Bellhop 模型在水聲網(wǎng)絡(luò)仿真中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

劉奇佩 ,劉 琨 ,羅逸豪 ,吳鑫瑩 ,周河宇

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司 第710 研究所,湖北 宜昌,443003;2.國家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心 黑龍江分中心,黑龍江 哈爾濱,150001;3.華東理工大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院,上海,200030)

0 引言

水聲網(wǎng)絡(luò)(underwater acoustic networks,UANs)可以用于海洋資源探索、輔助導(dǎo)航、自然災(zāi)害預(yù)警以及海域監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域[1-5],在軍事和民用方面表現(xiàn)出巨大潛力,近年來受到各國研究人員的廣泛關(guān)注。UANs 底層協(xié)議的設(shè)計(jì)關(guān)乎整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能,而水聲信道的特性又是UANs 不同于其他形式傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵,因此,一個(gè)接近真實(shí)情況的水聲信道模型(underwater acoustic channel model,UACM)對于UANs 協(xié)議的開發(fā)極為關(guān)鍵,能夠具備理論UACM 難以做到的對于多徑效應(yīng)、聲影區(qū)等的仿真,從而使UANs 協(xié)議的前期開發(fā)更加準(zhǔn)確快捷。

針對UACM 的真實(shí)建模問題,國外機(jī)構(gòu)開發(fā)了Bellhop 水聲信道模型[6],利用射線聲學(xué)追蹤水聲信號在不同水域條件下的每條聲線,進(jìn)而計(jì)算出更為真實(shí)的信道參數(shù)。但不足是該模型自成體系,只提供了若干可執(zhí)行文件供用戶使用,無法直接用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,限制了其在UANs仿真中的應(yīng)用。

基于上述問題,文中研究了Bellhop 水聲信道模型在UANs 仿真中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用,通過配置Bellhop 信道參數(shù)、解析Bellhop 中間文件、定制UACM 接口等操作,成功擴(kuò)展了NS3 水聲信道模塊[7],取得了較為精準(zhǔn)的結(jié)果。

1 相關(guān)研究

1.1 NS3 水聲網(wǎng)絡(luò)框架

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)主要利用數(shù)學(xué)建模的方法來模擬網(wǎng)絡(luò)行為,通過對網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計(jì)和分析來衡量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在特定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的性能表現(xiàn),其高效、靈活、低成本和快捷性成為協(xié)議開發(fā)的重要手段。

得益于技術(shù)發(fā)展,近年來可用于UANs 的仿真工具層出不窮,其中一個(gè)較為突出的便是NS3,該工具以C++編寫和開源的特性廣受研究人員青睞。NS3 是一個(gè)面向?qū)ο蟮碾x散事件網(wǎng)絡(luò)仿真工具,在運(yùn)行時(shí),其時(shí)間線并不以現(xiàn)實(shí)時(shí)間為準(zhǔn),而是提前將所有事件按時(shí)間順序存儲在一個(gè)事件隊(duì)列中,在一個(gè)事件執(zhí)行完畢后直接跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)事件,因此執(zhí)行效率取決于協(xié)議的復(fù)雜程度。NS3雖然開源,但有一個(gè)穩(wěn)定的官方團(tuán)隊(duì)不斷對軟件進(jìn)行管理和升級,同時(shí)還有著龐大的社區(qū)不斷貢獻(xiàn)開發(fā)者的代碼。到目前為止,已具備多達(dá)數(shù)十個(gè)功能模塊,涵蓋了Internet、802.11 及WiMAX等主流研究方向。

除此之外,NS3 還提供了一個(gè)專用于UANs 仿真的工具包uan,具備對水聲網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和多路訪問控制(multiple access control,MAC)協(xié)議的仿真能力,其數(shù)據(jù)包的基本流向如圖1 所示。

圖1 uan 框架和數(shù)據(jù)流向Fig.1 Framework and data flow direction of the uan

該UACM 能夠設(shè)置噪聲模型和傳播模型,進(jìn)而通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離求得數(shù)據(jù)包在目的節(jié)點(diǎn)的接收信噪比,再求得丟包概率。可以看出,在上述過程中數(shù)據(jù)包的投遞是廣播的,符合水聲信道的無線特性,但其他過程使用了理論模型,無法有效針對節(jié)點(diǎn)的部署位置和海洋環(huán)境的時(shí)-空變化進(jìn)行精準(zhǔn)分析,限制了其用于實(shí)際環(huán)境仿真時(shí)的精確度。

