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Bellhop 模型在水声网络仿真中的实现和应用刘奇佩 1, 刘 琨 2, 罗逸豪 1, 吴鑫莹 3*, 周河宇1(1. 中国船舶集团有限公司 第710研究所, 湖北 宜昌, 443003; 2. 国家计算机网络应急技术处理协调中心 黑龙江分中心, 黑龙江 哈尔滨, 150001; 3. 华东理工大学 艺术设计与传媒学院, 上海, 200030)摘 要: 随着水声技术的发展, 水声网络(UANs)因其在海洋监视、灾害预警和海洋安全等领域的表现而备受关注。
水声信道是影响UANs 性能的重要因素之一, 其复杂特性直接影响着UANs 相关协议的前期设计和评估, 对于协议走向实际应用至关重要。
有别于传统理论模型, Bellhop 水声信道模型通过跟踪射线计算海洋声场, 提供了一种更准确的获得不同海洋环境下信道特性的方法, 但该方法不能直接用于网络仿真。
针对此,文中在目前主流的网络仿真平台NS3上构建了基于Bellhop 的水声信道模型, 将高斯射线模型用于水声网络仿真。
对比结果表明, 该模型能够有效仿真声信号在水下的传播特性, 可为实际UANs 协议开发提供参考。
关键词: 水声网络; 信道模型; Bellhop; NS3中图分类号: TJ630.34; U674.76 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2024)01-0124-06DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0015Implementation and Application of Bellhop Model in Underwater AcousticNetwork SimulationLIU Qipei 1, LIU Kun 2, LUO Yihao 1, WU Xinying 3*, ZHOU Heyu1(1. The 710 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Yichang 443003, China; 2. Heilongjiang Branch of National Computer Network Emergency Technology Processing and Coordination Center, Harbin 1500011, China; 3. School of Art Design and Media, East China University of Science and Technology, Shanghai 200030, China)Abstract: With the development of underwater acoustic technology, underwater acoustic networks(UANs) have attracted much attention due to their performance in marine surveillance, disaster warning, and ocean security. The underwater acoustic channel is a crucial factor affecting the performance of UANs, and its complexity directly affects the pre-design and evaluation of UAN-related protocols, which is crucial to the practical application of protocols. Unlike traditional theoretical models, the Bellhop underwater acoustic channel model provides a more accurate method to obtain channel characteristics under different oceanic environments by calculating their acoustic fields via ray tracing. However, it cannot be directly applied to network simulation. This paper implemented