（水声工程专业论文）水声通信网络中数据链路层协议研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h el a s tt w od e c a d e s ，u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o n m m n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a s e x p e r i e n c e ds i g n i f i c a n tp r o g r e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t hi n c r e a s e db i tr a t e a n dr e l i a b i l i t yn o we n a b l er e a l - t i m ep o i n t - - t o - p o i n tl i n k sb e t w e e nu n d e r w a t e r n o d e s c u r r e n tr e s e a r c hi sf o c u s e do nc o m b i n i n gv a r i o u sp o i n t t o p o i n tl i n k s w i t h i nan e t w o r ks t r u c t u r et om e e tt h ed e m a n df o rv a r i o u sa p p l i c a t i o n s b e c a u s e o fh o s t i l e p r o p a g a t i o nc o n d i t i o n i nu n d e r w a t e rc h a n n e l ，t h e d e s i g n o f h i g h - r e l i a b l e 、h i g h - t h r o u g h p u tu n d e r w a t e ra c o u s t i cn e t w o r k s ( u a n ) i sad i f f i c u l t t a s k w ef i r s ts u m m a r i z eo nd e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co ft h eu a n ，a n d d e s i g nt h r e el a y e r e da r c h i t e c t u r et h a ta r ep h y s i c a ll a y e r 、t h ed a t al i n kl a y e ra n d t h e n e t w o r kl a y e r b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef e a t h e ro fu n d e r w a t e ra c o u s t i c c h a n n e l ，w ec h o o s et h ep l a n em u l t i h o pt o p o l o g y t h ed a t al i n kl a y e rp r o t o c o l sa r ef o c u s e do n o nt h eo n eh a n d ，w ei n t r o d u c e t h r e e f l o o ra n de r r o rc o r r e c t i o nc o n t r o lp r o t o c o l sw h i c hc o n t r o lt h el o g i c a l s e q u e n c eo fe x c h a n g i n gt h ef r a m eb e t w e e nt w on o d e s w ea l s oa n a l y s i st h em e r i t a n dd e f e c to ft h e ma n dc h o o s es t o p w a i ta r q p r o t o c o lt om e e tt h eu a n o nt h e o t h e rh a n d ，s e v e r a lm e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o la r ee x p a t i a t e da n ds o m e s c h e m ea r eb r o u g h tf o r w a r dt os o l v et h eh i d d e nt e r m i n a la n de x p o s e dt e r m i n a l a tt h es a m et i m ew ed e s i g nt h et i m eb a c k o f fa r i t h m e t i cf o rd a t ac o l l i s i o n a tl a s tw ed e s i g nau a nm a k i n go ff o u rn o d e sa n ds i m u l