（水声工程专业论文）水声通信网络仿真软件的设计与运行管理模块的实现.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学何论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , t h eu 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 ( u a c n ) h a s b e c o m eah o t s p o ti nt h ef i e l do fu n d e r w a t e ra c o u s t i c s ，t h i st h e s i sa i m st ot h e s i m u l a t i o no ft h eu 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 nt o p r o v i d eas o f t w a r e p l a t f o r m ，w h i c hi sn o tl i m i t e dt ot h eg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n ta n dt h ea c t u a l u n d e r w a t e ra c o u s t i ch a r d w a r ee q m p m e n _ t s t h ea 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 r e s e a r c hw o r k sw i l lb e n e f i tm o r ef r o mt h es o f t w a r ep l a t f o r m t h e 也e s i si sb a s e do na i lu 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 s i m u l a t i o ns o f t w a r e ( u a c n s s ) d e v e l o p m e n tp r o j e c t a f t e rac o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s o fu 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 na n d c o m p u t e r s o f t w a r e d e v e l o p m e n tk n o w l e d g e ，t h eu a c n s si sd i v i d e di n t o s i xm o d u l e s ：r u na n d m a n a g e m e n tm o d u l e ( r m m ) ，u a c nc o n f i g u r a t i o nm o d u l e ，u n d e r w a t e rc h a n n e l m o d u l e ，m o d e mm o d u l e ，p r o t o c o li n t e r f a c em o d u l e ，a sw e l la su n d e r w a t e r a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp r o t o c o lm o d u l e r m mi su n d e ras e r v e r c l i e n t m o d e i nt h et h e s i s ，t h er e s e a r c hw o r k si n c l u d i n gp h y s i c a lt i m es i m u l a t i o n a l g o r i t h m ，c o m p u t e rn e t w o r km a n a g e m e n tf l o w , a n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o do f n o d ea n ds i m u l a t i o ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e t h et h e s i sf i n a l l yf i n i s h t h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dr m mb a s e do ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l so f v i s u a lc + + 6 0a n do p e n g lg r a p h i c sd e v e l o p m e n te n g i n e t h ed e s i g no fr m m h a sc l e a rl o