基于NS2的水声通信信道的扩展与仿真

第２９卷第７期　计算机仿真　２０１２年７月　文章编号：１００６—９３４８（２０１２）０７—０１６３—０５　

基于ＮＳ２的水声通信信道的扩展与仿真　

张亚斌，刘建明，李宏周，彭智勇　（桂林电子科技大学计算机科学与工程学院，广西桂林５４１００４）　摘要：研究水下信道通信优化问题，由于水下传感器网络在海洋数据采集有广泛的应用。水声信道具有高延迟、低带宽等复　杂特点。影响信道通信质量。传统信道模型对网络仿真的效果比较差。为解决上述问题，对水声信道进行了建模，考虑了实　际环境中各类噪声以及水温、盐度等因素对声信号传播的影响，并结合ＮＳ２进行了水声通信信道的扩展，最后在水声通信信　道的基础上建立了一个多节点环境，对水声信道模型与实际水下环境的相似程度采用上述模型进行了仿真。仿真结果验证　了信道模型的合理性，并反映出了水下环境中网络通信效果良好。　关键词：水下传感器网络；水声信道模型；网络仿真　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ｂ　

Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＮＳ２　

ＺＨＡＮＧ　Ｙａ—ｂｉｎ，ＬＩＵ　Ｊｉａｎ－ｒｎｉｎｇ，ＬＩ　Ｈｏｎｇ－ｚｈｏｕ，ＰＥＮＧ　Ｚｈｉ－ｙｏｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ　Ｇｕａｎｇｘｉ　５４１００４，Ｃｈｉｎａ）　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｈａｓ　ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｉｎ　ｍａｒｉｎｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｓｕｒｖｅｙ　ｗｉｔｈ　ｔａｃｔｉｃａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｈａｓ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｌｉｋｅ　ｌｏｎｇ　ｄｅｌａｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｉｎｔｅｎｓｉｖｅｌｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｍｏｄ—　ｅ１．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｎｏｉｓｅｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓａｌｉｎｉｔｙ　ｉｎ　ａｃｔｕａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｎ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｔｈｅｎ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＮＳ２．Ｆｆｉｎａｌｌｙ，ａ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｎｏｄｅｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｉｓ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｍｏｄｅｌ，ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｄｅｇｒｅｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｈａｎ－　ｎｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＳＭＡＣ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｍｏｄｅ１．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅ．　ｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｓｏｍｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒ－　ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．　ＫＥＹＷ０ＲＤＳ：Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｍｏｄｅ１：Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

１　引言　随着全球陆基无线传感器网络的飞速发展，加上新的军　事技术和军事需求的出现，以水声为传输媒质的水下传感器　网络逐渐得到了越来越多的重视和研究。水下传感器网络　（ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＵＷＳＮ）有着非常广阔的应用前　景，它能被广泛应用于各种水下工程和研究领域。水下传感　器网络是借助于声信号而建立起来的一种无线自组织网络，　它使用声波作为传播媒介，不同于陆地上使用无线电作为传　播媒介的普通自组织网络，水声通信信道存在着传输延迟比　

基金项目：国家自然科学基金（６０７６２００２）；广西研究生教育创新计划　项目（２０１０１０５９５０８１２Ｍ２５）　收稿日期：２０１１一Ｏ９一Ｏ６　

较大、可用带宽较低、多径效应严重等问题，这些因素使得水　下传感器网络的数据传输以及组网协议的设计面存在许多　不稳定的因素，对水下传感器网络的研究和设计造成了巨大　的障碍…。　水声信道是水下传感器网络研究与设计的基础和核心　之一，但是实际在水下环境进行实验存在着诸多不便，因此　越来越多的研究人员倾向于使用软件仿真来进行水下传感　器网络的研究，国内的研究人员在这方面也进行了一些探　索　。但是目前主流的网络仿真系统，如ＮＳ２，ＯＰＮＥＴ等，都　没有专门针对水下环境的仿真模块，鉴于这种情况，本文在　总结现有资料的基础上，在ＮＳ２中实现了一套针对水下声通　信环境的仿真平台，主要针对水声信道的特点对其进行了模　型化的处理，由于ＮＳ２有着良好的模块化结构，所以该模块　

一】６３—　能够与ＮＳ２本身紧密结合，使得使用者可以方便的使用该模　型来进行水下传感器网络的研究。　

２水下传感器网络特性　水下传感器网络是一种应用在特殊环境的无线传感器　网络，它使用声波来进行通信，这是因为声波是唯一能在水　介质中进行较长距离传输的能量形式，而无线电波在水中的　传播距离非常短，光在水中受到高衰减和散射的影响，都不　适合水下环境。　水下传感器网络有着普通无线传感器网络的所有特点，　包括网络规模大、节点处理能力低、节点能量较少等，同时有　着自己更加鲜明的特点，比如利用水声信道进行通信、网络　拓扑变化更加剧烈、节电能量更加紧张等。一个常规的水下　传感器网络包括若干位于水面的汇聚节点（Ｓｉｎｋ），大量处于　水下的传感器节点以及少量的自主式水下探测器（ＡＵＶ）。　水下的传感器节点以及ＡＵＶ将收集到的数据通过声通信方　式发给汇聚节点，而汇聚节点则将数据发给离岸的数据处理　中心进行处理，并且负担着网络的某些控制功能，因而多跳　式的网络拓扑结构更加适合水下传感器网络。　