a t et h ed a t al i n k l a y e rp r o t o c o l s f l o o ra n de r r o rc o r r e c t i o nc o n t r o lp r o t o c o lc h o o s es t o p w a i ta r q p r o t o c o la n dm e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o lc h o o s em a c a wp r o t o c 0 1 w e c o m p a r et h en e t w o r kf e a t h e ri nt h ec a s eo fd i f f e r e n tf r a m el e n l g t ha n dd i f f e r e n t e i t o rr a t e k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k = d a t al i n kl a y e r p r o t o c o l ； m a cp r o t o c o l ；m a c a wp r o t o c o l s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，都是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内 容之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 的方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签字： 日期：九旷年弓月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近几十年来，随着世界各国对海洋开发和利用步伐的加快，水声通信 技术的研究备受青睐。但是由于无线电波在海洋中的传输受到极大的限制， 水声通信网络的建设尚处于起步阶段。现有的水声通信大部分仅限于海底 传感器和自治水下潜器a u v s ( a u t o n o m o u su n d e r 镕 a t e rv e h i c l e s ) 这些节点 之间实时的点对点的研究和应用。当前的研究方向是将这些点对点的连接 结合成为一个无线网络来满足各种应用要求。在军事方面，水声通信网络 对于海洋军事情报的监听与收集、港口及近岸的检测、特别是对于水下侦 察和作战群体的管理、指挥和调度等方丽都起着十分重要的作用。在民用 方面，具体应用有环境数据的采集、海洋勘测、气象研究、污染监测和海 洋生物保护。由于水下声信遵的窄带宽、多普勒频移、多途效应和传输速 度低等特征及电池供电和经济费用的限制，设计一个具有高可靠性、大吞 吐量、低功率消耗和较短传输时延的水声通信网络是一项具有很强挑战性 的工作。 水声通信网络的研究面临的主要困难是川：海洋声信道的长延时( 水中 声速约为1 5 0 0 m s ，比空气中光速低了5 个数量级) 、可用频带有限、严重 的时变多途影响、功耗限制( 因为要在海下长期工作，电池供电的网络节点 的寿命受限制) 、网络安全性等。因此，水声通信网络是一类自组织网络， 要求具有环境自适应能力( 如功率控制) 、自优化能力( 如路由选择、故障节 点删除和新节点吸收等) 、在数据传输的同时要解决节点间测距、定位、信 道估计等任务。 本文的工作是深入研究水声通信网络技术中数据链路层协议，通过仿 真试验详细分析了m a c a w 这种适合水下无线通信的数据链路层协议的性 能，并进行分析比较，得出结论。 哈尔滨1 ：程人学硕士学位论文 i ；i ；i i i i i i i 岛i l l l ；1 1 1 1宣 1 2 水声通信网络的发展现状和特点 1 2 1 水声通信网络的发展现状 在过去二十年里，水声通信技术由于应用领域的扩大而取得了很大的进 步，并从原来仅有的军事领域逐渐扩展到商业领域1 2 l 。继在浅海水域内实现 点对点实时通信之后，美国、加拿大和欧共体等发达国家和地区投入大量 的人力、物力来研究和开发水声通信网络，即把这些点对点的连接组合成 为一个无线水声通信网络，再通过无线浮标将上传的数据接入陆地上现有 的立体信息网中，从而形成真正的覆盖全球的立体信息网。 图1 1 水声通信网络示意图 美国在m o n t e r e yc a n y o n 建立了水声通信局域网络，监测范围为5 1 0 公罩，水下节点与海面浮标之间利用1 0 3 0 k h z 的垂直声信道，浮标与 岸基通过射频的方式通信。北卡罗来纳州立大学利用水下网络对北卡罗来 纳海岸附近的海洋环境进行了2 0 多年的观铡，研究气象、天文等对波浪的 影响。美国国家海洋和大气管理中心从1 9 9 1 年开始建立了系列化的海洋物 理实时监测网络系统。主要功能有：提高导航安全性，提高港口效率和保 护海洋资源。最大的一个在1 1 3 金山湾，由3 0 多台仪器组成。 