a Bellhop underwater acoustic channel model based on NS3, the current most popular network simulation platform, and applied the Gaussian ray model to UAN simulation. The comparison results show that the model can effectively simulate the underwater propagation characteristics of acoustic signals and provide a reference for practical UAN-related protocol development.Keywords: underwater acoustic networks; channel model; Bellhop; NS3收稿日期: 2023-02-20; 修回日期: 2023-05-10.作者简介: 刘奇佩(1988-), 男, 博士, 工程师, 主要研究方向为水声网络技术及水声信号处理.* 通信作者简介: 吴鑫莹(1989-), 女, 博士, 讲师, 主要研究方向为计算美学和智能算法.第 32 卷第 1 期水下无人系统学报Vol.32 N o.12024 年 2 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Feb. 2024[引用格式] 刘奇佩, 刘琨, 罗逸豪, 等. Bellhop 模型在水声网络仿真中的实现和应用[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 124-129.0 引言水声网络(underwater acoustic networks, UANs)可以用于海洋资源探索、辅助导航、自然灾害预警以及海域监控等多个领域[1-5], 在军事和民用方面表现出巨大潜力, 近年来受到各国研究人员的广泛关注。
海洋声场建模与仿真技术研究一、引言海洋，占据着地球表面的约 71%，是一个充满神秘和未知的领域。
在海洋研究中，海洋声场建模与仿真技术作为一种重要的手段，为我们深入了解海洋的声学特性和物理过程提供了有力的支持。
海洋声场是指海洋中声波传播所形成的物理场，它受到海洋环境的多种因素影响，如海洋的深度、温度、盐度、海底地形、海洋生物等。
因此，准确地建模和仿真海洋声场对于海洋声学研究、海洋资源开发、海洋环境保护以及军事应用等领域都具有重要的意义。
二、海洋声场建模的基本原理海洋声场建模的核心是基于声波传播的物理规律。
声波在海洋中的传播可以用波动方程来描述，常见的有亥姆霍兹方程和抛物方程。
亥姆霍兹方程适用于描述小范围、高频的声波传播，而抛物方程则更适合处理大范围、低频的情况。
在建模过程中，需要考虑海洋介质的物理特性，如声速分布。
声速在海洋中并非均匀分布，而是受到温度、盐度和压力等因素的影响。
通常通过经验公式或者现场测量来获取声速的分布情况。
另外，海底地形也是影响海洋声场的重要因素。
海底的粗糙度、坡度和地质结构都会对声波的反射、折射和散射产生影响。
三、海洋声场仿真的方法（一）有限元法有限元法是一种将连续的求解域离散为有限个单元的数值方法。
通过对每个单元进行分析，然后将结果组合起来得到整个求解域的近似解。
在海洋声场仿真中，有限元法可以有效地处理复杂的边界条件和介质特性。
（二）边界元法边界元法是基于边界积分方程的数值方法，它只需要对边界进行离散化，从而减少了计算量。
对于具有规则边界的问题，边界元法具有较高的计算效率。
（三）射线理论法射线理论法将声波传播视为射线的传播，通过追踪射线的路径来计算声场。
这种方法在处理长距离传播和高频问题时具有一定的优势，但对于复杂的介质和边界条件适应性较差。
四、海洋声场建模与仿真中的关键技术（一）海洋环境数据的获取与处理准确的海洋环境数据是建模与仿真的基础。
这包括海洋的温度、盐度、深度、海底地形等数据的测量和收集。
水声信道STBC-OFDM系统性能仿真
康桂花
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2016(0)10X
【摘要】进入21世纪以来,军舰的安全通信一直是人们研究的重点领域,而先进的
水声通信系统正逐渐取代传统的无线电通信,为舰船的通信安全提供一种新的选择。
水声通信中的空时分组编码技术由于其在信道选择和误码率降低方面的突出优势,
正被广泛应用在OFDM通信系统的信号处理领域。
本文着重研究OFDM的通信
