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基于网络模拟软件NS2的网络协议仿真【摘要】：网络模拟是网络协议性能及研究中非常重要的一个组成部分。
本文介绍了网络模拟软件 NS2 的结构和特点以及仿真过程，并实例介绍了基于NS2的网络协议仿真。
【关键词】：NS2；TCP；UDP；路由；仿真一、引言网络模拟是网络协议性能及研究中非常重要的一个组成部分，算法是否合理、是否具有实用价值、是否能够提高网络的性能等都需要通过实验证明。
由于在真实的网络环境中进行实践验证耗资巨大，多数高校和科研机构并不具备完整有效的实验环境，而且真实网络中实验数据的收集和分析也有一定困难。
网络仿真软件通过在计算机上建立一个虚拟的网络环境来实现对真实网络环境的模拟，科研人员在这个平台上不仅能对网络的通信、设备、协议、结构以及应用进行研究，还能对网络的性能进行分析和评估。
仿真软件大大提高了网络设计开发的效率，同时也降低了费用和风险，已经成为研究中不可或缺的工具。
二、NS2 的结构和特点目前，使用较多的网络仿真软件有OPNET，Matlab，NS2 和GloMoSim 等。
选择免费且开放源代码的NS2作为仿真平台，是因为该平台是一种离散事件网络仿真平台，可以运行在Linux或Windows操作系统上。
作为一种可扩展、易配置、可编程的事件驱动的网络仿真软件，NS2能够近乎真实地在各个层次上模拟网络运行，并支持多种协议。
其主要功能包括以下几点。
一）灵活的仿真环境作为一款开源软件，NS2所有源代码公开，任何人都可以获得、使用和修改其源代码。
这对于利用NS2来构建特殊的网络仿真实验环境非常方便和迅速。
二）结果分析及再现容易研究人员通过配置环境参数获得理想的网络环境，即可实时跟踪并记录关键节点的重要信息，从而获得网络性能参数，并可以随时再现某些特殊情况，这在真实网中是难以做到的。
三）良好的可扩展性NS2使用C++和OTCL两种程序设计语言，分别完成具体协议的模拟，实现与网络仿真环境的配置和建立。
水声通信中的信号调制与解调技术研究在当今科技飞速发展的时代，通信技术的重要性日益凸显。
其中，水声通信作为一种特殊的通信方式，在海洋探索、水下监测、军事应用等领域发挥着至关重要的作用。
而信号的调制与解调技术则是水声通信系统中的核心环节，直接影响着通信的质量和效率。
水声通信面临着诸多独特的挑战。
首先，水声信道是一个极其复杂且多变的环境。
与电磁波在空气中传播不同，声波在水中传播时会受到吸收、散射、折射和多径效应等多种因素的影响，导致信号的衰减和失真。
其次，水下环境的噪声水平通常较高，这包括海洋生物发出的声音、水流的噪声以及船舶等机械产生的噪声。
此外，由于水的密度和压力等特性，声波的传播速度相对较慢，限制了通信的带宽和数据传输速率。
为了在如此恶劣的环境中实现可靠的通信，有效的信号调制与解调技术显得尤为关键。
信号调制是将原始信息加载到载波上的过程，其目的是使信号更适合在信道中传输。
在水声通信中，常见的调制方式包括幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。
幅度调制是最简单的调制方式之一，通过改变载波的幅度来传递信息。
然而，由于水声信道中的衰减较大，幅度调制容易受到噪声的影响，导致信号的可靠性降低。
频率调制则是根据信息改变载波的频率。
这种调制方式在一定程度上能够抵抗信道中的噪声和衰减，因为频率的变化相对较容易检测。
但频率调制也存在一些局限性，例如占用较宽的带宽，在带宽有限的水声信道中可能不太适用。
相位调制通过改变载波的相位来传输信息。
它具有较高的频谱效率，能够在有限的带宽内传输更多的数据。
但相位调制对相位误差较为敏感，在复杂的水声信道中容易出现相位偏移，从而影响解调的准确性。
除了上述传统的调制方式，近年来，一些新型的调制技术也逐渐应用于水声通信中。
例如，正交频分复用（OFDM）技术将可用的频谱分割成多个子载波，每个子载波可以独立地进行调制和解调。
这种技术能够有效地对抗多径效应和频率选择性衰落，提高通信的可靠性和数据传输速率。
基于NS-2的网络仿真与扩展
陈亚军;肖建华
【期刊名称】《计算机系统应用》
【年(卷),期】2005(000)005
【摘要】由于网络本身的复杂性,要分析网络性能显得比较困难.然而随着计算机技术的发展,仿真已经成为一种分析复杂系统的有效的工具.该文介绍了目前应用较为广泛的网络仿真器NS-2.首先详细介绍了网络仿真器NS-2的结构、功能及使用方法,给出一应用实例,其次介绍NS-2的扩展方法.