欧共体在m a s t ( m a r i n es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r a m m e ) 计划的支 持下，发展了一个系列化的水声通信网络研究计划：a c m ep r q i e c t ，l o t u s p r o j e c t ，s w a n ( s h a l l o ww a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) p r o j e c t ， r o b l i n k s ( l o n gr a n g es h a l l o ww a t e rr o b u s ta c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n l i n k s ) p r o j e c t 等等。其中a c m e 计划主要研究方向是：发射功率、电池消 哈尔滨工程大学硕士学位论文 耗、调制方式、网络的吞吐量、延时、稳健通信、海洋动物的保护和多变 的环境。2 0 0 4 年6 月进行海试，研究水声通信的声波对鲸鱼和海豚的影响 和网络协议的稳健性。网络中最少节点数：4 个，其中一个为主节点，三个 为从节点。水深：6 1 0 米，节点距离：2 0 0 2 0 0 0 米，比特率最高为l k b i t s 扣。 l o t u s 计划是超浅信道中的长距离通信机。其点对点通信距离可达 l o k m ，载波频率8 k h z ，通信速率最高4 k b i t s 。该系统针对超浅水域中存在 强烈、时变的混响干扰以及多用户同时反射造成严重的串扰等问题进行技 术攻关，采用三维水听器阵进行空间分级并对每一个信源进行匹配。该系 统目f j i 已进行过两次海试。 s w a n 计划目标：建立潜水通信仿真模型，并研究各种无训练m e m u 阵的处理方法。 r o b l i n k s 目标是研究并试验浅水中( 2 0 3 0 m ) 长距离( j 0 k m ) 稳 健通信( i k b i t s ) 的方案。技术路线：开发新的最佳相关信号处理概念和 算法，引入连续信道辨识技术，提高通信系统对环境变化的稳健性，并对 算法进行海试验证。 w o o d sh o l eo c e a n o g r a p h i ci n s t i t u t i o n 于2 0 0 3 年1 1 月末进行了海试，研 究水声通信网络，用于探测海下地震脉冲。网络由3 个不同的水下传感器 组成，其中一个用于测深，一个用作实时传送数据的测震仪，每天向系在 船上的浮标传送六次水声数据，这些浮标带有w h o i 微型调制解调器和 w h o iu a m 接收器，可通过卫星将数据中继到岸上，在岸上可监视水声数 据，得到网络的声信号的实时参数，优化浮标上u a m 接收器的参数，更好 地评估网络的性能。网络允许最大的上行传送数据率是4 k b s ，每天可上传 数据达1 6 m b 。比特率为8 0 5 3 0 0 b i t “s ，吞吐量为6 6 8 1 6 b i t s 和4 4 0 k b 。 其它如英国n e w c a s t l e 大学研制出的a c o u s t i cm o d e m 系列，也是为水 下通信和网络通信而设计的。其作用距离 1 0 k m ，速率为2 0 2 0 0 b i t s s 半 双工，误码率 1 0 一。 我国水下数字通信技术的研究起步于八十年代中后期。目前水下通信 网络的研究尚未有取得实验成果的报道。哈尔滨工程大学水声工程学院是 首批开展这一技术研究的单位。目前该项研究e 在进行当中。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 1 2 2 水声通信信道的特征 海洋是水下声传播的介质，从信息论的观点看，海洋就是声信道。水 声通信信道与其它通信信道相比，是非常复杂的。海域里的声信道，除了 要远离航运线路外，其特征主要表现在以下几方面1 4 l ： ( 1 ) 声传播损失 声传播损失主要包括扩展损失、吸收损失和散射三方面。扩展损失是由 于声波波振面在传播过程中不断扩展而引起的声强衰减。吸收损失是由于 介质粘滞、热传导等物理吸收引起的声强衰减。散射是由于海洋介质中， 存在泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质的不均匀性引起的声强衰 减。传输损失与通信系统的作用距离和工作频率有关，通常随着作用距离 和工作频率的增加而增加。传输损失决定了水声通信网络的带宽，限制了 网络的数据传输速率。 ( 2 ) 多途传播效应 由于海底和海面的反射作用，声波在发射节点和接收节点之间存在大量 的传输路径，多途传播引起信号时间扩展，从而引起码间干扰。发送节点 发出一个脉冲，由于多途传播效应，接收节点收到一串畸变的脉冲。因此 多途效应是限制水声通信网络性能的主要因素之一。 ( 3 ) 多普勒效应 由于发射节点和接收节点之间的相对运动或信道中海水流动而引起多 普勒频移，称为多普勒效应。如果运动的变化很慢，引起的多普勒频移可 以扩展。多普勒频移也是影响水声通信网络性能的主要因素之一。 ( 4 ) 海洋环境噪声 海洋环境噪声是复杂多变的，它与海域位置、传感器节点位置、近区 的气象条件和远区的气象条件有关，也与频率有关。海洋噪声按照产生的 原因可分为：海洋动力噪声，生物噪声，交通噪声、工业噪声和地震噪声 等。海洋环境噪声对水声通信网络有重要影响，是主要的背景干扰之。 从以上特性可以看出，水声通信信道非常复杂，所用带宽受射程和频 率的限制。在这个有限的带宽内，水声信号还受时变多途信道的影响，导 致严重的码间干扰。