算法,得到OFDM系统模型,在此基础上对STBC系统的编码和解码过程进行分析,
最后利用Matlab仿真系统对优化后的信道传输性能进行验证。
【总页数】3页(P115-117)
【关键词】OFDM;STBC;水声信道
【作者】康桂花
【作者单位】成都东软学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN929
【相关文献】
1.STBC-OFDM系统在多径Nakagami-m衰落信道中的性能仿真 [J], 王莉;张晶
2.水声传感器网络的水声信道建模与仿真 [J], 李莉;陈兆一;杨丽娟
3.3GPP信道模型中STBC-OFDM系统性能分析 [J], 张红霞;戴居丰
4.STBC-OFDM系统性能分析与仿真 [J], 羿宗琪;王钢
5.基于DPSK的多载波水声跳频通信系统性能仿真 [J], 陈博恒; 王明洲; 岳玲; 寇小明; 张文波
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水声信号处理及应用研究第一章引言水声信号处理及应用研究是一个涉及声学、电子学、计算机科学等多领域学科的综合性研究领域。
水声信号处理是对水中传播的声音信号进行处理，提取中包含的信息，如探测和识别目标、水文气象监测等方面。
本文将从水声信号的特点、水声信号处理的方法以及水声信号的主要应用等方面进行介绍。
第二章水声信号特点水声信号具有以下特点：1. 衰减快：水中的声波在传播过程中会不断衰减，同时水中的杂音干扰也非常大。
因此，在进行水声信号处理时，需要有针对性的处理方法和算法，以尽可能的提高信号的信噪比。
2. 传播速度慢：水中声波的传播速度大约是空气中声波传播速度的4倍左右。
因此，需要根据这个特点来计算深度、位置等相关参数，并在信号处理过程中进行相应的修正和校正。
3. 呈现驻波现象：在水中传输的声波会受到反射和折射的影响，产生干扰和阻碍。
因此，在信号传输前需要进行一系列的对水域的探测、环境参数的获取，以及对设备的正确设置和调试等步骤。
第三章水声信号处理方法水声信号处理方法主要包括以下几个方面：1. 时域滤波：时域滤波是指利用滤波器对水声信号进行分析和处理。
时域滤波方法可以使用传统的模拟滤波器和数字滤波器。
数字滤波器的优点是可以在计算机上直接进行处理，而模拟滤波器的优点是设备简单。
2. 频域滤波：频域滤波是指将时域信号转换成频域信号后再进行分析处理。
频域滤波方法主要包括傅里叶变换和小波变换。
这种方法可以有效地去除信号中的噪音和干扰，保留有用的信息。
3. 提取特征：通过对水声信号中的重要特征进行提取和分析，来实现目标探测和识别的功能。
如提取目标的频率、振幅、相位等特征。
通过这种方式可以对目标进行有效的识别和探测。
4. 图像处理：图像处理是处理水声信号中含有的矩阵数据以及波形图等形式的数据。
这种方法通常用于海底结构物探寻和识别。
通过对图像数据的处理，可以快速准确的识别海底结构物，如海底管线、沉船等。
5. 多传感器信号融合：在水声信号处理过程中，需要利用多种传感器获取信号，将这些信号进行融合处理可以最大限度地提高信号处理的精度和准确性。
Matlab技术在水声通信中的应用水声通信是一种通过水中媒介进行信息传输的技术。
它具有广泛的应用领域，包括海洋勘探、海底测绘、水下目标探测等。
随着科技的不断发展，Matlab作为一种常用的数学软件，已经成为了水声通信领域中不可或缺的工具。
本文将介绍Matlab技术在水声通信中的应用，并讨论其优势及挑战。
一、声波传输模型的建立在水声通信中，声波的传输是通过声波传感器将声信号转化为电信号，然后经过水中传输至接收器再转化为声信号的过程。
Matlab能够方便地建立声波传输模型，以模拟声波在水中的传播特性。
通过Matlab，我们可以对声信号进行频谱分析、时频分析等，从而深入理解声波传输的各种特性。
二、信道建模与仿真水声通信中的信道是指声波在水中传播过程中受到的各种干扰和衰减。
了解信道特性对于设计和优化水声通信系统至关重要。
Matlab提供了丰富的信道建模工具，我们可以通过Matlab来计算声波传输过程中的传播损耗、多径传播、散射等参数。
这些参数有助于我们在设计水声通信系统时进行性能评估和优化。
三、信号处理与解调水声通信系统中的信号处理和解调是非常关键的环节。
Matlab提供了各种信号处理工具箱，包括滤波、降噪、均衡、编码解码等功能。
我们可以利用这些工具对接收到的信号进行处理和解调，提高系统的性能和可靠性。
四、通信协议设计在水声通信系统中，需要设计合适的通信协议来保证信息的可靠传输。
Matlab 可以用来模拟和验证各种通信协议的性能。
