水下传感器仿真平台设计文档格式.docx

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学生：

孟浩

导师：

刘功亮

哈尔滨工业大学

2011年6月20

摘要

水下传感器网络的研究对海洋信息科学的研究以及海洋技术的发展有着深远的意义。

因为水下传感器网络工作环境复杂，不易于在水下环境中直接测试水下传感器网络，但是出于可靠性，准确性的要求，水下传感器节点制作完成后需要大量的测试。

进行水下传感器网络的测试需要复杂的设备及大量时间，成本很高，难以大量进行。

通过仿真软件来模拟仿真水下环境，可以提高测试效率，节省测试成本。

因此，设计一个水下传感器网络仿真平台对于提高水下试验的效率和研究水平是很有前景和必要的。

本文主要致力于设计和开发水下传感器网络仿真平台。

作为一个完整的仿真平台，本软件仿真平台采用层次化、模块化设计并结合实际的水下通信环境特点，针对于不同的要求，制作出相应的功能模块，为水下传感器网络试验提供一个综合的、比较切合实际的仿真方案，使仿真结果逼近实际情况，对水声传感器网络水下试验的测量、调试和分析提供可靠、灵活的技术支持。

关键词：

　水下传感器网络平台；

层次化；

功能模块

SOFTWARESIMULATIONPLATFORMDESIANFORUNDERWATERACOUSTICSENSORNETWORKS

Abstract

Theresearchonunderwatersensornetworkhasfar-reachingsignificanceonthemarinescienceinformationstudyandthedevelopmentofmarinetechnology.Becausetheworkenvironmentoftheunderwatersensornetworksiscomplex,itisdifficulttodirectlytesttheperformanceoftheunderwatersensornetworksinunderwaterenvironment.Butfortherequirementsofreliabilityandaccuracy,underwatersensornodesshuoldbeextensivetestedafterproduced.Howerver,theperformancetestsofunderwatersensornetworksrequiresophisticatedequipmentsandalotoftimewhichleadtothatthecostisveryhighandtheworkisdifficulttocarryouttoalargeextent.Usingsimulationsoftwaretosimulatetheunderwaterenvironmentcanimprovetestefficiencyandsavethecostoftests.Therefore,forthesakeofimprovingtheefficiencyoftestandstudyleveloftheunderwatertests,thedesignofanunderwatersensornetworksimulationplatformisapromisingandnecessarywork.

Themainsubjectofthepaperisdesigninganddevelopinganunderwatersensornetworksimulationplatform.Asacompletesimulationplatform,thepaperdesignsithierarchicallyandmodularly.Fordifferentrequirements,thepapercombinesthedesignoftheunderwatersensornetworksimulationplatformwiththeactualcharacteristicsoftheunderwatercommunicationenvironment,creatingthecorrespondingfunctionalmodule,whichprovideacomprehensiveandmorerealisticsimulationprogramforunderwatersensornetworksandthesimulationresultsapproachtheactualcases.Theunderwatersensornetworksimulationplatformcanprovidereliableandflexibletechnicalsupportforthemeasurement,debugandanalysisforthetestoftheuderwatersensornetworksinunderwaterenvironment.

Keywords:

　UnderwaterSensorNetworkPlatform;

Hierarchical;

Modules

第1章绪论

水下传感器网络仿真平台是利用软件模拟水下环境对网络参数影响的仿真方式。

1.1课题背景、目的和意义

海洋资源是我们地球重要的自然资源，也是维持全球经济实现可持续发展的重要资源保障及研究方向。

海洋资源的开发以及海洋经济发展对于解决整个人类的生存问题和社会经济瓶颈方面，起着极为重要的作用。

随着世界各国对海洋资源研究的日益重视，进一步发展利用海洋资源的热潮正在全球各个国家兴起。

随着海洋开发技术的发展，海洋科学的研究逐步成为一个急需发展的科学课题。

在这种需求的推动下，水下传感器网络的研究也就应运而生。

虽然陆地无线传感器网络的研究已经得到了快速发展，但是因为水下环境特殊，陆地无线传感器网络不能适用于复杂的水下环境。

但是一个网络在应用之前，必须经过严格的试验检测。

这些因素使得研制具有低成本、高可靠性能的水下传感器网络仿真平台逐渐成为一个新的研究热点。

在新的时代里，海洋正在凸显出日益重要的作用；

在海洋资源的开发及军事方面的研究也越来越受到重视，精度高、可靠性好、实时性强、连续的水下环境参数监测系统成为综合研究的重要决定性条件。

这种系统在收集海洋信息、探测海洋航海航道、海洋渔业资源的调查以及海洋矿产资源的勘探和开发等方面都有着十分重要的作用；

这种水下传感器网络不仅可以为以上研究提供实时的信息，也能够获取几分钟到几年的水下信息，为以后的研究打下基础[1,2]。

水下传感器网络的研究及运用已经突显了越来越重要的作用[3]。

在采集研究相关的海洋信息时，能够利用水下传感器网络，通过水下各种传感器节点相互合作完成对多种海洋信息的采集；

在预测预报海洋灾害方面，水下传感器网络能够探测到海底的地质运动，向沿海的人们提供灾害预报信息；

在军事侦测领域，水下传感器网络各部分相互合作能够完成对目标区域的检测，敌方目标的侦查，以及防御警报任务；

同时在国防领域能够增强对本国海洋的检测控制，增强海洋防御能力;