1.2 解決方案探索

針對上述問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了不同方面的技術(shù)探索。李莉等[8]研究了將世界海洋仿真系統(tǒng)(world ocean simulation system,WOSS)[9]與NS-Miracle 進(jìn)行結(jié)合的擴(kuò)展UACM,能夠在網(wǎng)絡(luò)仿真中考慮真實(shí)海洋環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了較為精準(zhǔn)的信道建模。WOSS 是一個(gè)由帕多瓦大學(xué)SIGNET 實(shí)驗(yàn)室推出的海洋環(huán)境模擬系統(tǒng),收集了世界各地海洋包括聲速剖面、等深線剖面和海底沉積物類型等具體參數(shù),并使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行封裝,用戶可以使用官方提供的接口獲得較為精準(zhǔn)的水聲信號衰減、功率延遲分布和時(shí)延,進(jìn)而將其用于水聲信道建模。然 而,NS-Miracle 是一個(gè)基于NS2 的擴(kuò)展版本,已有20 年歷史且早已不再更新,使用OTcl 和C++進(jìn)行編程的特點(diǎn)也使得其門檻較高,不利于學(xué)習(xí)和使用。此外,WOSS 的數(shù)據(jù)庫大小接近4G,其配置和使用為用戶來帶來較大不便,且需不斷進(jìn)行調(diào)試,嚴(yán)重阻礙了協(xié)議開發(fā)進(jìn)程。蘇毅珊[10]和Zeng[11]等另辟蹊徑,從半實(shí)物仿真的角度入手,嘗試將仿真平臺接入真實(shí)水聲信道,利用波形級調(diào)制解調(diào)算法計(jì)算聲信號在水下環(huán)境中的傳播時(shí)延和誤碼情況,進(jìn)而對UANs 協(xié)議進(jìn)行衡量和改進(jìn),開創(chuàng)了一條新思路。但該方法只能用于實(shí)驗(yàn)室測量,小范圍的水池和水箱環(huán)境無法模擬出海洋對水聲信號的復(fù)雜作用,且實(shí)現(xiàn)起來網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限,無法適應(yīng)日益增長的大規(guī)模UANs 仿真需求。

考慮到上述方案的局限性,文中設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)基于Bellhop 的NS3 水聲信道模型,通過用戶根據(jù)需求自定義聲速剖面和海底、海面類型,然后調(diào)用Bellhop 模型生成聲線文件并存入數(shù)據(jù)庫,再通過信道模型根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的位置查詢相關(guān)衰減和時(shí)延信息,最終根據(jù)數(shù)據(jù)包的接收信噪比決定是否進(jìn)行丟包。

該方案優(yōu)勢為: 1) 可完全兼容NS3 原有框架,兼顧了模型精確度與協(xié)議開發(fā)效率;2) 提供了詳細(xì)的設(shè)計(jì)思路和算法流程,方便進(jìn)行移植開發(fā)。

2 Bellhop 模型在NS3 水聲網(wǎng)絡(luò)仿真中的實(shí)現(xiàn)

2.1 Bellhop 水聲傳播模型

在水聲信道和水下聲場的計(jì)算和仿真中,Bellhop 是一個(gè)常用工具,可以用來預(yù)測海洋環(huán)境中的聲壓場[12]。Bellhop 利用射線理論計(jì)算聲線在海洋環(huán)境中的傳播行為[13],以獲得聲信號的本征聲線和傳播損失等實(shí)用數(shù)據(jù),其基本原理是,圍繞聲源中心射線構(gòu)建的波束具有以下聲壓場表達(dá)式

式中:s為沿中心射線的弧長;n為鄰域接收位置到中心射線的法向距離;ω為聲信號角頻率;τ (s)為聲信號相位延遲。

對于具有高斯形態(tài)的波束,A(s)和 ?(s,n)可 表示為

式中:A0為常數(shù),與聲源類型相關(guān);p(s)和q(s)分別為由高斯波束束寬和曲率導(dǎo)出的復(fù)弧長及其相對變化。

基于高斯射線理論的波束傳播衰減情況如圖2 所示。

圖2 基于高斯射線理論的波束傳播衰減Fig.2 Transmission loss for a geometric Gaussian beam

使用時(shí),Bellhop 會綜合考慮聲速剖面、海底地貌以及聲線在海洋界面中的反射和折射情況,計(jì)算得到較為精準(zhǔn)的傳播損失和功率延遲分布信息,其運(yùn)行流程如圖3 所示。