g i c ，t h er e a l i z a t i o no ft h ea l g o r i t h m si sc o n c i s e ，t h eh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c ei sc l e a r , e a s yt oo p e r a t e t h r o u g hs o f t w a r et e s t i n g ，u a c n s si s a b l et o p e r f o r mm u l t i m a c h i n e u n d e r w a t e ra c o u s t i cn e t w o r ks i m u l a t i o nb a s e do n c o m p u t e r n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n t h er m mc a nc o r r e c t l yc o o r d i n a t ed a t at r a n s m i t i o nb e t w e e n n o d e so fu a c n ，a n di ta l s oc a np r o v i d eap e r f o r m a n c es t a t i s t i c a la n a l y s i so f u a c nb a s e do nt h el o gi n f o r m a t i o nr e c o r d e db yr m m k e yw o r d s ：u a c n ；r u na n dm a n a g e m e n t ；u s e rc o m p o n e n t ；n o d e 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，是在导师的指导下由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，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 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标 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) ：鞭 日期：矽秒年弓月节日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：郴 导师( 签字) ：栅 日期：如吲年弓月7 日咖哆年乡月厂罗日 j l j 哈尔滨j i ：程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 随着科学技术的高速发展，以及人类对覆盖地球面积7 0 的海洋的认识 与探索的逐步深化，海洋因其在经济上的巨大潜力和军事战略上的重要地位 越来越被人们所重视。 水声网络是无线网络和水声通信技术相结合的产物。水声网络的发展主 要有两类动因：一是海洋数据收集：二是水下预警。采用水声网络可以在 一个较长的时期内把在较大范围海区内分布的水下设备获取的各类信息通过 网络传输汇总而进行实时处理，这样可以大大地提高对海洋信息的获取和处 理能力。水声通信网的应用领域极其广泛：海洋数据取样网络、海洋环境监 控、海下勘探、自然灾害的预防、辅助航海、矿藏勘测、分布式战术监测b h 引。 然而，建立一个水声网络所需要的硬件设备是非常庞大的和复杂的，需 要的周期也比较长，耗费的资源较多等等，由于这些因素的限制影响到了水 声网络的发展，因此，在无水声硬件设备的情况下进行水声通信网络的软件 仿真是研究水声网络的一个重要手段。目前无线网络的仿真软件主要有 o p n e t 、o m n e t + + 、n s 2 、b o n e s ，其中o p n e t 几乎适用所有网络和网络 技术，n s 2 主要面向网络技术协议研刭q 1 叼。虽然可以使用这些软件做一些水 声通信网络的纯网络层仿真，但是总的来说这些网络仿真软件是针对陆地无 线网络的，这些软件缺乏对通信物理层以及水声信道的有效模拟，因此开发 整合复杂水声信道传播环境以及通信物理层的水声通信网络软件具有重要的 理论与现实意义。 1 2 水声通信网国内外发展概况 随着世界各国海洋开发步伐的加快，对水下传感器网络、水下监视系统、 水声预警网络的需求愈来愈迫切，目前水声通信网络的研究成了世界水声领 域内的研究热点。水声通信网研究面临的主要困难是：海洋声信道的长延时、 可用频带有限、严重的时变多途影响、功耗限制、网络安全性等。尽管水声 技术已经研究几十年了，但是水声通信网络只是一个新的领域。国内外对水 声通信网技术的研究还属于初步阶段，哈尔滨工程大学伽、东南大学口1 和中国 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 海洋大学以及西北工业大学副都做了一些相关的研究。目前，国内水声通 信网络的研究基本上是利用无线陆地网络仿真软件( 如o p n e t 、n s 2 等) ， 而整合通信物理层以及水声传播物理条件的水声通信网络仿真软件并没有。 