通过Matlab，我们可以模拟不同的通信场景，并评估不同协议在不同场景下的可靠性和效率。
五、系统级集成与测试Matlab不仅可以用来实现各种算法和协议，还可以用作系统级集成和测试的平台。
我们可以将不同的算法进行集成，建立完整的水声通信系统，并进行实际数据的测试和验证。
Matlab的强大的仿真和绘图功能，可以将测试结果直观地展示给用户，帮助优化系统性能。
六、Matlab技术在水声通信中的挑战尽管Matlab在水声通信中应用广泛，但也面临一些挑战。
水声信道传输特性分析及其应用研究随着科技的进步，水下通信技术亦越来越成熟，水声通信作为一种重要的水下通信方式，具有传输距离远、带宽大、传输数据多等特点，已得到广泛的应用。
然而，由于水声信道不同于陆地上的无线信道，在传输过程中会受到海水传播、衰减、反射等因素的影响，因此对水声信道传输特性进行深入研究和分析，对于水声通信系统的设计、调节及优化具有重要意义。
一、水声信道传输特性的影响因素水声信道的非线性、不稳定等特性，导致传输信号经常会发生弯折、衰减、回声等问题，因此需要深入研究水声信道的传输特性和影响因素。
1、海水传播特性海洋环境的复杂性是导致水声信道传输特性具有波动性和不稳定性的主要原因。
不同深度的海水具有不同的速度和密度，且随着水温、盐度等的变化而改变，这些因素对于水声信道的传输特性影响很大。
2、声波衰减特性随着声源到接收器距离的增加，海水的吸收和散射作用将导致信号衰减。
水声信道的声波衰减特性是指声波穿过介质后，会因为介质内部的各种因素而逐渐减弱的现象。
声波的吸收和散射会受到介质中的粒子密度和杂质等因素的影响，从而亦会影响声波的传输。
3、反射、折射特性海洋环境中的海水层次观看，会因海水的速度而发生折射，且在海水的不同层次之间亦会发生反射，造成了信号的路径增长和算子间的互制干扰，严重影响了传播距离和传输速度，这是水声信道研究必须重视的因素。
二、水声通信中传输特性分析的意义了解水声信道的传输特性，对于水声通信的设计、运营、维护及升级具有非常重要的意义。
在通信中，信道的质量决定了信号质量的优劣，因此理解水声信道传输特性的影响因素和较好地掌握水声信道的传输特性对于应对信道冲击具有重要的意义。
首先，通过研究水声信道传输特性，可以加强水声通信系统设计的有效性和可靠性。
水声信道的折射、反射和衰减等特性均会令信道中的信号信噪比下降，研究这些因素的影响，能够优化信道设计，提高信号传输质量。
其次，有针对性地调节水声通信系统参数，加强系统稳定性。
水声信道的计算机仿真研究
作者：陈顺举童常根刘敬彪
来源：《现代电子技术》2008年第08期
摘要：简要分析水声信道的传播特性,建立水声时变多径信道的数学模型,给出一种水声信道的多径传播的计算机仿真方法。
通过仿真结果,分析水声信道多径传播的特点,有助于对水声信道的了解及相关问题的设计。
关键词：水声信道；多径传播；计算机仿真；多径信道
中图分类号：TP391.9文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2008)08-088-
(School of Electronics & Information,Hangzhou Dianzi
Abstract：This paper describes the characters of underwater acoustic communication channels.A mathematical model of multipath fading channel in underwater acoustic communication is developed.Through the simulation results,the speciality of multipath,which is helpful to realize the character of the underwater acoustic communication channels is analyzed,and relative projects are
Keywords：underwater acoustic channel;multipathpropagation;computer simulation;multipath
当前的通信研究领域中,在水下利用声波进行数字通信是一个热门的研究。
尤其是近年来随着海洋开发事业的发展,对水下通信的要求也越来越迫切,大大增加了科研人员投身于水声数字通信的热情。
水声信道的研究是水声通信技术研究的重要环节,然而其困于多径干扰而未取得令人满意的进展。