【总页数】4页(P84-87)
【作者】陈亚军;肖建华
【作者单位】武汉科技大学信息科学与工程学院,430081;武汉科技大学信息科学与工程学院,430081
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.基于NS-2的无线自组织网络仿真实验设计 [J], 蔡虔
2.基于NS-2的卫星网络仿真方法的研究 [J], 叶晓国;肖甫;孙力娟;王汝传
3.基于NS-2的无线传感器网络仿真模块扩展方法的研究 [J], 叶晓国
4.基于NS-2网络仿真协议的功能扩展 [J], 永华;刘广钟
5.NS-2移动代理网络仿真功能扩展设计和实现 [J], 李建枫;糜正琨;成际镇
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基于NS2的WMSNs可视化仿真平台的设计与实现摘要无线多媒体传感器网络（Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSNs），在无线传感器网络基础上增加了大量的音、视频多媒体传感器设备，从而实现更加全面、准确、高效、细粒度的区域检测。
WMSNs技术已经较为广泛的应用于军事侦查、智能家庭、环境监测以及城市交通等领域。
对于网络场景的研究，尤其是大规模的网络场景很难通过实验来模拟，所以网络仿真工具的出现在很大程度上解决了这一难题。
由于WMSNs是较为新颖的网络形式，所以现阶段针对WMSNs的仿真工具相对较少。
本文提出了一种针对WMSNs的仿真工具的设计方案。
基于NS2的WMSNs可视化仿真平台是针对WMSNs的网络仿真平台。
本文主要工作分为两部分：服务器端和移动设备端。
服务器端以NS2为基础，负责仿真数据的处理工作；移动设备端以用户界面为主，负责仿真场景的搭建和描述以及仿真结果的呈现。
用户界面上可以设置无线节点以及节点坐标、节点无线信号覆盖范围、能量值、无线信道参数等针对WMSNs场景特征设置。
在NS2中加入了适用于WMSNs的经典的LEACH路由协议，拓展了NS2功能，使该平台更有针对性。
本仿真平台将仿真界面和仿真处理器分离，仿真界面置于移动终端，仿真处理器置于服务器。
只要将移动终端与服务器通过Wi-Fi连接，便可以随时随地对WMSNs场景进行仿真，并快速得到仿真结果，大大提高了仿真效率，为以后的工作节约了大量时间。
本文的主要创新点是针对WMSNs设计了基于NS2的仿真平台，同时在该平台上进行了LEACH路由协议仿真试验，试验结果表明该平台具有一定的应用价值，对WMSNs的仿真研究具有一定的理论价值和现实意义。
本设计已经获得了国家版权局颁发的计算机软件著作权登记证书（软件名称：基于NS2的WMSNs可视化仿真平台1.0，登记号：2013SR016727）。
关键词：WMSNs；NS2；网络场景；仿真平台Design and Implementation of Visual Simulation Platformfor WMSNs Based on NS2AbstractWireless multimedia sensor networks (WMSNs), increase a large number of audio and video multimedia sensor devices on the base of wireless sensor networks, in order to achieve more comprehensive, accurate, efficient, fine-grained region detection. The WMSNs have been widely used in the military investigation, smart home, environmental monitoring, as well as urban transportation and other fields.The study of network scenes, especially large-scale network scenarios are difficult to simulate by experiments, so network simulation tools can solve this problem. WMSNs are novel form of network, so simulation tools for WMSNs are relatively very few at the present stage. This paper presents a design of a simulation tool for WMSNs.Visual simulation platform for WMSNs based on NS2 is designed for WMSNs. This simulation platform can be divided into two parts: server-side and mobile device. Server-side is responsible for the processing of the simulation data; mobile device is responsible for the building and description of simulation scenes, as well as the presentation of simulation results. The user interface can