和固定基 站互相通信 – 移动终端不具备路 由功能 – 基站负责路由和交 换功能，基站充当 接入有线网络的网 关
2017/11/6 第一讲 序论 13
2017/11/6 第一讲 序论 5
1.无线通信网络概述
有基础设施网
地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备 通信卫星 地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备
用户
市 内 交 换 交 换 设 备
数 字 多 路 设 备
数 字 多 路 设 备
有基础设施网
2017/11/6
第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
有基础设施网
2017/11/6
第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
有基础设施网
2017/11/6
第一讲 序论
10
1.无线通信网络概述
无基础设施网
无基础设施网也称为自组织网（自组网），由多个 移动节点组成的多跳无线网络。 与有基础设施网的区别： •不需要预设的基础设施（BS、AP）； •网络的组织是临时的、按需的、自动的； •必须采用分布式的控制方式。