水声通信组网技术水下信息网络概论剖析

1、1 2021-5-32 课程安排 介绍水声信道条件下无线通信组网的原理与基 本技术，共分六讲。 第一讲 水下信息网络概论 第二讲 水声信道传输特性 第三讲 水声通信网络物理层技术 第四讲 水声网络的多址接入 第五讲 水声网络路由 第六讲 水声通信网络仿真技术 2021-5-33 第一讲 水下信息网络概论 1.无线通信网络概述 2.水下信息的传输 3.水声通信网络的特点及应用前景 4.网络分层协议体系及跨层设计 5.水下信息网络的研究与发展 2021-5-34 1.无线通信网络概述 举例 举例 2021-5-35 有基础设施网是对有线通信网的一种扩展，有线网 被用作骨干网，连接到特殊的有线/无线

2、转接点BS(Base Stataion),或接入点AP(Access Point)，统称为BS。 BS与有线骨干网相连并覆盖一个区域，负责协调覆 盖区内的移动节点通过一个或多个传输信道接入网络。 传输信道包括：FDMA（某个频隙）、TDMA （某个时 隙） 、CDMA （某个码道） 1.无线通信网络概述 2021-5-36 图图 通信网构成示意图通信网构成示意图 地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备 数 字 多 路 设 备 长 途 交 换 设 备 市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备 基 站 基 站 地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备 数 字 多

3、 路 设 备 长 途 交 换 设 备 市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备 基 站 基 站 通信卫星 光再生中继设备 (光放大器) 长途网 移动网 本地网本地网 用户 1.无线通信网络概述 2021-5-37 1.无线通信网络概述 2021-5-38 1.无线通信网络概述 2021-5-39 1.无线通信网络概述 2021-5-310 1.无线通信网络概述 2021-5-311 无基础设施网也称为自组织网（自组网），由多个 移动节点组成的多跳无线网络。 与有基础设施网的区别： 不需要预设的基础设施（BS、AP）； 网络的组织是临时的、按需的、自动的； 必须采用分布式的控制方式。 1.

4、无线通信网络概述 2021-5-312 1.无线通信网络概述 2021-5-313 移动终端和固定基 站互相通信 移动终端不具备路 由功能 基站负责路由和交 换功能，基站充当 接入有线网络的网 关 1.无线通信网络概述 2021-5-314 WLAN 移动节点配备无线网网卡 移动节点通过接入点与固定网络连接 WLAN工作在链路层，对网络层透明 对网络层来说WLAN是一个单跳网络 1.无线通信网络概述 2021-5-315 移动Ad hoc网络/多跳无线网络 由一组带有无线通信收发装置的移动终端 节点组成 网络中每个终端可以自由移动、地位相等 是一个多跳、临时、无中心网络 不需要现有信息基础网络

5、设施的支持 可以在任何时候、任何地点快速构建 ad hoc:for the specific purpose only 1.无线通信网络概述 2021-5-316 1.无线通信网络概述 自组网络 A E D CB F 源结点 目的结点 转发结点 转发结点 转发结点 2021-5-317 具备移动通信网络和计算机网络的特点 无中心网络的自组性 网络拓扑动态变化 自动最佳路由选择的多跳组网方式 可扩展性好 有限的无线传输带宽 移动终端的自主性 安全性差 存在单向的无线信道 生存时间短 1.无线通信网络概述 2021-5-318 1.无线通信网络概述 无中心网络的自组性 Wi-Fi Wi-Fi Wi

6、-Fi Wi-Fi Wi-FiWi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi 2021-5-319 1.无线通信网络概述 网络拓扑动态变化 Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-FiWi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi 2021-5-320 1.无线通信网络概述 自动最佳路由选择 最佳路由最佳路由 备选替换路由备选替换路由 有线回传有线回传 Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi 2021-5-

7、321 1.无线通信网络概述 最佳路由最佳路由 备选替换路由备选替换路由 有线回传有线回传 Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi 支持移动IP功能 2021-5-322 1.无线通信网络概述 Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-FiWi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-FiWi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi 2021-5-323 1.无线