另外，发射节点和接收节点之间的相对运动还可能引 哈尔滨工程大学硕士学位论文 起较大的多普勒频移，这些干扰严重影响着水声通信网络数据传输速率和 数据通信的可靠性，有效通信的距离、网络的吞吐量和功率消耗。 1 2 3 水声通信网络的特点 1 水声通信网络的模型 用于海洋探测和数据采集的水声通信网络u a n ( u n d e r w a t e ra c o u s t i c n e t w o r k s ) 一般由海底或海中布放的一组固定传感器节点、a u v ( 自主式水 下航行器) 、海面上的网关节点( g a t e w a yn o d e ) 和陆地上的中继站( r e l a y p l a t f o r m ) 组成，如图1 2 所示。每个传感器内置一个声调制解调器和一个 接收器，其功能是( 1 ) 能够在请求信道上向网络节点发送信号；( 2 ) 从网 络节点接收信号；( 3 ) 可以解决同步到达的两个信号间的冲突问题；( 4 ) 对周围环境进行实时监测【5j 。a u v 是水下移动节点，功能与固定传感器节 点相同。网关节点由声m o d e m 和一个与岸上用户高速通信的接口组成。其 中声m o d e m 作为与水下传感器平台的接口，接收传感器采集的数据；与岸 上用户的接口可以采用远程高频收发机、在线可视的超高频雷达收发机或 u h f ( u l t r ah i g hf r e q u e n c y ) 卫星收发机，与岸上或陆地上的中继站进行通 信。中继站是同其它的控制中心、i n t e r n e t 、骨干网或其它网络连接( 包括经 通讯卫星中转1 1 6 i ，实现数据的上传。 图1 2 一个典型的水声通信网络示意图 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 水声通信网络的特点 水f 声信号的传播速度比无线信道的传播速度低五个数量级，较大的 传输时延会降低系统的吞吐量，消耗较多的能量。同时，海底设备是由电 池来提供能量，因此功率控制对于水声通信网络来讲是不可忽视的一个方 面。以上这些部是在设计水下无线通信网络时不能不考虑的问题。由于水 声通信网络的应用环境，因此，它同陆地上通信网络相比具有以下显著特 征： ( 1 ) 都属于无线通信网络 水声通信网络由位于海底或水中的传感器组成，通过海面浮标的有线 或无线网络连接到岸上。然而由于所耗的费用、环境条件和船运等原因， 我们无法在海底和海面浮标之间架设电缆。因此，理想的水下通信是从传 感器向终端用户通过无线声波发送数据或在岸上远程控制水下设备，所设 计的水声通信网络均属于无线通信网络1 5 j 。 ( 2 ) 运动的网络节点 由于海水涨潮、落潮、大型哺乳动物的活动和航运等原因，网络中的 节点并非静止不动，每个节点都可以独立地以任意速度和任意方式在网络 中移动，这无疑增加了设计网络协议的难度。 ( 3 ) 动态的网络拓扑结构 由于网络中每一个节点都可以自由地、相对独立地运动，加上信道内 的各种干扰、水下地形变化等因素的影响，水声通信网络的拓扑结构可随 时发生变化。更糟糕的是，网络拓扑结构的变化是随机的、频繁的，而且 是不可预测的。 ( 4 ) 自动组网能力 一些水下应用要求网络在没有进行周密计划的情况下迅速布置好，例 如在军事和民用的营救任务中。因此网络应该能够决定节点的位置和自动 配置自己来提供一个有效的数据通信环境，并且如果在事务处理中信道发 生变化或者一些网络节点失败，网络应该能够自主地、动态地重新进行配 置来继续工作。因此，a dh o c 网络适合水下的应用环境，有关a dh o c 网 络内容将在后续小节中详细介绍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 传输带宽受限 水声通信网络中的传输带宽是时变的，而传输带宽体现在链路的容量 上。一般地，水下无线链路的容量比陆地上的无线链路的容量低很多，如 果再考虑多址接入、信道衰落、噪声、和干扰等不利因素的影响，实际可 获得的链路容量比理想的无线传输速率还要低许多。 ( 6 ) 节点能量受限 水声通信网络中各传感器节点和其它设备主要是由电池供电，因此它 是一个能源受限的系统。在岸上更换系统的无线调制解调器比较容易，但 对于放置在水下的终端节点来说，更换调制解调器比较困难，需要较长往 返航行时间、较多消耗的资源和较高的使用费用。所以，为了能够延长节 点的运行时间，一个最重要的网络协议设计准则是要尽量节约能源，具体 措施是减少重发数据的次数、不发数据时或数据在信道传送过程中关掉电 源和以实际需要的最小功率进行发射。这样一来，每个节点的无线覆盖范 围受到了限制【6 j 。 1 2 4 水声通信网络的应用方向 近年来，随着水声通信技术的进步，水声通信网络的应用范围日益扩大， 由原来的军事领域逐渐扩展到商业领域。在军事上，水声通信网对于海洋 军事情报的监听与收集，港口及近岸的检测，特别是对于水下侦察与作战 群体的管理、指挥与调度等方面都有十分重要的作用；该技术成果向民用 方面的转化有海洋环境与气象研究，环境污染监测、海洋资源开发与保护、 港口安全与效率的提高等，这也会带来巨大的经济效益【7 l 。 目前，在国外的有关水声通信网络的公开文献中，主要有两大类应用方 向： ( 1 ) 环境数据的收集 这类网络一般由几种传感器组成，一些被放置在固定的停泊处，另一 些被放置在自由移动的设备上，被称为自治海洋采集网络a o s n ( t h e a u t o n o m o u so c e a n o g r a p h i cs a m p l i n gn e t w o r k ) 。