水声通信组网技术第四讲水声网络多址接入
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
17
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
2017/11/6
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
2017/11/6
第一讲 序论
8
1.无线通信网络概述
有基础设施网
2017/11/6
第一讲 序论
9
1.无线通信网络概述
水声通信组网技术水声网络路由分解PPT学习教案
按是否依赖定位分类：基于网络拓扑的路由协议 基于位置的路由协议
第9页/共49页
2021/8/26
9
2 路由协议的分类 ——平面路由协议
所有结点在形成和维护路由信息的责任上是等同 的。路由协议的逻辑视图是平面结构，结点的地 位是平等的。
➢ RREQ（route request) ➢ RREP（route reply)
➢ 路由维护 (route maintenance)（按需进行）
网络仅对active route进行维护，对其他路由不闻 不问
➢ RERR（route error)
➢ 维持路由表信息的第正23页确/共性49页和实效性
2021/8/26
优点：不存在特殊结点，路由协议的鲁棒性较好， 通信流量平均的分散在网络中，不需要结点移动 性管理
缺点：缺乏可扩展性，限制了网络的规模
第10页/共49页
2021/8/26
10
2 路由协议的分类
——分级路由协议
网络由多个簇组成 结点分为两种类型：普通结点和簇头结点。 处于同一簇的簇头结点和普通结点共同维护所在簇内部的路由信
自组织网目前主要以一种末端网络形式存在，应用规模都较小， 使用簇思想的作用不明显
在一定程度上抑制了簇思想在自组织网中的研究
第12页/共49页
2021/8/26
12
2 路由协议的分类
按路由发现的策略划分，MANET路由协议可分为三类：
主动路由协议（global/proactive routing protocol） 被动路由协议(on-demand/reactive routing protocol) 混合路由协议(hybrid routing protocol)
现代水声通信技术
分布式网络 分布式网络具有完全的点对点连接结构，指网络中的 所有节点之间都可以实现直接通信，因而不再需要路由。 但是为了实现网络中远距离节点间的通信，需要的输出功 率很大，这对于以电池供电的节点来说是不利的，同时还 将会产生 “远近效应”，即当前节点向其远程节点的数 据发送将会对其临近节点的数据接收造成严重干扰。
多跳式网络 多跳式网络仅在临近节点间建立通信链路，信息由源 节点到目的节点的传输是通过信息在节点间的跳转实现的。 因此，多跳式网络能够实现更大的覆盖面积，此时，网络 的覆盖面积将取决于节点数目而不是节点调制解调器的发 射声源级，正因为如此，目前水声通信网络大多采用多跳 式结构。但是另一方面，多跳式网络协议设计必须包含路 由算法，同时，随着跳转数目的增加，数据包的传输延迟 也将相应增加。
物理层物理层是网络协议的最低层主要负责在发射端将由0与1组成的逻辑信息转换为相应的通信信号经过调制后发射到水声信道中而在接收端进行解调进而采用适当的处理算法对经过水声信道多径多普勒效应以及噪声环境影响的接收信号进行修复及检测将其重新还原成原始的逻辑信号
现代水声通信技术 —原理、设备介绍及仿真实验
水声通信网络节点模型
CSMA（carrier sense media access）协议 CSMA协议采用载波监听策略，即发射端在数据发送前， 首先对信道进行载波监听，确定临近节点是否正在进行数据 发送，如果是则延迟发射以避免出现数据碰撞。但由于存在 隐蔽终端的问题，这种协议不能避免发生在接收端的数据碰 撞；另一方面，由于存在暴露终端的问题，CSMA协议同样也 有可能导致不必要的发送延迟。
物理层 物理层是网络协议的最低层，主要负责在发射端将 由0与1组成的逻辑信息转换为相应的通信信号，经过调 制后发射到水声信道中，而在接收端进行解调，进而采 用适当的处理算法对经过水声信道多径、多普勒效应以 及噪声环境影响的接收信号进行修复及检测，将其重新 还原成原始的逻辑信号。因此，物理层的主要设计目标 在于以相对低的能量消耗，克服信道畸变与干扰，获得 较大的链路容量。为了达到这个目标，必须适当的设定 系统的调制制式，同时采取一些关键的处理技术，如 RAKE接收、自适应均衡与多用户检测等，以提高通信传 输性能，降低系统误码率。
水声传感器网络中基于改进时分多址技术的MAC协议