set the wireless nodes, node coordinates, node wireless signal coverage, energy value, and radio channel parameters. Most importantly, we add LEACH routing protocol which is designed for WMSNs to expand NS2, makeing the platform more targeted.This simulation platform separates interface from simulation processor, and the interface is placed on the mobile device while the simulation processor is set to theserver. As long as connecting the mobile terminal and server via Wi-Fi, we can simulate wireless multimedia sensor network scenes anytime and anywhere and get the simulation results quickly. By this way, we greatly improve the simulation efficiency and save lots of time.The main innovation point of this paper is that we design a visual simulation platform for WMSNs based on NS2, and the platform has tested LEACH routing protocol. The results show that the platform has a certain value in theory and application for WMSNs. This design has obtained a registration certificate of computer software copyright issued by the National Copyright Administration (Software Name: Visual Simulation Platform for WMSNs Based on NS2 1.0, Registration Number: 2013SR016727).Keywords: WMSNs; NS2; Network Scenes; Simulation Platform目录1绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.1.1 课题背景 (1)1.1.2 研究内容 (3)1.2 研究现状 (3)1.2.1 现有网络仿真器综述 (4)1.2.2 存在的问题 (5)1.3 本文的组织结构 (6)1.4 本章小结 (7)2 NS2仿真器 (8)2.1 NS2仿真器概述 (8)2.1.1 NS2使用的语言简介 (9)2.1.2 NS2的原理 (11)2.1.3 NS2中相关工具介绍 (13)2.2 NS2协议的扩展方法 (15)2.3 本章小结 (15)3 WMSNs (16)3.1 WMSNs概要 (16)3.1.1 无线多媒体网络体系结构 (16)3.1.2 WMSNs分层结构及协议 (20)3.2 WMSNs研究的热点问题 (23)3.2.1 ZigBee技术 (23)3.2.2 超宽带技术 (24)3.2.3 跨层优化 (24)3.2.4 多媒体编解码 (25)3.2.5 服务质量保障 (25)3.2.6 网络覆盖 (25)3.3 WMSNs的应用 (26)3.4 本章小结 (27)4 基于NS2的WMSNs可视化仿真平台设计 (28)4.1 仿真平台架构 (28)4.1.1 服务器主要功能 (30)4.1.2 移动终端主要功能 (31)4.2 仿真平台工作流程 (33)4.2.1 服务器端各功能函数说明及实现 (35)4.2.2 移动设备端各功能函数说明及实现 (37)4.3 LEACH协议 (39)4.3.1 LEACH路由协议简介 (39)4.3.2 NS2中协议拓展方法与实现 (39)4.3.3 NS2中路由协议的添加 (40)4.3.4 LEACH路由协议的C++实现过程 (41)4.4 本章小结 (43)5 基于NS2的WMSNs可视化仿真平台的使用 (44)5.1 仿真平台的安装 (44)5.1.1 运行环境要求 (44)5.1.2 Cygwin安装 (45)5.1.3 NS2安装 (47)5.1.4 LEACH协议添加 (49)5.1.5 仿真平台其它配置 (50)5.2 服务器端登录和退出 (50)5.2.1 服务器登录 (50)5.2.2 服务器退出 (51)5.3 移动设备端应用界面 (52)5.3.1 功能按钮 (52)5.3.2 无线节点传输层协议设置 (52)5.3.3 无线节点应用层协议设置 (53)5.3.4 无线节点路由协议设置 (53)5.3.5 无线节点其它参数设置 (54)5.3.6 脚本生成 (54)5.4 仿真结果分析 (55)5.4.1 仿真环境设置 (55)5.4.2 仿真结果分析 (56)5.5 本章小结 (57)6 总结与展望 (58)参考文献 (60)致谢 (64)个人简历、在学期间研究成果 (66)1绪论1.1 研究背景与意义1.1.1 课题背景21世纪，已经进入了信息通信时代，各种无线技术、电子技术和传感器技术都得到了飞速发展。