国外近年来在水声通信网方面进行了大量的研究工作，在相关的方案验 证、仿真基础上已经开始了水声通信网的海上实验工作3 h 2 0 1 ，如： ( 1 ) 美国海军空间及海上作战系统中心根据关键海区大范围水下预警的 要求开发的可部署分布自主系统( d a d s ) ，是一种通用的分布式水下信息 网。网络由传感器、控制器及武器节点组成，可以执行水下检测、目标探测 及跟踪任务，其总的设计原则是“简单、有效、可靠、安全 。 ( 2 ) 美国海军水下无线网络研发中心研究的水声网络基于“s e a w e b ” 概念，网络节点分布在l o o k m 2 1 0 0 0 0k m 2 的范围内。s e a w e b 网络支持包括潜 水艇和自主水下航行器在内的移动节点，可对节点进行分簇。物理层调制方 式是m f s k ，目前的信息速率可以达至u 8 0 0 b i t s ，当信道条件发生变化时，最 多可降 氐至u 3 0 0 b i t s 。 ( 3 ) 美国伊利诺斯州大学的a l b e r tf h a r r i s 和p a d o v a 大学的m i c h e l ez o r z i 在n s 2 网络仿真器上实现了水声网络的信道和接口设计。介绍了基于n s 2 的水 声信道模型，该模型分为传播模型，信道模型，调制模型和物理层模型。 ( 4 ) 美国加利福尼亚大学的i aj u r d a k ，c r i s t i n av i d e i r al o p e s ，p i e r r e b a l d i ，介绍了小范围的水声传感器网络的软件声学调制解调器，其作用的距 离可以达到1 0 米。软件调制解调器的比特率范围1 2 b p s 9 6 b p s ，在1 0 米以内 使用12 b p s 和2 4 b p s 有很好的译码能力。 1 3v i s u a lc + + 6 o 简介 一 v i s u a lc + + 6 0 是m i c r o s o f t 公司开发的基于c c + + 语言的集成开发环境开 发工具，其集代码编辑、编译、连接、调试等功能与一体，并提供了多种有 用的辅助开发工具，它不但提高了应用程序的开发效率，还给编程人员提供 了个完整又方便的丌发环境。 v i s u a lc + + 6 o 拥有两种编程方式，一种是基于a p i 的c 编程方式，代码效 率高，但是开发难度也较大：另一种是基于m f c 的c + + 编程方式，代码运行 效率低，但是开发难度较小，开发工作量小，源代码运行效率高，如今，c 2 哈尔滨- t 程大学硕+ 学佗论文 编程方式的用户很少，c 抖的编程方式已经成为v i s u a lc + + 开发w i n d o w s 应用 程序的主流口“。 1 4 应用系统集成框架简介 应用系统集成框架是由中船系统工程部研发的面向我国未来海军计算机 网络应用系统需求的高性能平台。系统基于市场上成熟的c o r b a ( c o m m o n o b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ，公共对象请求代理体系结构瞄1 ) 平台，结 合中船系统工程部多年来在海军应用系统集成方面的丰富经验，为用户提供 高效可靠的开发大规模网络应用系统的手段。 应用总体集成框架为使用集成框架的程序员提供了简单、易用的接口， 使他们能够更高效地开发出高质量的应用构件。接口的实现以两种方式提供 给程序员：静态链接库方式和动态链接库方式，程序员可以根据自己的需要 进行选择口3 1 。应用系统集成框架为水声通信网络仿真软件提供了a p i 函数。 1 4 1 应用系统集成框架开发环境的搭建 在使用应用系统集成框架之前，应该将应用系统集成框架的a p i 接口的 库包含在所建的v c 工程里，同时，还需添加预编译处型2 4 1 ，添加的链接库为： g c s d m d 1 i b 、r e s o l v e r d m d 1 i b 、z c f t i d m d 1 i b 、i n f o i n t e g r a t e i _ d m d 1 i b 、 w s 2 3 2 1 i b 、s t a r 1 i bm t l 1 i b 。添加的预编译处理宏为_ m b c s ，j n f o b u s 一， j 1 一o 1 4 2 节点代理和信息管理器 节点代理和信息管理器是应用系统集成框架的两个部分，节点代理为应 用构件之间的通信提供了一个后台，在不同计算机上的应用构件通过节点代 理进行注册和初始化；而信息管理器是用来管理应用构件之间传递的信息， 应用构件将要发送的数据送给信息管理器，订阅该信息的构件到信息管理器 上去取数据，这样就完成数据的传递，如果应用构件位于不同的计算机，就 可以实现计算机网络上的数据传输。 1 4 3 信息字典 信息字典是包含了一组信息头的文件，应用构件只有订阅和发送信息字 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 典里定义的信息，才能完成数据的接收和发送，这样应用构件之间传递信息 就有一定的约束性。 