水声传感器网络中基于改进时分多址技术的MAC协议熊鹏【期刊名称】《计算机应用》【年(卷),期】2011(031)011【摘要】海洋信道信号传输条件恶劣,水声传感器网络(UASN)的媒体访问控制协议(MAC)要能可靠且有效的工作面临极大的挑战.针对水下分组转发高传输延时和延时的起伏特性,提出了一个利用改进时分多址技术的媒体访问控制协议(W-MAC).W-MAC通过简化的信号传输同步过程,利用“延缓时间”作为节点的实际数据传送时间,采用具有睡眠策略的监测时间来避免数据碰撞等一系列措施,使W-MAC协议在适应复杂的水下信号传送环境的同时,把能量开销限制在一个合理的水平.仿真实验表明,在水声信道条件下该协议可有效地改善网络性能.%Signal transmission conditions are very poor for ocean channel. It is a great challenge for Media Access Control (MAC) protocol to work reliably and effectively in Underwater Acoustic Sensor Networks ( UASN). Due to the long and changeful propagation delay, a new MAC with modified TDMA named W-MAC was proposed, which could adapt underwater environment through simplified synchronization process, the defer time to allocate transmitting of all nodes as well as the detection time with sleep scheme to prevent from data collision to decrease the overhead of energy. The simulation results show W-MAC is quite efficient when data traffic is high in underwater acoustic sensor network.【总页数】4页(P2902-2904,2908)【作者】熊鹏【作者单位】上海电机学院电子信息学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TP393.04【相关文献】1.基于水声传感器网络的MACA改进协议 [J], 朱颖;刘广钟2.基于GPS卫星授时的时分多址MAC协议 [J], 王宇;朱益锋;赵增华3.基于时分多址网络中的双信道预约MAC协议 [J], 张文强;张多英4.车载自组织网络中基于竞争的时分多址MAC协议 [J], 张本宏;吴浩浩;俞磊5.基于集中式时分多址的MAC协议 [J], 赵颖;李学峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水声通信技术
水声通信技术水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。
水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。
水声通信及网络可灵活地用于不同的速率载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构的情景，可广泛地应用于海洋环境观测，实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互。
同时，水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣，对通信算法和设备可靠性有较高要求，水声通信及组网成为目前的研究热点。
水声通信网络在国外已有20a发展历史，开展较早且具有代表性的是美国的Seaweb网络。
美国的Seaweb网络经过多年的试验，实现了多固定节点的组网、自适应节点路由初始化、潜艇和AUV的数据接入、利用固定节点对AUV定位、分簇网络等多种功能，在基于卫星浮标的远海观测网、港口近岸的水下侦查网络及军用水下航行器指令传输及定位等应用中展示了很好的应用效果和技术先进性。
欧洲也开展了试验研究。
近年来，在国家“863”计划、军方、国家自然科学基金等支持下，我国水声通信领域在通信算法、通信机研制、网络协议仿真、组网应用试验、协议规范制定等方面取得长足进步。
本文主要介绍面向海洋环境监测的水声通信网技术，并对未来的技术趋势进行展望。
水声通信信道是复杂的信道，信道带宽窄、传播速度慢、时变性强、频率选择性衰落、噪声严重等不利因素在水声通信信道中都很明显。
如何针对水声信道特点，采取高性能、可实现的通信算法，是水声通信领域的关键问题。
物理层主要解决利用信道进行点对点的可靠通信的问题，物理层技术方案主要包括调制解调和纠错码两部分内容。
对于水声通信中的调制解调技术，一般根据接收端是否恢复原始载波相位可划分为相干通信和非相干通信。
一、相干水声通信相干通信需要在接收端恢复原始载波相位信息，一般应用于信道不太恶劣的情况。