它是为采集关于各种海洋问题 的数据、制作精确的图表、预报天气、测量和建立模型而提供一种机制， 这个网络的中心概念就是移动数据采集平台( 即自治水下潜器a u v s ) 的布 哈尔滨工程大学硕士学位论文 置。移动采集平台的加入就使得传感器网络管理者能够让传感器布置的这 个区域满足采集数据的要求，或者扩大这个区域在水平、垂直方向上的传 输范围。 ( 2 ) 水下区域的监视 这类网络被称为自治部署的分布式网络d a d s ( t h ed e p l o y a b l e a u t o n o m o u sd i s t r i b u t e ds y s t e m ) 。它的特点是能够迅速地被布置，主要是用 来在近海水域进行水下监视，它一般是由一组固定的传感器平台组成的， 这些传感器是通过声调制解调器( m o d e m ) 来相互连接。这个网络通过端 口把这些远程的传感器平台连接到一个控制中心，这个控制中心通过卫星 连接把收到的数据从这个水声网络中继到远处的控制设备，水声数据在这 个网络中经过多跳的路径被传输。在分离的m o d e m 对之间数据的跳跃传输 是被配置成半双工的码分多址连接的，信息在成对平台之间的中继传输减 少了发射功率的消耗，也降低了信号在时间、空间和频域上的扩展。 1 2 5a dh o c 网络综述 水声通信网络属于a dh o c 网络。无线a dh o c 网络是由一组自主的无 线节点或终端相互合作而形成的，独立于固定的基础设施并且采用分布式 管理的网络，是一种自创造、自组织和自管理网络。 a dh o c 网络的前身是分组无线网( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) ，对它的研究 源于军事通信的需要。早在1 9 7 2 年，美国的国防国际研究计划局( d a r p a ) 就启动了分组无线网项目p r n e t ，研究在战场环境下利用分组无线网进行 数据通信。在此之后，d a r p a 于1 9 8 3 年启动了高残存性自适应网络 s u r a n ( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 项目，研究如何将p r n e t 的研究成果 加以扩展，以支持更大规模的网络。1 9 9 4 年，d a r p a 又启动了全球移动信 息系统g l o m o ( g l o b l em o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 项目，旨在对能够满足 军事应用需要的、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究i 8 1 1 9 1 。 a dh o e 网络是一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的l 临 时性自治系统。移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网 络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与i n t e r n e t 或蜂窝无线网络连接。 在后一种情况中，a dh o e 网络通常是以末端子网( 树桩网络) 形式接入现 哈尔滨工程丈学硕士学位论文 有网络。由于带宽和功率的限制，a dh o c 网络也不适于作为中间承载网络， 它只允许产生于或目的地是网络内部节点的信息进出。a dh o c 网络中，每 个移动终端兼备路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用 户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策 略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在a d h o c 网络中，节点问的路 由通常由多个网段( 跳) 组成，由于终端的无线传输范围有限，两个无法 直接通信的终端节点往往通过多个中间节点的转发来实现通信。所以，它 又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。a dh o c 网络同时具备移动通信和计算机网络的特点，可以看作是一种特殊的移动 计算机网络。图1 2 ( a ) 中给出了a dh o c 网络的一种典型的物理网络结构， 图1 2 ( b ) 是其逻辑结构，图中终端a 和i 无法直接通信，但a 和【可以通过 路径a b g i 进行通信”1 。 一磅x f = _ 气 弋i b 口。 一” 嗣t 口，叭黑台 便携虬 1 ， 目 c b ， d 疑。岁 a c b 星辑网咯结构 图1 2a dh o c 网络结构示意图 根据节点是否移动，可以将无线a dh o c 网络分为移动a dh o c 网络和 传感器网络。在移动a dh o e 网络中，各个无线节点都可以自由移动。在传 感器网络中，各个无线节点静态地随机分布于某一区域。传感器负责收集 区域内的声音、电磁或地震信号等多种信息，将它们发送到网关节点，网 关具有更大的处理能力，能够进一步处理信息，或在更大的发送范围内将 信息送往某个大型网络，使远程用户能够检索到该信息。