Vol. 16 No. 1 Jan. 2004系 统 仿 真 学 报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION• 85 •NS-2 移动代理网络仿真功能扩展设计和实现李建枫，糜正琨，成际镇（南京邮电学院通信工程系，南京 210003）摘要：在分析网络仿真工具 NS-2 特点的基础上，提出了移动代理模型的建立以及数据包、节点和代理扩展技术， 通过修改原有的数据结构和增加新的网络模块扩展 NS-2 的功能以实现移动代理网络 的仿真，并据此设计实现了移动代理网络模拟软件。
利用该软件，可以有效地分析移动代理系统的 网络性能，为其设计和评估提供可靠的依据。
关键词：移动代理；网络性能分析；仿真软件；面向对象设计；NS-2 文章编号：1004-731X (2004) 01-0085-06 中图分类号：TP18 TP391.9 文献标识码：ADesign and Implementation of NS-2 Functional Extension to Mobile Agent Network EmulationLI Jian-feng，MI Zheng-kun，CHENG Ji-zhen(Department of Communication Engineering Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing Jiangsu 210003, China)Abstract： Following the analysis of the features of network simulation tool NS-2, the establishment of mobile agent model and the design techniques of packet, node and agent extension have been proposed. Through the modification of existing data structure and the addition of new network modules, NS-2 functionality has been extended to cope with the emulation of mobile agent networks. Based on these techniques, a mobile agent network simulation software is designed and implemented. Using this software, the network performance of mobile agent systems can be effectively analyzed, which will provide sound evidence for their design and evaluation. Keywords：mobile agent; network performance analysis; emulation software; object-oriented design; NS-2引 言1移动代理（Mobile agent）是近年来迅速发展的 IT 界热 点研究课题。
水声通信技术研究及其应用水声通信是利用水体作为传输介质，将声波信号转换成数字信号，实现信息的传递。
水声通信技术主要应用于水下观测、管道巡检、海洋测量、水下作业、水下声呐、水下机器人等领域。
水声通信技术在海洋领域有着广泛的应用，对于保护海洋生态、资源勘探等有着积极的推动作用。
本文将对水声通信技术的研究和应用进行探讨。
一、水声通信技术的基本原理水声通信技术的基本原理是利用水中传播的声波将信息传递至远程，在传播过程中，水的吸收、散射、多次反射等作用都会对传输信号产生影响。
基于水声通信特点和传输过程的影响，研究人员开发出了一系列水声通信技术，例如QPSK调制、OFDM等技术，有效地提高了水声通信的可靠性和抗干扰性。
此外，海水中会存在一些出现波速不均匀、波速剪切等现象，因此也需要对信号进行特殊处理。
二、水声通信技术的应用1. 海洋资源勘探水声通信技术在海洋领域有着广泛的应用，其中一项重要的应用领域是海洋资源勘探。
如今，全球海上石油开采领域中，水下的通信设备也越来越普及，水声通信技术已成为石油捕捞作业中获取数据、控制设备、安全传输信息的重要方式。
2. 水下作业水声通信技术也可以应用于水下作业，例如水下沉船拍摄、水下的管道检测等。
这一领域的需求更多的是对局部的关键数据进行传输、控制和观测，以便发现并解决问题。
3. 海洋生态保护水声通信技术在海洋生态保护领域也扮演着重要的角色。
通过水声匹配滤波技术和水声通信，可以定位到各种声源和鱼群。
海洋生态保护作为一个跨学科领域，需要各个领域的专家进行协作研究，水声通信技术的应用，能够从声学的角度为生态保护提供有效的技术支持。
三、水声通信技术的研究方向1. 海洋智能物联网海洋智能物联网（IOST）是物联网技术在海洋领域的应用。
随着信息技术的发展和天然资源的枯竭，人们对海洋资源的开发和管理越来越受到关注。
水声通信技术在IOST中提供海底传感器网络数据传输的主要方法，海洋传感器网络与水下通信技术的结合，可以提高海洋监测的效率和精度。
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。