8、通信网络概述 网络类型网络类型 比较的内容比较的内容 现有无线网络现有无线网络Ad Hoc网络网络 无线网络结构无线网络结构有中心，单跳有中心，单跳无中心，多跳无中心，多跳 拓扑结构拓扑结构固定固定动态建立，灵活变化动态建立，灵活变化 有无基础设施支持有无基础设施支持有有无无 安全性和服务质量安全性和服务质量较好较好较差较差 配置速度配置速度慢慢快快 生存时间生存时间长长短短 路由选择和维护路由选择和维护容易容易困难困难 网络健壮性网络健壮性低低高高 2021-5-324 1.无线通信网络概述 网络类型网络类型 比较的内容比较的内容 现有无线网络现有无线网络Ad Hoc网络网络 研究重点研究重

9、点物理层和链路层物理层和链路层协议的所有层协议的所有层 中继设备中继设备基站和有线骨干网基站和有线骨干网无线节点和无线骨干无线节点和无线骨干 网网 中继节点的特点中继节点的特点基站有多部收发信机，基站有多部收发信机， 全双工方式通信，有全双工方式通信，有 专用硬件，易于实现专用硬件，易于实现 全网同步全网同步 无线节点通常只有一无线节点通常只有一 部收发信机，半双工部收发信机，半双工 方式工作，不易实现方式工作，不易实现 全网同步全网同步 无线节点的控制管理无线节点的控制管理有基站集中负责，无有基站集中负责，无 线节点必须先与基站线节点必须先与基站 通信，再通过基站与通信，再通过基站与 目的节

10、点通信目的节点通信 由无线节点本身负责，由无线节点本身负责， 通常采用分布式方式通常采用分布式方式 2021-5-325 水面舰艇与潜艇通信 2.水下信息的传输 2021-5-326 潜艇之间通信 2.水下信息的传输 2021-5-327 水面舰艇及潜艇与UUV通信 2.水下信息的传输 2021-5-328 UUV与UUV的通信 2.水下信息的传输 2021-5-329 蛙人之间的通信 2.水下信息的传输 2021-5-330 水雷网络 2.水下信息的传输 2021-5-331 UUV网络 2.水下信息的传输 2021-5-332 结论： 水声通信网络多采用Ad hoc Network 水下无

11、预先布设的基础网络设施 紧急情况 科学考察/探险/军事战场 可通过卫星进行连接 3.水声通信网络的特点及应用前景 2021-5-333 水声通信网络由军事应用提出，其研究成果可 用于军事和民事。 作战单元包括：士兵、战车、舰艇、潜艇、水下航行器、作战分队等 军事应用：海、陆、空三军调配； 侦查系统与指挥部之间的通信； 指挥部与作战前沿的联系； 作战单元之间的联络和配合。 民事应用：潜水、和分布式水下工作等常用； 抗洪和水下打捞营救等灾难； 海洋执法、水下搜索等恢复、执法行动 3.水声通信网络的特点及应用前景 2021-5-334 3.水声通信网络的特点及应用前景 2021-5-335 3.水声

12、通信网络的特点及应用前景 2021-5-336 4.网络分层协议体系及跨层设计 水声网络协议栈演化图 以开放系统互联模型OSI（Open System Interconnection model）和TCP/IP模 型的协议结构为基础，结合海洋环境的特点，水声网络被分为4层结构 2021-5-337 4.网络分层协议体系及跨层设计 本次讲解主要从水声信道的特点、物理层、MAC数据 链路层、路由层、几个方面进行讲解 2021-5-338 4.国内外研究现状 20世纪70年代： 美国国防部DARPA，移动分组无线网络(Mobile Packet Radio Network) ； 20世纪80年代：