水声通信网络的 终端节点是传感器节点，并且a dh o c 网络采用多跳式拓扑结构，可以降低 网络的能源消耗，提高数据传送的可靠性，这正是水声通信网络设计的主 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要目标。 a dh o e 网络是由移动主桃构成的自主系统，具有以下显著特征1 26 j ：( 1 ) 网络的自组性：a dh o c 网络可以在任何时刻任何地方构建，而不需要现有 的信息基础网络设施的支持，形成一个自由移动的通信网络；( 2 ) 动态变 化的网络拓扑结构：节点常常在网络中任意地移动，自由加入和退出网络， 无线传播条件也随时间和空间不断改变，使网络拓扑结构频繁变化：( 3 ) 带宽有限，容量可变的链路，多接入、多径衰减、噪声和信号干扰等因素 将显著降低无线通信的吞吐量；( 4 ) 节点功耗受限移动节点常常依靠电池 来提供能量，因此，能量有限；( 5 ) 多跳通信：无线节点的发射功率有限， 常常需要其它的中间节点柬中继信息。 无线a dh o c 网络具有广阔的应用前景。军事行动和地震、水灾或偏远 地区的救援行动都是a dh o c 网络的传统应用领域，它也可以作为无线接入 网，提供迅速的组网能力。在本地范围内，笔记本和掌上型电脑可以采用 a dh o c 的方式在会议中发布和共享信息。采用蓝牙技术的个人局域网作为 短距离的a dh o c 网络极具发展前途。传感器网络可以用于战地情报搜集、 环境污染监测、地震和海啸的早期预报、生产车间监控等许多领域。 1 3 论文的主要内容 本文主要研究水声通信网络中的分层结构、拓扑结构和数据链路层协 议，共分4 章进行介绍。 第2 章，研究水声通信网络的分层结构和网络的拓扑结构，通过分析 比较证明水声通信网络应选用仅在相邻的节点之间进行连接的平面拓扑结 构。 第3 章，介绍了数据链路层功能；分析了网络时延对水声通信网络性 能的影响，其中主要是：传输时延和传播时延；研究了三种差错控制和流 量控制协议，得出重要的结论：因水声通信网络的信道干扰较大，误码率 较高，适合选用停止等待a r q 协议。 第4 章，着重研究水声通信网络中m a c 协议的设计难点和解决方案， 主要是：隐蔽终端和暴露终端的问题；针对这些难点设计了m a c a 和 m a c a w 两种链路层协议。 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第5 章，对数据链路层协议进行仿真，分析仿真结果。 哈尔滨工程丈学硕士学位论文 i 宣l i r a i _ _ i ；i i i ；i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i j | i i i i i ；i i i i i i # i i i ；i i i i i i | 高 第2 章水声通信网络的分层结构和拓扑结构 水声通信网络同其它大多数网络一样，为了减少协议设计的复杂性， 都按层( 1 a y e r ) 或级( 1 e v e l ) 的方式来组织，每一层都建立在它的下层之 上。不同的网络，其层次的数量、各层的名字、内容和功能都不尽相同。 但在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而 把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。 关于协议分层，有两个思想占据了该领域的主导地位。第一个思想是 基于国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 早 期所作的工作，称为i s o 的o s i 开放系统互联参考模型( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o nm o d e l ) ，第二个就是t c p i p 参考模型。在此基础上，我们 定义了水声通信网络的分层结构。 2 1 水声通信网络的分层结构 与o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n 开放系统互联) 协议栈模型和 t c p i p 协议体系结构不同，水声通信网络( u a n ) 协议分为三层结构( 如 图2 1 所示) ，由下到上依次为物理层、数据链路层和网络层j 1 2 1 。 o s l1 p i p 应用层 应用层 表示层 会话层 运输层 u a n 运输层 网络层网络层 互联网层 数据链路层数据链路层 网络接入层 物理层物理层物理层 图2 1u a n 、o s i 与t c p i p 协议体系结构的比较 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在水声通信网络的协议栈中，各层的功能描述如下： ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 网络中最底层称为物理层，主要任务是透明地传送二进制的比特流， 所传数据的单位是比特，即在发送端将由0 和l 组成的逻辑信息转换成能 够在水下声信道上传输的信号，再在接收端将信号从噪声中检测出来，并 将其还原成原始的逻辑信号。物理层一方面接收来自第二层，即数据链路 层的数据帧，并顺序传输这些数据帧的结构和内容，一次一位串行传输； 另一方面将接收到的数据帧传递给数据链路层，进行重新组帧。