相干通信信道利用率高，一般超过1bps/Hz，即传输比特速率超过信道频率宽度。
如果信道衰落严重，采用多阵元接收的方式获得空间分集。
水声通信组网技术水声网络路由分解
2020/5/2
第五讲 水声网络路由
3
1.水声网络路由概述
2020/5/2
第五讲 水声网络路由
4
1.水声网络路由概述
水下通信网络是指将水下和水面结点如各种水下传感 器、水下航行器、水面浮标、水面船只舰艇等互联起 来的网络。通过该网络，其中的任意两个结点之间可 以随时进行信息交互。网络中结点可以移动，随时加 入或离开网络，网络不需要任何固定基础设置支持， 结点之间独立组网，这种网络又称为水下Ad Hoc网络， 或水下自组织网络。
• 缺点：缺乏可扩展性，限制了网络的规模
2020/5/2
第五讲 水声网络路由
11
2 路由协议的分类 ——分级路由协议
• 网络由多个簇组成 • 结点分为两种类型：普通结点和簇头结点。 • 处于同一簇的簇头结点和普通结点共同维护所在
簇内部的路由信息，簇头结点负责所管辖簇的拓 扑信息的压缩和摘要处理，并与其它簇头结点交 换处理后的拓扑信息
2
1.水声网络路由概述
路由问题 • 解决网络中结点如何将分组从源结点正确的发送
到目的结点的问题 • 即结点如何对分组进行转发的问题 路由协议 • 路由算法：在获知网络拓扑和链路状态的条件下，
选择源结点到达目的结点的路径的法则。如最小 代价路由选择算法（代价可以为时延、距离、能 耗等） • 路由策略：解决路由的选择如何适应网络拓扑和 状态变化的问题
• 在一定程度上抑制了簇思想在自组织网中的研究
2020/5/2
第五讲 水声网络路由
13
2 路由协议的分类
• 按路由发现的策略划分，MANET路由协议可分为 三类：
– 主动路由协议（global/proactive routing protocol） – 被动路由协议(on-demand/reactive routing
无线通信多址接入技术课件
bp
bg
无线通信多址接入技术
TDMA的效率
• 每一帧的比特总数：
bT Tf R
•
T
是帧长，
f
R
是信道比特速率。
• 帧效率：
f
1
bOH bT
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
100%
无线通信多址接入技术
TDMA系统的信道数
• 总的信道数：总的TDMA时隙数。即每一信道的TDMA时隙数乘 以有效信道数。 N＝(m(Btot－2B保护))/Bc
头比特
TDMA帧
信息
尾比特
时隙1 时隙2 时隙3
……
时隙n
尾比特
同步比特
信息数据 无线通信多址接入技术
保护比特
时分多址(TDMA)
• TDMA的技术特点如下：
• 多用户共享一个载波频率，时隙数取决于有效带宽和调制技术等； • 数据分组发送，不连续发送，需开关； • 由于速率较高，往往需要采用均衡器； • 系统开销大，包括保护时隙、同步时隙等； • 采用时隙重新分配的方法，为用户提高所需要的带宽。
频分多址(FDMA)
代码
信 信信 道 道道 1 23
n
频率 信 道
时间
FDMA信道配置图
无线通信多址接入技术
频分多址(FDMA) F1
f1
F
f2
2
移动台
… …
基站
f
m
Fm
W
F1 F2 F3 F4 W
Fm
f
…
T F1
FDMA示意图
无线通信多址接入技术
频分多址(FDMA)
• FDMA的技术特点如下：
• 同时支持的信道数： N＝（Bt－2Bguard）/Bc
一种基于有限状态机的新型水声网络多址接入协议的实现
Ｖｏ ＿ １ ｌ １
Ｎｏ ５ ．
Ｏｃｏｂ ｒ ２ ６ ｔ ｅ， ００
一
种 基 于 有 限状 态 机 的新 型 水 声 网络 多 址 接 入 协 议 的 实 现
高 明生 ， 陆佶 人
（ 东南 大 学 无 线 电 工程 系 ，江 苏 南 京 ２ ０ ９ ） １０பைடு நூலகம்６
摘要 本文 首先 提 出了一种 新 型 的水 声通信 网络 的多址接 入 （ ＵＡＭＡ）协议 。该 协议 针对水 声信 道传 播时延 长 的 特 点 ，利 用 扩 频 码 进 行 多信 道预 约 ； 通 过 适 当 的 控 制 方 法 ，采 用 与 传 统 的握 手 协 议 不 同 的机 制 ， 当发 送 方 发 送
收 方 传输 数 据 ，而 不 是 采 用 传 统 的握 手 协 议 要 等 收 到 接 收 方 的 ｃｅｒｔ ｅｄ （ Ｔ ）后 再 传 数据 的方 ｌａ ｏ ｓｎ Ｃ Ｓ
法 。这 种 方 法 的优 点很 明显 ：一 方 面 ， 它 使得 数 据 的并 行 传 输 有 了可 能 ； 另一 方 面 ，它 大 大 缩 短 了数