圖3 Bellhop 使用流程Fig.3 User flow of the Bellhop model

Bellhop 的輸出文件主要有聲線追蹤文件、傳播損失文件及聲線延遲和幅度文件3 類,分別通過在環(huán)境文件中指定不同的仿真類型獲得。其中,聲線追蹤文件記錄了從聲源能夠抵達(dá)目的位置的所有本征聲線傳播路徑;傳播損失文件記錄了聲信號在觀測區(qū)域內(nèi)的衰減;聲線延遲和幅度文件記錄了聲線到達(dá)觀測區(qū)域各個(gè)位置的延遲、幅值及相位等信息。

2.2 基于Bellhop 的NS3 UACM

可以看出,Bellhop 產(chǎn)生的聲線延遲和幅度文件包含了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)信道模型需要的所有信息,如信號的時(shí)延、衰減以及功率延遲分布信息,這些信息有些可直接獲得,有些則需要進(jìn)行簡單處理。文中設(shè)計(jì)并開發(fā)的基于Bellhop 的UACM主要流程如圖4 所示。

圖4 基于Bellhop 的UACM 流程圖Fig.4 Flow chart of the UACM based on Bellhop

具體步驟如下。

1) 根據(jù)需求配置Bellhop 環(huán)境文件*.env。

當(dāng)該文件包含聲速剖面、海底/海面反射系數(shù)、波束指向性以及運(yùn)行類型等信息時(shí),只需提供該文件即可運(yùn)行Bellhop 內(nèi)核。如果模擬的環(huán)境具有較復(fù)雜的聲速剖面和海底深度,則可以分別提供,這一點(diǎn)與Bellhop 正常使用無異。

需要注意的是,在環(huán)境文件中還指定了聲場區(qū)域大小和分辨率,通過設(shè)置聲源和觀測點(diǎn)的數(shù)量以及分布來確定,它們共同構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)格狀平面,最后由Bellhop 內(nèi)核計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)位置的聲線信息。通過這種方式可將連續(xù)問題離散化,達(dá)到計(jì)算資源和精度的平衡。

2) 調(diào)用Bellhop 內(nèi)核處理步驟1)中產(chǎn)生的環(huán)境描述文件,生成相應(yīng)的聲線追蹤文件*.ray。

3) 解析步驟2)產(chǎn)生的聲線追蹤文件,根據(jù)信號的接收位置提取到達(dá)該位置每條聲線的主要信息,計(jì)算得到該信號的分組數(shù)據(jù)協(xié)議(packet data protocol,PDP)和衰減信息,并將上述信息存入數(shù)據(jù)庫。

在該步驟中,主要提取的信息有幅值(mMag)、相位(mPha)、時(shí)延(mDel)、發(fā)射角度(mSrcAng)和接收角度(mRcvAng),然后通過圖5 所示算法偽代碼對這些信息進(jìn)行處理,得到所需結(jié)果。

圖5 PDP 和衰減計(jì)算方法Fig.5 Method to calculate the PDP and attenuation

在該算法中,聲線的數(shù)量可以通過聲線追蹤文件進(jìn)行提取,位置信息由環(huán)境文件設(shè)置,以一定分辨率在整個(gè)海域呈網(wǎng)格狀,如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)格狀聲場數(shù)據(jù)Fig.6 Mesh grid shaped data of acoustic field

4) 使用步驟1)的相同參數(shù)對NS3 水聲信道模塊進(jìn)行配置。

由上文可知,數(shù)據(jù)庫中存儲的聲線信息也是離散的,以三維變量觀測點(diǎn)位置信息(聲源深度、接收深度和水平距離)為索引,分辨率由垂直步長和水平步長決定,因此,該信道模塊在提取所需信息時(shí),需要以相同的索引進(jìn)行檢索。

5) 建立仿真腳本,使用步驟4)配置的水聲信道模塊進(jìn)行仿真。

仿真過程中,大多數(shù)情況下接收節(jié)點(diǎn)位置未能位于網(wǎng)格點(diǎn),因此無法直接讀取數(shù)據(jù)庫中存儲的該點(diǎn)位置聲場信息。為有效提取精確的聲場信息,使用最鄰近網(wǎng)格點(diǎn)取值法進(jìn)行近似,以一個(gè)點(diǎn)最近的網(wǎng)格點(diǎn)位置代替該點(diǎn)位置信息進(jìn)行檢索。