1 5 论文研究的主要内容 论文在计算机网络通信基础上，通过构建不同的用户组件模拟不同的水 声通信网络节点，根据水声通信网络的网络运行机制以及通信协议来协调网 络节点之间的数据传输以达到模拟水声通信网络目的，论文设计并实现了水 声通信网络仿真软件运行管理模块以及其人机接口界面。 论文首先讨论了水声网络仿真软件的分块设计模型，并分析了各个模块 的功能，以及各个模块之间的关系。在确定各个模块功能之后，重点讨论了 运行管理模块的设计与实现，运行管理模块的是逻辑关系最为复杂的关系模 块之一，论文给出了运行管理模块的工作模式，根据运行管理模块的功能， 讨论了运行管理模块的设计框架，给出了运行管理模块的各个子模块的算法 以及实现方法。 论文然后讨论了水声通信网络仿真软件的人机交互界面的设计和实现。 用m f c 单文档应用程序和o p e n g l 工具实现了水声通信网络方针软件的主 控界面，最后讲述了移动节点类的实现基本原理及过程。 论文的最后介绍了水声通信网络的软件测试。简要的说明了水声网络仿 真软件进行水声通信网络模拟的基本运行步骤，并通过一个仿真工程对该仿 真软件进行测试，给出了仿真测试的结果。 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章水声通信网络仿真软件的系统设计 2 1 水声通信网络仿真软件的系统框架 水声通信网络仿真软件采用分块设计，便于移植和管理。水声通信网络 仿真软件分成以下几个模块：运行管理模块，水声通信网络设置模块，信道 模块，调制解调模块，协议接口模块，水声通信网络协议模块。如图2 1 为水 声通信网络仿真软件各个模块。 图2 1 水声通信网络仿真软件各个模块 运行管理模块是水声通信网络仿真软件的控制模块，用来协调各个模块 之间的数据交换，同时控制仿真的各种操作；信道模块用来模拟水下声信道， 计算本征声线；调制解调模块用来对传输的数据进行调制解调。协议接口模 块是运行管理模块和水声通信网络之间的接口模块；水声通信网络协议模块 是水声通信网络仿真软件的核心模块，它为节点间数据传递定制了一个标准。 以下各个小节分别介绍各个模块的设计。 2 2 运行管理模块 运行管理模块是水声通信网络仿真软件的数据交换中心，用来协调各个 模块之间的数据传输。运行管理模块和水声通信网络设置模块、信道模块、 调制解调模块、协议接口模块都有数据交换，和协议模块没有直接的数据交 换，这样就保证了计算机通信和水下协议的独立性，在一定程度上防止计算 机通信影响到水声通信网络的仿真。水声通信网络的运行管理模块的设计和 哈尔滨工程大学硕十学位论文 实现将在第三章重点讲述。 2 3 水声通信网络设置模块 水下通信网络设置模块 r 一_ i l 调制解调参数 - 4 - - 海洋环境参数 一一一 运行管 理模块 拓扑结构 一一一 仿真任务 一一一 - i 一i 图2 2 水声通信网设置模块关系图 水声通信网络的设置模块主要完成以下几个功能：设置海洋环境参数、 设置调制解调的参数、定制仿真任务、定制拓扑结构。 水声通信网络设置模块内部关系图和其他各个模块之间的关系图如图 2 2 所示。水声通信网络设置模块和运行管理模块、调制解调模块、信道模块 有着密切的关系。 2 3 1 调制解调参数的设置 调制解调参数的设置包括了：声源级设置、信噪比门限设置、工作带宽 设置、电量的设置。声源级是指整个水声通信网络节点的声源级；信噪比门 限用于判断是否接收其他水下节点传来的数据；工作带宽是节点的工作带宽， 可以利用它来计算传播损失与环境干扰伫5 1 ；电量表示节点最多能够发送的b i t 数。 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 调制解调模块和运行管理模块均需调用调制解调参数，而其中的工作带 宽还要被海洋环境参数调用。 2 3 2 海洋环境参数的设置 海洋环境参数的设置主要包括海底参数的设置和声速的设置。 海底参数设置包括海底类型、海底声速、海底密度、海底吸收系数的设 置，海底类型提供三个典型的海底类型：甚细沙、粗糙泥沙、粘土砂，它们有 相应的声速、密度和吸收系数。同时，声速、密度、吸收系数也可以自定义。 声速的设置包括海水深度设置、声速类型设置，起点深度设置、起点声 速设置、终点深度设置、终点声速设置。其中声速类型设置预设了一个m u n k 剖面、正梯度、负梯度、恒声速。同时还可以预览声速剖面。 2 3 3 拓扑结构编辑 拓扑结构的编辑是任何一个网络仿真软件不可缺少的一部分，也是非常 重要的一个部分，针对水声通信网络，拓扑结构的编辑包含了以下几个功能： 文件的操作、节点的布放、判断两个节点是否能够通信、计算两个节点的距 离、判断两个节点之间是否有声线到达、预览两个节点之间的声线和信道冲 激响应、设置移动节点的轨迹、预览移动节点的轨迹、二维和三维显示的切 换、三维显示的放大、缩小、旋转操作。 水下的拓扑结构是一个三维的拓扑，因此要利用到海洋环境参数中的海 深，同时为了计算两个节点之间的信道冲激响应和声线，需要调用信道模块， 另外，仿真时，由运行管理来调用拓扑结构。 2 3 4 任务的定制 水声通信网络的仿真是以任务来驱动的，任务定制包括以下几个功能： 文件操作、任务操作、任务合理性检查。 任务的格式如下： 序列号是任务的唯一标识符，通过它可以用来查找任务；发生时刻是指 该次任务发生的时刻，发送节点是该次任务发送端，接收节点是该次任务的 接收端，发送帧数是此次任务发送多少帧b i t 流数据。 