水 下 通 信 信 息 化 建 设 的 需 求 ， 建立 一 个 高 效 的 水 声 通 信 网络 已成 当前 紧 迫 之 举 。但 是 ， 由 于水 声 信 道 的可 用 频 带 非 常 有 限 ，而 且 强起 伏 、强 多径 、强 噪 声 以及 长传 播 延 时等 特 点 ，大 大 地 制约 了水 声 通 信 网 的性 能 ，阻 碍 了对 它 的 开 发和 应用 ，如 何 设 计 出一 种 适 合 水 声特 点 的 多址 接 入 协 议将 直接 影 响到 整 个 水 声 通 信 网络 的 性 能 。 本 文 首 先 提 出 了一 种 新 型 的 水 声 网络 多址 （ ＵＡＭＡ）协 议 。 该协 议 针 对 水 声 信 道传 播 时 延过 长 而 导致 网络 的 吞 吐 量 急 剧 的下 降这 一严 重缺 陷 ，鉴 于 水 声 扩 频 通 信 的优 点［ ３，利 用 多个 扩 频 码 实现 了 １１ ￣ 多信 道 的预 约 ，将 其 中一 个 作 为 公 共控 制信 道 ，其 余 的作 为 业 务 信 道 ； 同 时通 过 适 当的 控 制机 制 ， 当 发送 方在 控 制 信 道 上 发 送 ｒｑ ｅｔｔ ｅ ｄ （ Ｔ ）后 ，随 后 在 Ｒ Ｓ中 为接 收 方 指 定 的 业 务 信 道上 向接 ｅ ｕ ｓ ｏ ｓｎ Ｒ Ｓ Ｔ
水声综合通信网络关键技术的研究
水声综合通信网络关键技术的研究随着科技的不断发展，水声综合通信（AQUM）作为一种新兴的信息传输技术，开始受到越来越多的关注。
它使用水来创建和传输信息，是一种全新的信息传输技术，具有良好的特性、安全性和可靠性，且在安全性方面具有明显的优势。
因此，深入研究水声综合通信技术是当前通信领域的一项重要任务。
水声综合通信是指利用水中传播的声波来传输信息，它与传统的电磁波技术不同，因为水声波可以在水中传播更远、更安全，从而提高了信息传输的性能。
此外，比起电波，水声波辐射损耗小、通信距离远，这是水声综合信息通信成为可行的关键原因之一。
要研究水声综合通信技术，首先要了解其基本原理。
水声综合通信技术是利用高频水声波在水中传播的原理，以及水声波的物理规律来传输信息。
即在水中传播的水声波是由水体的声音及其会受到水流、温度、水质等外部条件影响而发生变化，当受到声波的入射时，由于水体对水声波的不同反射、吸收和散射，水体中的声波发生变化，从而形成一种共振模式。
其次，要考虑水声综合通信网络中关键技术的研究。
水声综合通信技术是一个复杂的系统，包括水声传感器、信号处理和传输等环节。
因此，要实现水声综合通信网络的高性能运行，需要研究关键技术，并构建一个安全可靠的水声综合通信网络。
首先是水声传感器技术。
水声传感器是水声综合通信系统中的核心设备，它将水传播的声波转换为信号，传递给后续的节点。
此外，需要考虑水声传感器的设计，即传感器的灵敏度、噪声抑制等。
其次是信号处理技术。
信号处理技术包括信号的检测、分类、检测和检测等，这些技术可以将水声信号转换成有用的信息，并进行进一步的处理。
一般来说，信号处理技术还包括加密/解密技术、同步技术和传输数据编码技术等。
最后是水声综合通信网络技术。
水声综合通信网络是一个复杂的系统，需要进行网络资源调度、信息传输和安全保护等多方面的运行管理。
水声综合通信网络技术还包括网络拓扑与分层技术、路由算法及网络管理等。
浅海水声网络全解
浅海水声网络1. 摘要水声网络通常由通过水声相连的海底传感器节点，自主无人航行器及与岸基站点进行无线通信的网关海面站点构成。
该网络服务质量受声传输信号低带宽，低声速导致的高延时和高环境噪声所限。
其长期设计目标是能够提供基于网络链接的自组网络，通过最优化系统参数自主适应环境。
本文考虑了最小化能耗约束，最优化吞吐和可靠性条件下设计浅海水声网络的诸多方面问题。
2. 引言近二十年来，水声通信技术取得了显著进步。
高速可靠通信系统的实现使得海底坐地传感器与水下自主航行器等水下节点间实时点对点通信成为可能。
当前研究热点主要集中在应对环境数据采集、近海探测、污染检测与军事侦察等应用的网络多链路协同领域。
海底或海监测的传统方法包括传感器布放，实验数据记录和试验设备回收。
该方法存在诸多不足：实验记录数据需在长达数周的实验任务结束后获取；海底设备与岸基用户间无法进行信息交互，因此，当某区域出现感兴趣事件时无法进行系统重配置；如果设备在回收前出现错误，那么数据采集过程将停止或所有数据可能丢失。
特定海域长期实时观测最理想的解决途径将诸多测量设备通过无线链路连接成网络结构。
最基本的水下声学网络由类似固定节点与水下自主航行器等节点间的建立的双工水声通信所组成。
该网络将与海面站点相连，并借助该站点采用RF 链路与远程陆上节点如Internet 网络相连接。
岸基多用户能够从远距离水下设备实时获取数据，评估已获取的数据，并可对单个设备发送控制信息。
由于数据不再储存在水下设备中，因此可以避免数据丢失，也能通过网络重配置得以绕开失效节点水声网络的最大约束是有限能源支持。
对陆上系统而言，无线调制解调器电池的替换非常简单，但水下无线调制解调器电池替换受航行时间和调制解调器回收时间的制约而显得费时费钱。
因此，对水下应用而言，传输能量显得异常昂贵。
网络协议应通过减少重传次数，降低传输间隔的功耗以及最小化每次传输需求来节省能耗。
在救援与探测任务等水下应用中，需要网络能够不经大规模规划而快速布放。