物理层只 看到0 和1 的比特流，它没有确定传输或接收的每一位信息的具体含义的 机制。物理层的功能包括信道的区分和选择、水声信号的监测、调制和解 凋等。由于多径衰落、码间串扰及无线传输带来的节点间的相互干扰，使 水声通信网络传输链路上的每带宽容量很低。因此，物理层的设计目标是 以相对低的能量消耗，克服无线介质的传输损失，获得较大的链路容量。 为了达到这个目标，必须采用关键的技术包括设定调制解调方式、信道编 码、自适应功率控制、自适应干扰抵消和自适应速率控制等。 ( 2 ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 数据链路层的任务是在两个相邻节点间的链路上无差错地传送以帧 ( f r a m e ) 为单位的数据。每一帧都包括数据信息和必要的控制信息。在传 输数据时，若接收节点检测到所收到的数据中有差错，就要丢弃此数据， 同时通知发送方重发这一帧，直到这一帧正确无误地到达接收节点为止。 因此，有了功能完整的数据链路层协议，上一层就认为自己能够通过该链 路进行无差错的传输。数据链路层的功能包括链路管理、寻址、帧同步、 流量控制、差错控制、区分数据信息和控制信息等。在发送节点处，当收 到来自网络层的数据时，数据链路层负责将指令和数据封装成帧，帧是数 据链路层固有的结构，它含有足够的控制信息，保证数据可以通过网络成 功地发送到目的地。要保证数据帧的成功传送需要做到两点：( 1 ) 目的节 点必须在确认接收之前验证该帧内容的完整性和正确性；( 2 ) 源节点必须 收到接收方对每个帧已经被目的地节点成功接收的确认。在接收节点处， 数据链路层还负责把从物理层接收到的二进制数据重新组装成帧，但是， 假定一个帧的结构和内容都被传输，数据链路层实际上不重新组建帧，而 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i l li i , f i ir l； 是缓存到达的二进制位，直到它有一个完整的帧。水声通信网络数据链路 层协议设计的目标是每个传感器终端节点都可以公平、有效地分享带宽资 源，使网络获得尽可能高的吞吐量，同时使占有的时延尽可能的小，消耗 的能量尽可能的少。 在水声通信网络中，另一个重要功能是介质访问控制( m a c ) ，为了实 现在相匾竞争的用户之间公平地分配信道资源。由于每个节点的无线覆盖 范围是有限的，一个节点发出的信号，只有位于它传输范围之内的邻居节 点可以收到，腼此范围之外的其它节点将察觉不到，这就不可避免地会引 起隐蔽终端和暴露终端的问题。因此，在设计m a c 协议时，必须要克服隐 蔽终端( h i d d e nt e r m i n a lp r o b l e m ) 和暴露终端( e x p o s e dt e r m i n a lp r o b l e m ) 的问题，其方法包括随机竞争机制( c s m a 、m a c a 、m a c a w ) 、轮转机 制( 轮询或令牌环) 、动态调度机制以及以上机制的组合。 ( 3 ) 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 网络层的任务是要选择合适的路由信息，确定和分发源节点和目的节 点之间的路由搜索及维护信息。这一层本身没有传输错误检测和纠正机制， 所以必须依赖于数据链路层的端到端的可靠传输服务。网络层有自己的路 由寻址体系结构，与数据链路层机器寻址是分开的且是不同的，网络层的 主要功能包括邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互联等功能。邻居发 现主要用于收集网络拓扑信息。路由协议的作用是发现和维护去往目的节 点的路由。通常，执行的路由要通过多条传输链路和多个网络节点。网络 中的各节点必须协同工作，以有效地完成路由的选择。拥塞问题是由于分 组数据剧增而引起的。 水声通信网络中路由协议的设计目标是快速、准确、高效、可扩展性 好。快速指的是查找路由的时间要尽量短，减少引入的额外时延。准确指 路由协议要能够适应网络拓扑结构的变化，提供准确的路由信息。高效的 含义比较复杂，其一指的是要提供最佳路由；其二指的是维护路由的控制 信息应尽量少，以降低路由协议的开销；其三指路由协议能根据网络的拥 塞状况和业务的类型选择路由，避免拥塞并提供q o s 保证。可扩展性好是 指路由协议要能够适应网络规模的增长。 目前的路由协议按照路由表的维护特点大体可分为以下两种：表驱动 哈尔滨工程大学硕士学位论文 类路由协议( t a b l ed r i v e n ) 和按需( 源发起) 驱动类路由协议( o n d e m a n d s o u r c ei n i t i a t e d ) 。其中表驱动类路由协议的各节点始终保持一张包 含到所有可达的目的节点的完撼路由信息表。当某节点检测到网络拓扑变 化时，迅速在网内以广播方式发送路径更新消息：收到此消息的节点将更 新自己的路由表，阻保证各节点路由信息的一致、准确和更新及时。而采 用按需驱动类路由协议时，只有在需要向目的节点发送报文时，节点爿通 过“路由发现通信过程”在路径表中为目的节点生产相应的路由表项。路 出表项的更新也仅限于仍在使用的路由项。有研究表明：表驱动类的路由 协议带来了大量的路由开销，对于网络带宽比较紧张的水声通信网络环境， 按需路由协议是更好的选择l j3 1 。 