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 任务的定制要在节点拓扑结构定制完成之后，从拓扑结构内读出节点信 息，包括节点类型和节点数量，仿真时，运行管理会定时触发仿真任务。 2 4 信道模块 从通信论的观点来看，海洋就是一个声信道。理想的信道能无畸变的传 递信息，但海洋并不是理想的，而是复杂多变的。海洋声信道不但对目标辐 射信号进行能量变换，而且进行信息变换。海洋声信道是随机时变的、空变 的，因而更为复杂，在传输的过程中信息不但受到变换而且造成损失州。 水声信道是复杂多变的信道，具有衰减严重多径效应和频散效应的特性。 声信号在传播时的衰减，主要包括扩散损耗、吸收损耗和边界损耗，它们都 与传播距离和信号的频率有关。随着信号频率和传播距离的增加，传播损失 也随之增大。另外，海洋环境噪声也会影响接收端的接收信噪比，降低接收 机性能。多径传播是水声信道的一个重要特性。造成多径传播的主要原因是 声线弯曲( 折射，海底、海面以及水中物体等反射和海水中内部结构( 如内 波、紊波、潮汐等) ) 的影响。频率扩散主要包括两个方面：一是水声信道的 不稳定性引起的信号频率扩展；二是由于通信系统收发两端存在相对运动， 产生了多普勒频移忙n 。 信道模块主要完成两个功能，一个是计算本征声线，一个是计算信道冲 激响应。信道模块和运行管理模块、调制解调模块、水声网络设置模块都有 数据交换。信道模块和水声网络设置模块之间的关系见图2 2 。 一个简单的数字通信系统模型如图2 3 ，水声通信网络的调制解调模块同 样包含调制器和解调器，信道模块为调制解调模块提供了一个信道冲激响应， 调制后的数据要和信道进行卷积以便求得经过信道后的输出，而解调器则对 经过信道的数据进行解调。而各个模块之间和节点之间的信道冲激响应数据 的传输需要由运行管理来调度。另外在进行拓扑结构定制的时候，需通过调 用信道模块来计算两个节点之间是否有声线到达，同时，可以预览声线，这 样讲行拓朴结构帝制就有了一常的指导原则。 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 加编调解译解受 密 -码p制 信 卜 调 i 码 密 信 道 器器器嚣器器 者 f i 噪声源 l 图2 3 通信系统模型 2 5 调制解调模块 对于水声通信网络来说，节点和节点之间的直接通信质量直接影响着整 个网络的性能，而调制解调方式也直接影响着通信质量，因此作为一个水声 通信网络仿真软件，调制解调的模块是一个不可或缺的部分。 2 5 1 调制解调模块的主要功能 一般的网络仿真软件，没有经过物理层，缺少调制解调模块。水声通信 是一个复杂的过程，不同的调制解调方式会对网络性能产生不同的影响。调 制解调模块的主要完成以下功能：对m a c ( 媒体接入控制) 层传来的比特流 数据进行调制：进行信道编码、译码；和信道做卷积产生经过信道后的波形； 对经过信道后的波形进行解调；计算误码率和通信速率。 2 5 2 调制解调模块的接口关系 图2 4 为调制解调模块和各个模块之间的接口关系框图。调制解调模块 分成了调制模块和解调模块。当节点发送数据时，运行管理模块将发送端的 m a c 层比特流数据赋给调制模块，调制模块对该比特流数据进行信道编码， 编码后的数据为比特型，编码后再根据水声通信网络设置模块设置的调制参 数进行调制，调制后的数据为浮点型数据，经过信道模块数据为浮点型，然 后加上噪声，根据水声通信网设置模块设置的解调参数进行解调，解调后的 数据为b i t 型，然后进行信道译码，运行管理将译码后的比特型数据送到接收 端协议接口模块，这样，就完成了一次数据传输。需要注意的就是调制和解 调的参数( 调制方式和工作频带等) 应该是一样的。 9 哈尔滨i ：程火学硕士学位论文 图2 4 调制解调模块和各个模块之间的接口关系框图 2 5 3 调制解调方式 由于水声信道的恶劣性，对于远距离的水声传输，传播损失较大，因此 必须寻求一种能够在低信噪比下进行可靠传输的调制解调方式。m f s k ( 多 载波频率调制) 体制就以稳健可靠传输著称，把m f s k 通信方式与正交频分 复用相结合，采用多载波传输，其频谱利用率和通信速率都有了一定的提高， 从而，更加适合在水声信道上传输。 针对水声通信网络仿真软件，调制解调模块采用两种调制解调方式：1 4 m f s k 和f h m f s k ( 跳频) 。由于1 4m f s k 调制通过计算机运算时间较短， 因此用在仿真软件初始化建立路由阶段，同时，由于其有较高的通信速率， 用于端到端演示。而f h m f s k 通信速率较低，但是稳定性较好，相对于1 4 m f s k 来说，在较低的信噪比下能更好的解调出原始数据，误码率较低，但 是计算机计算时间较长，除了建立路由和端到端演示的数据，其他的数据全 部采用f h m f s k 调制方式。 另外，对于水声通信网络来说，在一定的条件下，采用f h m f s k 调制 解调方式能够有效地抵抗其他节点波形干扰，从而，可以在物理层上实现多 用户通信。 2 5 4 信道编译码 信道编码是指为提高通信系统的性能而设计的信号变换，以使传输信号 l o 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 更好的抵抗各种信道损伤的影响，例如噪声、干扰以及衰落等。