水声通信组网技术第一讲水下信息网络概论剖析

长 途 交 换 设 备
市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备 基 站 基 站
基 站 基 站
光再生中继设备 ( 光放大器)
长途网 本地网 移动网 本地网
2017/11/6
图
通信网构成示意图 第一讲 序论
6
1.无线通信网络概述
有基础设施网
2017/11/6
第一讲 序论
7
1.无线通信网络概述
UUV与UUV的通信
第一讲 序论
28
2.水下信息的传输
2017/11/6
蛙人之间的通信 第一讲 序论
29
2.水下信息的传输
水雷网络
2017/11/6 第一讲 序论 30
2.水下信息的传输
UUV网络
2017/11/6 第一讲 序论 31
3.水声通信网络的特点及应用前景
水声通信网络的特点
• 水下无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
2017/11/6 第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点
无中心网络的自组性
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
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第一讲 序论
18
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 网络拓扑动态变化
有基础设施网
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第一讲 序论
8
1.无线通信网络概述
有基础设施网
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第一讲 序论
9
1.无线通信网络概述
有基础设施网
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第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
无基础设施网
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。
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集 群 移 动 通 信 系 统
举例
无 线 局 域 网
举例
第一讲 序论
无 线
网
无 线 传 感 器 网
蓝 牙 技 术
美 国 的
AD hoc
PRNET
4
1.无线通信网络概述
有基础设施网
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）
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。
Wi-Fi
Wi-Fi
有线回传 最佳路由 备选替换路由
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第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 支持移动IP功能
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统 ----WLAN
• 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
2017/11/6 第一讲 序论 14
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络 • 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
Wi-Fi
Wi-Fi
有线回传 最佳路由 备选替换路由
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第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 方便扩展
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
水声通信组网技术
Underwater Acoustic Communication Network
西北工业大学
王海燕
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第一讲 序论
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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
慢
长 容易 低
快
短 困难 高
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第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
Ad Hoc网络与现有无线网络的区别
网络类型 现有无线网络 物理层和链路层 基站和有线骨干网 Ad Hoc网络 协议的所有层 无线节点和无线骨干 网
比较的内容
研究重点 中继设备
中继节点的特点
基站有多部收发信机， 无线节点通常只有一 全双工方式通信，有 部收发信机，半双工 专用硬件，易于实现 方式工作，不易实现 全网同步 全网同步 有基站集中负责，无 由无线节点本身负责， 线节点必须先与基站 通常采用分布式方式 通信，再通过基站与 目的节点通信
2017/11/6 第一讲 序论 5
1.无线通信网络概述
有基础设施网
地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备 通信卫星 地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备
用户
市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备
长 途 交 换 设 备
数 字 多 路 设 备
数 字 多 路 设 备

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第一讲 序论
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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
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第一讲 序论
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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： 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 。
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第一讲 序论
2
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
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第一讲 序论
3
1.无线通信网络概述
无线通信系统网络结构
有基础设施网 无基础设施网
蜂 窝 移 动 通 信 系 统
Wi-Fi
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第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
Ad Hoc网络与现有无线网络的区别
网络类型 比较的内容 无线网络结构 拓扑结构 有无基础设施支持 安全性和服务质量 有中心，单跳 固定 有 较好 无中心，多跳 动态建立，灵活变化 无 较差 现有无线网络 Ad Hoc网络
配置速度
生存时间 路由选择和维护 网络健壮性
I III
II
IV
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第一讲 序论
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4.网络分层协议体系及跨层设计
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 网 络 层 上层应用层 安全 QoS 移动IP和TCP 路由协议 数据链路层（MAC协议） 物理层 物理层 网络层 上层应用层
数据链路层
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
2017/11/6 第一讲 序论 38
4.国内外研究现状
① Ad hoc network 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μAMPS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。
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
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第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 自动最佳路由选择
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
• 可通过卫星进行连接
结论： 水声通信网络多采用Ad hoc Network
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第一讲 序论
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3.水声通信网络的特点及应用前景
水声通信网络的应用前景
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。 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
作战单元包括：士兵、战车、舰艇、潜艇、水下航行器、作战分队等
2017/11/6 第一讲 序论 33
3.水声通信网络的特点及应用前景
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第一讲 序论
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3.水声通信网络的特点及应用前景
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第一讲 序论
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4.国内外研究现状
② 水声Ad hoc network 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。
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第一讲 序论
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4.国内外研究现状
① Ad hoc network 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、潜艇联成一体。
第一讲 序论 24
无线节点的控制管理
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2.水下信息的传输
水面舰艇与潜艇通信
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第一讲 序论
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2.水下信息的传输
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潜艇之间通信
第一讲 序论
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2.水下信息的传输
水面舰艇及潜艇与UUV通信
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第一讲 序论
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2.水下信息的传输
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2017/11/6 第一讲 序论 15
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络
转发结点
转发结点
转发结点 B
C 自组网络 A
D E
目的结点
F
源结点
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第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点
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
2017/11/6
第一讲 序论
11
1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统
2017/11/6
第一讲 序论
12
1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统
– 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
2017/11/6 第一讲 序论 13