13、美国国防部DARPA，抗毁可适应网络SURAN （Survivable Adaptive Network）； 20世纪90年代： 美国国防部DARPA，全球运动信息系统GloMo(Global Information System) ； 90年代中期至今： 随着一些技术的公开，Ad-hoc 网络开始成为移动通信领域 一个公开的研究热点 。 2021-5-339 4.国内外研究现状 由U.C.Berkeley研究的Smart Dust传感器网络已于2000年完 成，Smart Dust由带有传感器和通信单元的微控制器组成，通 信单元由无线电发射机、激光模块或角偶棱镜反射体来担当， 传感器单元则分

14、别可搭载温度、亮度、湿度、压力、3D磁力计、 3D倾斜/震动传感器中的一种或多种。 由麻省理工学院研究的AMPS项目，计划对传感器网络开展 研究，以获得令人满意的网络寿命，并在复杂情况下网络可以 在无人干预的情况下实现传感器网的自组织、重配置和自适应。 Ad hoc network 研究现状 2021-5-340 4.国内外研究现状 美国海军研究实验室（NRL）于20世纪70年代末研制完成了 短波自组织网络HF-ITF系统，该系统是采用调频方式组网的低 速自组网。HF-ITF是根据海军潜艇舰队的要求设置的，工作在 短波频段，采用ALOHA信道接入方式，用于把500km范围内的 舰只、飞机、潜艇

15、联成一体。 Ad hoc network 研究现状 2021-5-341 4.国内外研究现状 尚未见有关水声通信的自组织网络，但有关水声网络的研究 计划及试验网络已有报道。 美国海军试验性远程声纳和海洋网络计划组建的Seaweb2000 的水声网络，利用了17个节点，工作水域为Massachusetts的 Buzzards Bay湾；Seaweb2001布设了40个节点，工作水域为 圣地亚哥海湾。 有人估计通过2001年Seaweb试验后，水声网络有可能将信息 传送至潜艇的屏幕上，目前正在研究将该网络技术用于海军的 水下武器，以提高水下武器的作战效能。 水声Ad hoc network 研究现

16、状 2021-5-342 5.国内外主要研究者 目前，在国际上无线Ad-hoc网络方面研究较为活跃 的几个研究机构有： 美国国家标准与技术研究所NIST下属的“Wireless Communications Technologies Group”(WCTG) ； 微软亚洲研究院无线网络组； 加州大学洛杉矶分校Mario Gerla教授所领导的“无线自适 应移动性试验室”（The WAN（Wireless Adaptive Mobility） Lab）； 伊利诺基大学Urbana-Champaign分校Nitin Vaidaya教授所 领导的Ad-hoc网络研究小组； 康奈尔大学Zygmunt

17、J.Hass 教授所领导的“无线网络试验 室”（Wireless Networks Laboratory）； 2021-5-343 马里兰大学Satish K.Hass教授所领导的“移动计算与多媒 体实验室”（The Mobile Computing and Multimedia Laboratory(MCML)； 加州大学圣克鲁兹分校J.J.Garcia-Luna-Aceves教授所领导 的“计算机通信研究小组”（The Computer Communications Research Group）； 加州大学圣巴巴拉分校Elizabeth M.Belding-Royer教授所领 导的“移动

18、性管理和联网实验室”（The Mobility Management and Networking(MOMENT)Lab）； 其他比较活跃的机构还包括美国陆军、海军和一些企业的 研究机构。 5.国内外主要研究者 2021-5-344 国内的主要研究机构有： 西安电子科技大学； 清华大学； 哈尔滨工业大学； 东南大学； 西北工业大学 5.国内外主要研究者 2021-5-345 2021-5-346 第一讲 水下信息网络概论 1.无线通信网络概述 2.水下信息的传输 3.水声通信网络的特点及应用前景 4.网络分层协议体系及跨层设计 5.水下信息网络的研究与发展 2021-5-347 1.无线通信网络概述 2021-5-348 WLAN 移动节点配备无线网网卡 移动节点通过接入点与固定网络连接 WLAN工作在链路层，对网络层透明 对网络层来说WLAN是一个单跳网络 1.无线通信网络概述 2021-5-349 1.无线通信网络概述 自动最佳路由选择 最佳路由最佳路由