３水声信道特性的模型　水声信道与无线信道有着许多不同的特性。声波的在　水中的传播速率比电磁波的速率低５个数量级，传输时延大　约为０．６７ｓ／ｋｍ；而且，声信道的可用带宽非常有限，通常只　有几ｋＨｚ，并且取决于发射距离和频率；多径效应、衰落、多　普勒频移以及水域航行船只等引起的噪声等问题使得水下　通信的误码率非常高、链路经常发生暂时性中断的现象。　综合考虑仿真环境的实现复杂度和对水下环境的仿真　真实度，在本文中主要考虑一下几个因素的影响：　１）传输延迟　水声通信的主要特点之一就是传输延迟大，一般认为声　波在水中的传播速度为１５００ｍ／ｓ，但是随着水温，水深等因　素的变化，这个值会有一定的变化，因此根据文献［３］这里使　用如下公式来计算声速　ｃ：１４４９．０５＋４５．７ｔ一５．２１ｔ　＋０．２３ｔ　＋　（１．３３３—０．１２６ｔ＋０．００９ｔ　）（ｓ一３５）＋１６．３ｚ＋０．１８ｚ　（１）　其中ｔ、ｓ、ｚ分别表示水域的温度、盐度以及深度等参数。　２）声信号的传播损失　声信号在水中传播过程中会产生一定的损失和衰减，通　过计算传播损失来得到接受端的接收功率，从而计算出信道　的信噪比。传播损失可以认为是由于声能扩展和衰减所引　起的损失之和。传播损失　的计算公式　为　ＴＬ＝１０ｎｌｏｇｒ＋　ｒ　（２）　其中ｒ为声波传播的距离；ｎ为传播因子，其值与声波的　传播方式有关，若以球面波扩展传播则ｎ＝２，以柱面波扩展　传播则ｎ＝１，浅水环境中声波一般以柱面方式传播；Ｏ／为吸　６４——　收因子，单位ｄＢ／ｋｍ，它的值与发射频率，相关，其取值可由　Ｔｈｏｒｐ经验公式　给出，即　南＋４４　４上１００＋ｆ＋　１０１ｏｇａ（ｆ）＝｛　２．７５×１０一　＋０．００３　０．４（３）　ｌ　，　【ｏ．００２＋０・¨南　０・ＯｌｌｆＪ＜０・４　若发射端的发送功率表示为Ｐｆ，那么接受端的接受功率　Ｐｒ＝　Ｐｔ　（４）　３）各类背景噪声　在某一片水域里，会出现各种类别的噪声，其受到海域　的位置，气象条件以及频率影响，本文使用Ｗｅｎｚ模型　对其　进行描述：　①涡流引起的噪声　１０１ｏｇＮ，∽＝１７—３０１ｏｇｆ　（５）　②船只引起的噪声　１０１ｏｇＮ，（　＝４０＋２０（Ｓ一０．５）＋２６１ｏｇｆ一６０１ｏｇ（ｆ＋０．０３）　（６）　③海风引起的噪声　１０１ｏｇＮｗ（　＝５０＋７．５　。　＋２０１ｏｇｆ一４０１ｏｇ（ｆ＋０．４）　（７）　④热噪声　１０１ｏｇＮ，＾（／）＝一１５＋２０１ｏｇｆ　（８）　其中，为频率，　水域航运密度，Ｗ为风速。　这里用　Ⅳ（　＝Ｎ　（　＋　（　＋Ｎｗ（　＋　（／）　（９）　来表示所有的背景噪声。　４）信噪比　信噪比是通信系统中重要的性能指标之一，它与信道的　噪声和传播特性都有密切的关系。在这里使用如下方程计　算水声信道的信噪比：　ｓ　＝　（１０）　４水声信道仿真模块在ＮＳ２中的实现　ＮＳ２使用分层结构和面向对象的ｃ＋＋语言实现无线网　络节点的协议栈。每层均被抽象成一个Ｃ＋＋类。各层不同　的协议或算法都要继承对应的抽象类，覆盖相应的成员函　数或变量，从而实现不同的功能，比如典型的无线网络环境　就分别实现了无线环境的物理层接口（ｗｉｒｅｌｅｓｓ—ｐｈｙ．ｔ　ｅｃ，　ｈ｝）、无线环境的信道模型（ｃｈａｎｎｅ１．｛ｅｃ，ｈ｝）以及常用无线　电信号的衰减模型（ｔｗｏｒａｙｇｒｏｕｎｄ．｛ＣＣ．ｈ｝）等　“　。　根据ＮＳ２的分层设计模式和内置环境的实现方式，在其　中添加水声信道仿真模块最主要的工作主要就是添加和实　现ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ—ｐｈｙ（物理层接口）、ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｃｈａｎｎｅｌ（水声信　道功能实现）和ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ（声波信号衰减实现）三　个类，水声信道模块与ＮＳ２其他部分的关系如图１所示。