水下無線傳感網絡仿真工具研究

劉春秋　劉小明

摘 要：水下無線傳感網絡不同于在陸地上基于電磁波的無線傳感網絡，尤其是對水下無線傳感網絡的仿真；如何模擬水下或海洋的復雜環境，建立高效逼真的仿真環境尤為重要，該文主要針對現有的水下無線傳感網絡模擬器進行介紹，討論各種仿真器的特點。

關鍵詞：水下 無線傳感 網絡模擬 仿真器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（b）-0034-02

水下無線傳感網絡（UWSNs： Underwater Wireless Sensor Networks）有著非常廣闊的應用空間和前景，能夠被應用于各種水下探測和工程研究領域。例如湖泊或者海洋中進行信息數據的收集，建立海洋信息系統監控和信息采集網絡，利用水下各個無線傳感節點的協作通信，采集水下環境的數據并傳送給地面基站。隨著對水下傳感網絡的應用和研究，人類將能更加深入地了解海洋、研究海洋、開發海洋和利用海洋。

在海洋中使用有線網絡的，大部分是非常昂貴的裝備，以及流動的應用環境使電線太受限制。在水下有限的輻射半徑里了，標準的陸地媒介無線網絡、射頻效率低，光纖通信也是有限制的范圍，聲波在水中傳播，比射頻和光更為有效的，這樣，聲波通訊是水下網絡最好的選擇。

面對與有線網絡和基于地面電磁波的無線網絡來說，水下無線傳感網絡的仿真又是一個挑戰。當前世界各國都在研究相關仿真的問題，由于水下無線傳感網絡與電磁波無線傳感網絡的在傳輸介質的不同，由于大部分的仿真器也都是基于NS2開發工具，改變在數據鏈路層和物理層的參數來滿足水下環境的需要。

1 水下無線傳感網絡仿真工具

1.1 NS3 UAN Simulator

此仿真軟件是由華盛頓大學電子工程系在NS2的基礎上所開發的水下無線傳感網絡仿真器NS3，它是華盛頓大學在水下無線傳感網絡的MAC研究成果的再現，為了使得ns2能夠為水下環境提供支持，NS3增加了對新FH-FSK PHY的充分利用和改進傳播模型，來盡可能的接近于模仿FH-FSK，如WHOI（美國伍茲霍爾海洋研究所）微調制解調器應的用。

1.2 WOSS （World Ocean Simulation System ）

WOSS是一個多線程框架，整合了水下信道的仿真工具與網絡模擬器。目前的版本，關鍵在于計算聲傳播power-delay方面和數據進入網絡模擬器NS-Miracle，在這里physical-layer數據提供了鏈路性能模型。

WOSS提供一系列的api來自動進給Bellhop（或其他傳播模擬器）環境數據（SSPs 要求，水深、底沙輸沙量上系數等），這樣用戶的網絡模擬器只有指定地理位置正常模擬網絡。

目前，WOSS需要要求環境數據從以下數據庫獲得：

（1）World ocean atlas， http：//www.nodc.noaa.gov/OC5/WOA05/pr_woa05.html （monthly averages of SSPs）

（2）General bathymetric chart of the oceans（http：//www.gebco.net）

（3）National geophysical data center， seafloor surficial sediment descriptions ：http：//www.ngdc.noaa.gov/mgg/geology/deck41.html

1.3 Underwater Model for NS-MIRACLE

這是由意大利帕瓦多大學開發出的一種ns-miracle模塊，它是一個詳細的仿真水下環境，包括frequency-dependent衰減、噪音、深度、溫度、鹽度以及聲波的傳播速度；包括在該模型的也是兩種水下物理層模型：一個提供根據香農定理所得到的最大理論比特率，另一個BPSK調制方案實施。目前提供Aloha和FDMA是MAC協議

1.4 Aqua-Sim

美國康涅狄格州立大學在NS-2的基礎上開發了這個模擬器，稱為Aqua-Sim，水下傳感網絡模擬器。Aqua-Sim能有效地模擬水下傳感網絡聲信號衰減和數據包沖突，此外，Aqua-Sim支持三維部署，Aqua-Sim就可以很容易地結合現有的代碼NS-2。Aqua-Sim是獨立的無線仿真包、不受其他任何無線仿真包變更的影響。

Aqua-Sim遵循面向對象的設計風格，所有的網絡實體類使用c++實現。目前，Aqua-Sim分為四個文件夾，uw-common uw-mac，uw-routing和uw-tcl，。傳感器節點模擬水下的代碼在文件夾uw-common中；規范聲信道和MAC協議仿真的uw-mac文件夾；uw-routing包含了所有的路由協議；uw-tcl包括所有的Aqua-Sim Otcl腳本實例驗證。

在圖1中，“UnderwaterNode“對象是抽象水下傳感器節點，它有許多有用的節點地理位置，運動速度等信息，它是全局對象，可用在Aqua-Sim任何對象中；“UnderwaterChannel“代表了對象水聲信道，在這里排隊正在交付的只有一個“UnderwaterChannel“對象在網絡和所有的包，“UnderwaterChannel“對象也提供公共接口，因此對上層中的對象，如路由層對象，可以很容易地了解信道性質。

1.5 Aqua-3D

Aqua-3D也是康涅狄格大學水下無線傳感網絡實驗室正在開發的仿真器。Aqua-3D也是在NS-2基礎上開發的模擬水聲網絡，水下網絡是三維的，所以，Aqua3D正為此而發展的。Aqua-3D的特征有：

（1）直觀且易于使用的GUI（圖形用戶接口），魯棒控制環境（可控制的與鼠標）

（2）許多設置定制的外觀的環境，可以跳到具體的時間動畫

（3）可以調整動畫的顯示速度，數個窗口可以看到各種細節的關于環境和動畫

（4）可以節省和負載的視角和環境中，后來回憶“完美的說法”不會丟失

（5）細節產生檢測數據包沖突在節點

3 結語

在介紹以上水下無線傳感網絡仿真工具中，對于不同的研究對象，如MAC層、網絡層等有著不同的方法和工具，尤其是Aqua-Sim仿真器在模擬水下數據傳輸有著很好的效果，但是以上所有的仿真器普遍存在的缺點是無法模擬海洋動力對傳感節點的影響。

參考文獻

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