本文针对当前多种调制方式在水声信道中的应用,提出一种模拟水声信道多径传播的简化模型,通过计算机仿真对水声信道中几种常用的调制方式进行比较,其结果可对克服水声信道的干扰、选择合适的调制方式提供一些借鉴。
1 水声信道的数学模型
水声信道是所有通信信道中最为复杂的信道之一。
他具有环境噪声高、可用的载波频率和带宽低、传输时延大等特点。
计算机仿真时可以将水声信道简化为一个时间和频率变化的冲激响应的线性滤波器,同时存在着噪声的影响[1],如图1所示
图1 水声信道多径传播模型
在水声信道多径传播模型中为噪声,发送信号表示为［2]：
［］
对于复带通信号而言,复指数信号可称为复载波,而函数u(t)则为复调制分量,常称其为s(t)的复包络,即的等效低通信号。
假设发射信号如式（1）所示，则经过非均匀的海水介质的传播,同时由于界面反射等作用,水听器接收到的信号是具有不同时延因子和衰减因数的许多路径信号的合成。
因此,接收到的带通信号可表示为[2]：
－
式（2）中是第n 条传播路径上接收信号的衰减因子,τn(t)为第条传播路径的传播延时。
将式（1）代入式（2）,可得：
［t－τn(t)］
可以看出接收信号的等效低通信号为:
［t－τn(t)］
由于是等效低通信道对等效低通信号的响应,因此,该等效低通信道可用其时变冲激响应来描述,即[2]：
πfcτn(t)δ［t－τn(t)］
式(5)即为多径信道的等效低通冲激响应表达式。
由式(5)可以看出多径传播效应使发射信号的幅度和相位都发生畸变,并且其变化规律是人们无法预知的。
2 仿真实例及分析
由于海洋反射、折射、声线弯曲、时变、空变等现象的存在,要想用一个精确的模型完整地表述其性质是不可能的也是不必要的。
从水声通信的角度来看,水声信道是一种典型的时变多径信道,可以针对某一特定环境或某一应用范围对其特性进行分析和研究。
现在分析发射未调载波的情况,以便直观地说明海洋多径效应对信号传输的影响。
发射信号简化为经过条路径传播后的接收信号为：
［ω0(t－τi(t)］
=∑ni=1ui(t)cos［ω0t+φi(t)］
其中是第径的幅度、相位,随时间变化而随机变化。
图2是一个幅度为1,频率为10 000 Hz的单频信号经过20条路径传输得到的波形及其频谱,这20条路径的衰减相同,但时延的大小是随时间变化的,每径时延的变化规律为正弦型,变化频率从0~10 000 Hz抽取。
图2 输入单频信号的时域波形
由图2~7可以看出：单频信号经过20径时变信道后,输出信号的包络随时间起伏,输出信号的频谱从冲激谱变成一个窄带频谱,信号的包络呈现随机起伏的特点。
信号经过多径时变信道,会产生码间干扰和衰落,其中衰落快慢取决于码元间隔与多径间的时延差的相对关系。
通常,当信息速率远大于信道的衰落速度时,信号经历慢衰落,如图2所示；当由于信息速率与信道的衰落速度可比时,信号经历快衰落,如图3所示；当码元间隔远大于多径间的最大时延时,由多径造成的码间干扰对信号接收影响不严重；当多径间的时延差与信号码元间隔可比时,多径造成的码间干扰就不可忽视。
图3 时延变化频率为1 000 Hz 经过径后接收信号的时域波形
3 结语
水声信道中信号传输的路径较多,接收端同时收到来自多条传输路径的信号,这些信号可能同相相加或反相相消。
由于各径时延差不同,每径信号的衰减不同,因此水
图4 时延变化频率为10 000 Hz 经过径后接收信号的时域波形
图5 输入单频10 kHz信号的频谱
图6 时延变化频率为1 000 Hz经过径后接收信号的频谱
图7 时延变化频率为10 000 Hz经过径后接收信号的频谱
声信号经过多径信道后有码间干扰。
通常情况下,如果信号的码元距离远大于多径的最大时延差,此时信号经过多径后不会产生严重的码间干扰；相反,如果信号码元间隔与多径间的时延差可比,则信号经过多径后会产生严重的码间干扰,此时接收端需要考虑采用均衡和其他消除码间干扰的方法才能正确接收信号。
参考文献
［1］刘伯胜,雷家煜.水声学原理［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,1999.
［2］郭文彬,桑林.通信原理[CD2]基于Matlab的计算机仿真［M］.北京:北京邮电大学出版社,2006.
［3］Proakis J G.数字通信［M］.4版.北京：电子工业出版社,2003.
［4］Christophe Viala,Claire Noel.Simulation of Acoustic Signal in Timevarying Multipath
作者简介陈顺举男，1982年出生,重庆渝中人,在读研究生。
研究方向为电子系统集成。