2 2 网络的拓扑结构 为了分析网络单元彼此互联的形状与性能的关系，采用拓扑学中一种 与大小、形状、距离无关的点、线特性的方法，把网络单元定义为节点， 两节点间的连线称为链路。水声通信网络就是由一组节点和链路组成。丽 网络的拓扑结构是网络节点和链路的几何位置的抽象。它决定了网络中任 意一对通信节点之间可能利用的各种传输通道【1 4 i 。 2 2 1 网络拓扑结构设计的意义 网络拓扑设计问题是指在给定各交换节点和终端节点地址的情况下， 通过选择合适的通路( 即如何连接各节点和终端) ，并合理地分配线路的容 量和流量，以保证一定的可靠性、时延及吞吐量( 吞吐量为网络每秒钟所 能通过的总的分组数) ，同时使整个网络的成本降至最低。可见，在网络拓 扑设计中经常要遇到的一些因素是可靠性、时延、吞吐量和费用。 网络拓扑设计是建设通信网络的第一步，也是实现各种网络协议的基 础。网络拓扑设计的好坏对整个网络的性能和经济性都有重大的影响。如 数据链路层协议的设计、路由选择、信息流量控制以及其它的一些网络设 计问题都在相当程度上依赖于网络的拓扑设计。网络节点的位置、链路的 连接方式及链路容量直接决定了信息通过网络的传输时间。另外，网络节 点阳j 链路的数量、路径的不同等影响着网络的可靠性i 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 网络拓扑结构设计的分类 网络节点间的通信主要有三种拓扑结构，分别为集中式、分布式和多 跳式6 。 集中式是指每个节点都有一条点到点的链路与中心节点相连，这一中 心节点也称为网络的h u b 节点。信息的传输是通过中心节点的存储转发技 术实现的，并且只能通过中心节点与其它站点通信。集中式网络结构的主 要优点是结构简单，便于维护：易于实现结构化布局；易扩充，易升级。 其缺点是由中心节点的可靠性决定的整个网络的可靠性低；网络覆盖面小， 中心节点负担重，容易成为信息传输的瓶颈，且一旦故障，全网瘫痪。因 此这种结构不适合浅海水下通信网络。 分布式结构是指网络中的所有节点之间都是可以通信的，这种网络虽 然不需要路出，但是它所需要的输出功率是非常大的。众所周知，水下设 备是靠电池来提供能量的，电池的能量不但有限，而且更换很困难。所以 分布式结构对于水下通信也是不理想的。 多跳式拓扑结构是指只在临近节点间可以通信，信息从源节点到目的 节点的传输是靠信息在节点间的跳转来实现的。由于网络的工作范围是由 节点数目来决定的，所以网络覆盖面比较大。但随之而来需要面对的就是 路由算法的问题。基于水下无线通信网络在确保正常可靠工作的前提下将 能源消耗和信息传输延时降到最小是当前最主要的设计目标，多跳式拓扑 结构是最合适的水下无线通信网络结构】。 多跳式拓扑结构又可分为平面拓扑结构和分级拓扑结构两类。 2 2 3 平面拓扑结构 平面拓扑结构的示意图如图2 1 所示。网络中所有节点的地位平等，所 以又可称为对等式网络拓扑结构。所有节点都具有相同的发送信息、接收 信息和转发信息的能力，不设中心控制站，且在网络的运行过程中都发挥 相同的作用，任意两个节点之间的连接只受到网络联通性的影响i i “。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j - 。9 ，一9 0 节点 ? 娥j 岛，。 铋蹄 衍 ：。面 图2 1 平面网络拓扑结构示意图 平面网络的优点是源节点和目的节点之间可以存在多条路径，这样就 可以在多条路径上实现流量平衡，减少了网络拥塞j 也降低了流量“瓶颈” 产生的几率，所以比较健壮；网络中的数据流可以根据自身的特征选择最 适合的路径进行发送，例如：可以用低延迟低带宽的链路传送语音数据， 用高带宽但延迟较长的链路传送文字流量；节点发送数据时使用的能量较 低，有利于节省能源。 平面网络的最大缺点是网络的规模受限，每个节点都需要知道到达 其它所有节点的路由。维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制信息。 网络规模越大，路由维护的开销就越大。当网络的规模增加到某个程度时， 所有的带宽都有可能会被路由协议消耗掉。所以平面结构网络的可扩充性 较差。一般用于用户节点不太多的水声通信网络等小型网络。 2 2 4 分级拓扑结构 在分级拓扑结构的网络中，节点被划分成组，称为簇( c l u s t e r ) 。每个 簇由一个簇头( c l u s t e r h e a d e r ) 和多个节点( c l u s t e r m e m b e r ) 组成。簇头主 要负责簇间数据的转发。当两个不同簇中的节点需要交互数据时，需要源 节点和目的节点中的簇头进行转发。分级拓扑结构又可以分为单频分级拓 扑结构和多频分级拓扑结构。 单频分级拓扑结构的示意图如图2 2 所示。该结构中的节点分为三种： 簇头、网关和节点。簇头控制整个簇，与外簇通信的路由信息由簇头计算 和保存，分属不同簇的节点间的通信必须通过簇头来进行；网关同时属于 两个簇，为相邻簇的簇头间提供链路；节点只计算和保存本簇内相关节点 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的路由。 网关 簇头 节点 链路 簇 图2 2 单频分级拓扑结构示意图 多频分级拓扑结构的示意图如图2 3 所示。该结构中的节点分为簇头和 节点，不同层的网络采用不同的通信频率，低层网络的节点的通信范围较 小，高层网络的节点的覆盖范围较大。高层网络的节点同时处于不同的层