信道编码可 以分成两个领域，即波形编码和结构化序列。波形编码，即将波形转化为更 好的波形，而结构化序列，即将序列转化为更好的序列口”，调制解调模块采 用了两种编码技术：r s 码( r e e d s o l o m o n ) 和卷积码，这两种编码都是结构 化序列，添加冗余信息来检测错误和纠正错误。 r s 码是迄今为止所发现的一类很好的线性纠错码类，它的纠错能力强， 特别在短的和中等码长下，其性能很接近于理论值，并且构造方便，编码简 单，编译码设备也不太复杂。正是由于该码的超强纠错能力及各种成熟、可 用、有效的译码算法，因此得到了极为广泛的应用。 卷积码在现代数字通信系统中起着重要作用，尤其在语音业务中的信道 编码方案往往都是卷积码，由于卷积码的编码过程中充分利用了个码组之间 的相关性，其性能不比线性分组码差，而且实现最佳和准最佳也比较容易。 卷积码具有良好的实时性和灵活性p 川。 2 6 协议接口模块 设计一个协议接口模块的目的是使水声通信网络协议模块和其他模块相 互独立，有助于协议模块的移植和扩展，同时也可以防止计算机网络和水声 通信网络编程的相互干扰。 协议接1 3 模块主要完成以下几个功能：向运行管理告知水下节点动作以 及节点的信息；负责传递调制解调数据到m a c 层；管理应用层、网络层， 逻辑链路层( l l c ) ，m a c 层数据；通过计算机网络执行水下仿真数据的发 送。 图2 5 为协议接口模块和其他模块之间的关系框图。协议接口模块和运 行管理模块、水声通信网络协议模块、调制解调模块都有数据交换。运行管 理模块控制仿真的运行以及任务的触发都要调用协议接口模块，向模块发送 控制信息：仿真开始、停止、任务的分配等等，同时协议接口模块要向运行 管理报告节点的动作、发送数据类型、数据量、任务完成度、数据的接收节 点等一系列信息。水声通信网络协议模块和协议接口模块相互传递应用层、 网络层、逻辑链路层、m a c 层数据。协议接口模块还要接收调制解调模块其 他节点经过解调之后的数据，送到m a c 层，同时协议接口模块也向调制解 哈尔滨工程大学硕十学位论文 调模块提供m a c 层数据，进行调制。 水下遣信网 络协议模块 各个层的数据il 各个层的数据 、1 嚣薯詈r 、眦层数据厂、1 接收调制后数据i 任务信息lli a e 层数据li 掀忧卿唰侑就晒 运行铲模卜磊蕊1留溪瞄磊i l 调制秽模医函磊磊磊 块i 控制信息i口模块i 解调数据l块 i 发i 羞调制后数据 图2 5 协议接口模块和其他模块之间的关系框图 2 7 协议模块 没有协议的支持就谈不上设计网络，协议是一个网络的核心。同样，对 于一个网络仿真软件来说，协议模块是非常重要的一部分。它可以告诉一个 节点触发一个动作之后下一步该做什么，怎么做。 自从计算机网络的分层设计的思想出现并很好的实现之后，人们设计其 他网络，首先想到的就是分层设计，如无线传感器网络。同样，设计一个水 声通信网络协议，首先想到的也是分层设计。另外，单纯的从空间位置上来 看，水声通信网络与无线通信网络有着相似之处，因此，可以借鉴以下无线 网络的协议，毕竟无线网络有成熟的协议。对于一个水声通信网络仿真软件 的一个设计原则就是简单、合理、可靠。 2 7 1 协议模块的分层模型 如图2 6 为协议模块分层模型和其他模块之间的关系图。水声通信网络 仿真软件将网络分为五层：应用层、网络层、逻辑链路层、m a c 层( 媒体接 入控制层) 和物理层。其中m a c 层和逻辑链路层在一起组成了链路层，这 个与传统的计算机o s i 参考模型相一致。由于物理层实现较为复杂，且和信 道联系密切，同时调制解调方式已经固定，因此叫物理层单独作为一个模块。 其中，协议接口模块处于协议模块和调制解调模块之间。 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 数 据 下 行 链 路 ( 协议接口模块 ) ii ，一 、 7 7 ” 。 协议模块 、 1r 一口，一j l 。| 呓用后仃u 、 应用层 应用层 下行应用it 上行网络 层驱动数据il 层驱动数据 ，i 嗽卜翼竺2 网络层 ! 堑璺塑f 下行链路 层驱i r 数坶f ” ；施 链路层行为 逻辑链路层逻辑链路层 下行链路lf 上行眦 层驱动数据i巨驱动数据 螺卜竺要k 一 从c 层 下行m c 上行物理 j j 层驱动数据 层驱动数据 、 ( 协议接口模块 ) 厂 、 f 物理层行为 l 物理层物理层 调制解调侯块 - 。 调制器输出 一厂幢者地曲、 解调器输入 一l 循1 臣俣珧 数 据 上 行 链 路 图2 6 协议模块分层模型和其他模块的接口关系 如图2 7 为o s i 参考模型、水声网络参考模型、a dh o c ( 移动自组织网 络) 网络参考模型的对比。从功能上来看，o s i 参考模型的链路层相当与水 声网络的m a c 层和逻辑链路层。而水声通信网络参考模型比o s i 参考模型 少了表示层、会话层、传输层，水声网络仿真软件的水声网络参考模型比a d h o c 网络模型少了一个传输层。