水下传感器网络能够检测海洋环境变化，例如可以利用水下传感器进行海洋污染的预警、检测海洋生物的迁徙等。

随着水下传感器网络的深入研究和广泛应用，人类将能更加深入地了解海洋、研究海洋、开发海洋和利用海洋[4]。

随着开发利用海洋热潮的兴起，水下传感器网络仿真平台在水下传感器网络研究中的作用越来越突出。

在水下传输时，无线电波在水下长距离时，有较大的传输损耗，因此为了满足长距离传输，即使利用波长很长的低频无线电信号也需要信号源能够有很大的信号发射功率。

国外某大学曾测试过在水下无线电信号的传输的特性，当信息源在水下以433MHz频率发射无线电信号时，能够有效传输的距离也只有1.2m左右。

光波在水下传播损耗方面的特性优于无线电波，但是，在水下光波的散射问题严重，因此也不能够适用于水下通信传输。

比较而言，声波在水下的传播特性都优于其它传输媒介。

因此，水下传感器网络采用声波作为传输媒介。

水下传感器网络是一种在水下通过声波相互传递信息的无线通信网络。

它的组成主要包括：

布放在海底或海中负责信息采集的传感器节点以及信息汇聚节点等。

这些设备通过水声信道互相连接，海面的汇聚节点通过无线电射频的方式与陆地控制中心相互连接。

由此，就建立起一个交互式的无线网络通信环境，在这种通信系统中陆地的工作人员能够实时地采集并观察水下传感器节点采集到的数据，并且能够把控制信息发送给水下传感器节点。

水下传感器网络工作在环境复杂多变的水下环境中，传感器及SINK节点之间的通信主要依靠声波作为传输媒介。

这些特点就决定着水下传感器网络存在着众多与陆地无线传感器网络不同的特点，使得陆地无线传感器网络的技术不能直接应用于水下传感器网络，所以水下传感器网络必须通过独特的水下实验验证才能在水下应用。

由于海洋的环境十分复杂，水下传感器网络不便于直接在海洋环境中测试。

为了满足网络可行性、可靠性的要求，水下传感器网路设计制作完成后必须经过大量的试验检验。

进行水下测试需要很大的实验场地及复杂的设备，成本很高，很难大量进行。

但是目前，水下传感器网络技术的研究还处于起步阶段，基本是在理论实现阶段，没有大规模的产业化。

因为水下传感器网络不仅存在着声波信道带宽窄、通信频率低、多径干扰，多普勒频移严重等的限制因素，还因为其工作环境多变的限制。

所以水下传感器网络的真实环境中的试验需要消耗花费大量的人力、物力和时间资源，为水下传感器网络的测试提供可行的、方便低廉的仿真平台也成为了水下声学传感器网络技术研究的重要课题之一。

在此方面，有人曾提出了可配置的软件水声Modem的设计思想，可以为水声通信算法研究提供灵活的开发环境，另一些研究者从理论角度提出一些仿真平台的框架，但没有一个完整的试验平台的报道[5]。

鉴于此，开发一个水下传感器网络仿真平台将对于加快水声传感器网络技术的研究起到重要作用。

通过软件仿真是目前水声传感器网络的主要研究手段，在研究了现有水声通信网络仿真软件资料的基础上，结合个人理解，提出了水下传感器网络软件仿真平台真框架的构建。

并对软件的框架结构、功能模型、所采用的策略算法等几方面的工作进行了阐述，用Matlab及Vc++6.0完成的整个软件的编写编译工作。

此仿真软件可以初步实现水下传感器网络工作场景的模拟．可以方便地实现对水声传感器网络系统的路由参数能耗系数等性能的测定，为水下传感器网络的究与设计提供了较好的实验平台。

1.2水下传感器网络中水声通信的特点

水下声波信道的模型是水下传感器网络研究的关键问题。

声波信道有着许多与无线电信道不同的特性，水下声波的传播速率大约为1500m/s左右，传输速率大约为无线电波的20万分之一，传输时延为0.67s/km。

而且，水声信道的信道带宽非常窄，传输带宽不仅取决于声波的发射频率而且与传输距离有关。

由于水下环境复杂，多径传播，衰落，多普勒频移严重，造成的水下声波信道的可靠性比较低，误码率严重。

这是水下传感器网络的重要特点。

表1-1海底传输距离与带宽的关