該過程可以表示為

式中:L′為數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的位置,包含深度和水平距離;L為數(shù)據(jù)庫中保存的所有網(wǎng)格點(diǎn)位置。

檢索后可得該位置的所有聲線信息,視其中幅度最高的聲線為直達(dá)聲,得到其傳播延遲,就可以使用信道模塊在該時(shí)延后將數(shù)據(jù)包分發(fā)給相應(yīng)接收節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在水聲信道中的無線傳輸。

3 仿真結(jié)果分析

對上文描述的基于Bellhop 的NS3 水聲信道模型進(jìn)行性能驗(yàn)證,對比該模型和理論信道模型對于網(wǎng)絡(luò)仿真的影響,所使用的具體仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)Table 1 Network simulation parameters

所得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的衰減信息與理論模型的仿真對比如圖7 和圖8 所示。可以看出,使用理論模型的信號衰減以聲源為中心呈近似圓周分層,說明信號的空間衰減只與接受位置到聲源的距離相關(guān);而使用文中采用的Bellhop 信道模塊時(shí),信號的空間衰減還與接受位置的深度和水平距離相關(guān),并出現(xiàn)了較為明顯的信號加強(qiáng)現(xiàn)象(位置在水平距離300～450 m),究其原因,是因?yàn)樾盘栐诤５桩a(chǎn)生了反射(即多徑效應(yīng)問題),說明該方法確實(shí)得到了相比傳統(tǒng)理論模型更為精準(zhǔn)的衰減結(jié)果。

圖7 理論信道模型的衰減Fig.7 Attenuation of the Thorp theoretical UACM

圖8 Bellhop 信道模型的衰減Fig.8 Attenuation of the Bellhop UACM

除此之外,在相同參數(shù)下使用MATLAB 對Bellhop 信道模型進(jìn)行仿真,得到的信號衰減如圖9 所示。可以看出,其信號衰減趨勢與圖8 接近,也在水平距離300～450 m 形成密集的亮點(diǎn),說明此處的信號存在疊加。

圖9 MATLAB 下Bellhop 信道模型的衰減Fig.9 Attenuation of the Bellhop UACM in MATLAB

使用CW 協(xié)議在不同信道模型條件下的性能表現(xiàn)如圖10 所示。不難發(fā)現(xiàn),使用Bellhop 水聲信道模塊時(shí),協(xié)議吞吐量趨勢與傳統(tǒng)模型基本一致,但整體性能差異較大,對比圖8 可以看出,這是由于信號在Bellhop 水聲信道條件下整體衰減較小,使得一些節(jié)點(diǎn)的接收信噪比較高,進(jìn)而減小了誤碼率和丟包率。

圖10 不同UACM 條件下CW 協(xié)議吞吐量Fig.10 Throughputs of the CW protocol for different UACMs

結(jié)合上述結(jié)果可知,相對于理論模型衰減僅由距離決定,文中所開發(fā)的Bellhop 水聲信道模塊計(jì)算得到的信號衰減與聲源深度、接收深度及傳播距離等均有直接關(guān)系(實(shí)際上根據(jù)前文可知,影響聲線傳播的關(guān)鍵因素還有聲速剖面、海面海底反射系數(shù)等復(fù)雜因素,而聲源深度和接收深度是影響聲速剖面的主要參數(shù)),較好地模擬了聲線在水下復(fù)雜的傳播過程,因此在不同聲場區(qū)域具有與理論模型截然不同的傳播衰減,較大影響了協(xié)議的性能表現(xiàn),對水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議前期的開發(fā)和評估具有重要意義。

4 結(jié)束語

基于Bellhop 設(shè)計(jì)并開發(fā)了用于NS3 網(wǎng)絡(luò)仿真的UACM,將高斯射線理論用于水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真。結(jié)果表明,該模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬水聲信號在海洋環(huán)境中的傳播衰減和反射,可用于對傳統(tǒng)信道模型無法適用的特定水文情況(如淺海、深海聲影區(qū))下水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行前期開發(fā)、評估及改進(jìn),并為水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)和落實(shí)提供依據(jù)。