水声网络的每个层的协议相互独立，下层为 上层提供服务，上层驱动下层，上层来的数据添加下层的数据头，逐次向下 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 传递。 0 s i 参考模型水声网络参考模型 a dh o c 网络参考模型 图2 7 水声网络参考模型 2 7 2 协议模块的数据传递 要想对网络的分层设计，首先就要明确数据的各个层次之间的传递关系。 由图2 6 可知，数据发送过程就是数据的下行过程，数据的接收过程就是数 据的上行过程。从数据的封装过程来说，下行的数据是个打包的过程，上行 的数据是一个拆包的过程。 节直l节直2 图2 8 节点1 向节点2 发送数据的数据传递图 图2 8 为节点1 向节点2 发送数据的数据传递图，节点1 向节点2 发送 数据，在节点1 内部，构造数据就是一个添加头部的过程，在节点2 内部数 据的传输就是去除头的过程。在同一个协议中。在节点1 和节点2 的对应层 之间的数据格式是相同的，每个层根据层内数据的内容执行相应的动作。 1 4 哈尔滨工程人学硕十学位论文 2 7 3 媒体接入控制层 媒体接入控制层( m a c 层) ，又叫信道接入协议，主要完成以下功能： 实现和维护m a c 层协议、提供与高层的接口、信道的接入控制。 水下声学网络不同于无线网络，主要面临的困难是水声信道的带宽较低， 且有较长的时延引。信道接入处于水声网络协议栈的最底部，它控制着节点 在合适的时机接入水声信道，是帧数据在信道上发送和接收的直接控制者。 信道接入协议将数据分成两种，一种是控制报文，一种是数据报文。一 般来讲控制报文的长度要远小于数据报文的长度。信道接入协议的主要目标 就是通过使用控制报文尽量减少甚至消除数据报文的冲突：水声通信网络仿 真软件的m a c 层的报文为：r t s 、c t s 、d a t a 、a c k 。其中d a t a 为数据 包，其他四个为控制包。一个简单的点到点的通信过程如图2 9 所示。发送 端发送数据之前，首先发送一个r t s 控制包，接收端接收到r t s 之后，发送 一个c t s 控制包，发送节点收到c t s 控制包，开始发送数据，数据可能需 要分多次传送，接收端接收数据完成之后，发送a c k 控制包确认数据接收 完成。对于m a c 的协议的设计，首先设计的就是各个控制包的格式，然后 要设计发送的逻辑关系。 接收 发送 图2 9 点到点的数据传输过程 2 7 4 逻辑链路控制层( l l c ) 在水声通信网络仿真软件逻辑链路控制层完成以下两个功能：将应用层 的数据创建成帧或者合成数据包：进行差错控制。 由于调制解调和信道的限制，在信道上传输的数据越大，叠加的干扰越 1 5 哈尔滨? l ：程火学硕十学位论文 多，不利于解调数据。为了适应信道的传输，要将较长的数据分成较短的帧 进行传输，同时为了保证数据的正确传输，每帧的数据都要进行校验。水声 通信网络仿真软件的校验方式采用循环校验码( c r c 码) 。 2 7 5 网络层 在水声通信网络中，随着节点的移动，或者是有节点死掉，网络拓扑结 构是不断变化的，如何迅速准确的选择到达目的节点的路由，是水声通信网 络的一个核心的问题。网络层在水声通信网络仿真软件中，主要完成以下几 个功能：提供与高层的接口、驱动l l c 层、维护路由、寻找路由。 水声通信网络不同与无线网络，在无线网络中，配备有无线局域网网卡 的移动节点通过无线接入点接到固定网络，因此，从网络层角度上看，无线 网络是一个单跳网络，而水声通信网络是一个多跳网络。因此可以说水声通 信网络属于a dh o c 网络。在a dh o c 网络中有以下几种典型的路由协议p ： 1 ) d s d v ( d e s t i n a t i o n s e q u e n c ed i s t a n c e v e c t o rr o u t i n g ) 路由协议 d s d v 是从传统的有线网络路由协议改进而成，它是一个表驱动路由。 每个节点都维护一个路由表，路由表项包括节点、跳数、下一跳、目的节点 序列号。它最大的优点是解决了传统距离矢量路由的协议中的无穷环路问题。 2 ) d s r ( d y n a m i c s o u r c er o u t i n g ) 路由协议 d s r 协议是一种基于源路由方式的按需路由协议。发送数据中携带了路 由信息，该路由信息包含网络中若干节点的地址组成，源节点数据通过这些 节点的转发而到达目的节点，该协议的核心问题就是解决源节点寻找到达目 的节点的路由问题。 3 ) a o d v ( a d h o eo n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o ra l g o r i t h m ) 协议 在d s r 中，每个数据包都包含了路由信息，增加了报文长度，降低了传 输效率。在a o d v 协议中，每个节点都维护路由表，因而数据报文都不再需 要携带完整的路由信息。 水声通信网络仿真软件路由协议采用表驱动，每个节点维护一个路由表， 发送数据包含目的地址，每个节点根据自己的路由表，查找到达目的节点的 下一跳，进行转发，直至到达目的节点。路由表的条目如下： 编号目的节点下一跳。跳数目的节点亭歹l j 号。生存时岭 1 6 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 编号代表路由条目的序号：目的节点代表数据的接收端；下一跳代表通 往目的节点的最近的一个节点；目的节点序列号代表该路由条目的新旧程度， 该数越大代表该条目越新：生存时间代表该路由的更新程度，网络层会删除 过期的路由。 2 7 6 应用层 应用层是为网络用户提供应用服务的，在水声通信网络仿真软件的协议 模型中位于最顶层，它是网络和用户的接口，用户通过它来驱动网络层。用 户可以自行定制服务，如作战指挥，传递命令，收集海洋环境参数，进行探 测定位，甚至是传送文件等。 由于本水声通信网络仿真软件是b i t 级仿真，因此从应用层下行的数据都 要转化为b i t 流，这样应用层的主要功能是将应用数据转化为b i t 流。作为一 个简单的应用层设计，就是将字符串转化为b i t 流，同样，也需要将b i t 流转 化为字符串。本水声通信网络仿真软件应用层的主要任务就是将字符串转化 为b i t 型数据，最后软件执行仿真时的原始数据也是字符串。 2 8 本章小结 本章主要介绍了水声通信网络仿真软件的整体设计。水声通信网络仿真 软件主要分成六个模块：运行管理模块、水声通信网设置模块、信道模块、 调制解调模块、协议接口模块、协议模块。运行管理模块用于建立计算机网 络通信，同时控制仿真数据的正确传递；水声通信网络设置模块主要用于仿 真的初始化设置；信道模块用来仿真水下声信道，提供信道冲激响应，并判 断发送节点是否有到达接收节点的声线；调制解调模块是水声网络的物理层， 对传输的数据进行调制解调；协议接口模块用来连接协议模块和其他各个模 块，以使协议模块独立出来：协议模块为水下节点的数据传递提供一个标准， 来维护水下数据的f 确、快速的传递。 1 7 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第3 章基于计算机网络的运行管理的设计和实现 水声通信网络仿真软件的运行管理模块是整个仿真软件的数据交换中 心，而数据交换是通过不同计算机上的用户组件相互传输数据完成的。由于 每个计算机启动一个用户组件，因此用户组件之间的通信就是计算机网络通 信。每个用户组件模拟一个水下节点，因此，需要通过用户组件之间的通信 即计算机网络之间的通信来控制水下节点的数据发送接收与处理，同时，仿 真软件的仿真的开始、停止等一些控制操作也是通过计算机网络进行的。 3 1 几个基本的定义 水声通信网络仿真软件中涉及到了几个基本的定义，在这里把常用的几 个说明一下，其他的在相应的章节将会提到。 1 水下节点：在水声通信网络仿真软件中，水下通信的一个基本的单元， 具有发送和接收功能。包括移动节点、固定节点和网关节点。 2 用户组件：基于应用系统集成框架的水声通信网络仿真软件的实例。 个用户组件只能模拟一个水下节点，在不特别说明的情况下，一台计算机 只启动一个用户组件。 3 信息：通过应用系统集成框架应用组件之间交互的周期性数据或大量 的非周期性数据，在水声通信网络仿真软件中，信息包括了两大类数据：计 算机网络通信的控制数据( 仿真的停止、开始信号) 和水下节点之间传输的 数据( r t s 、c t s 等等) 。 4 信息头：在信息字典里定义的用来区分信息的识别符号。 5 信息的订阅：用户组件从信息管理器取出数据的过程。用户组件想接 收信息头对应的信息时，需要订阅该信息头，应用系统集成框架给出的a p i 接口为c o r b a ：l o n gs u b s c r i b e l n f o ( i n tf r e q u e n c e ，c h a r 幸s u b s c r i p t i o n ，i n t d o m a i n ，i n tu s i n g c h a n n e l ) 。 6 信息管理器：应用系统集成框架用来管理应用构件之间传输的信息的 应用程序。 7 信息的发布：用户组件向信息管理器发送数据的过程。应用组件想要 发送信息，需要发布信息字典里说明的信息头。应用系统集成框架为发布信 1 8 哈尔滨t 程火学硕七学位论文 息提供的a p i 接口函数为i mp u s h i n f o ( i n f o s t r u c t u r e * i n f o ，r a w l n f o * r a w ) 。 8 节点代理：管理应用组件信息传递的一个后台应用程序。 3 2 应用系统集成框架的配置 用户组件之间传递信息的前提是正确的配置应用系统集成框架，在水声 通信网络仿真软件中，需要配置两个应用系统集成框架的文件，一个是公共 配置文件，一个是服务配置文件。 3 2 1 公共配置文件的配置 节点代理的初始化要读取公共配置文件，公共配置文件配置的错误将导 致节点代理启动失败，则该计算机不能进行网络通信。配置文件默认 为s e r e s y s i n t r c o m m o n 路径下的n c p c o n f i g c o n f 文件。针对于水声通信网 络仿真软件，该配置文件需要配置以下几个部分：节点代理服务配置段、信 息管理服务配置段、消息管理服务配置段、i n f o b u s 平台下服务i d 、i n f o b u s 平台下服务使用的端口。下面对两个比较重要的配置段进行说明。 节点代理配置段：每台计算机的节点代理段的配置方法都是一样的，而 且