水声通信组网技术第五讲 水声网络路由
水声通信网络路由协议研究综述
水声通信网络路由协议研究综述
高涌;张宏滔
【期刊名称】《声学与电子工程》
【年(卷),期】2016(000)004
【摘要】分析了水声通信网络路由协议设计的技术难点,总结了二维静态网络、三维静态网络、移动节点动态网络等典型网络架构中的路由协议研究进展,提出了路由技术研究趋势.文章内容对水声通信网络技术研究及其协议设计具有借鉴和指导意义.
【总页数】5页(P47-51)
【作者】高涌;张宏滔
【作者单位】中国船舶重工集团公司,北京,100097;声纳技术重点实验室第七一五研究所,杭州,310023
【正文语种】中文
【相关文献】
1.一种基于水声通信网络的实时路由协议
2.基于竞争的水声通信网络MAC层协议研究综述
3.两种不同模式水声通信网络路由协议性能研究
4.水声通信网络快速重构路由协议技术的研究
5.水声传感器网络基于深度信息的安全路由协议
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水声通信组网技术第五讲水声网络路由
2020/4/12
第六讲 水下通信网络的路由机制
7
1.水声网络路由概述 ——Ad Hoc网络路由
网络拓扑动态变化的特性使得传统的有线网路由 协议产生大量的控制信息。不仅会消耗掉原本非 常有限的带宽资源，而且还会增加信道竞争，大 量消耗便携终端的能量。
可以通过无线声链路构成任意拓扑 这种网络建立快捷、灵活 可广泛应用于水下军事防御、海洋环境监测和保护、
海洋地质灾害预报、矿产资源勘探等场合
2020/4/12
第六讲 水下通信网络的路由机制
5
Seaweb 2005 UUV Experiments Monterey Bay, May 9-11, July 20-22
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
1
第五讲 水声网络路由
3. 三种典型的路由协议
DSR (Dynamic Source Routing) AODV (Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing) OLSR (Optimized Link State Routing)
2020/4/12
第六讲 水下通信网络的路由机制
• 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
水声通信和组网技术研究的开题报告
水声通信和组网技术研究的开题报告一、选题背景随着人类社会的不断发展和海洋资源的日益开发，对海洋环境的认识和探测也越来越重要。
在这个过程中，水声通信和组网技术作为海洋通信的一种重要手段，正在受到越来越多的关注。
水声通信是一种利用水作为介质进行信息传输的通信方式，其通信系统的特点是传输距离较短，传输速率较低，在水的不同介质中传播损耗也不同。
水声组网技术则是指将多个水声通信系统组成一个网络，通过协同工作实现海洋环境监测、海底探测等功能。
二、选题意义1. 提高海洋资源开发效率水声通信和组网技术有效地解决了海洋资源开发中信息传递的问题，可以提高资源开发的效率，减少资源的损耗，为人类社会的可持续发展做出贡献。
2. 增强海洋环境监测能力水声通信和组网技术具有传输距离短、传输速率低、传输稳定等特点，对监测海洋环境、海洋生态等具有重要意义，通过对海洋环境的实时监测，早期发现海洋污染等问题，提高海洋生态的保护能力。
3. 促进国家海洋强国建设水声通信和组网技术是国家海洋强国建设的重要组成部分，通过海洋资源和海洋环境的监测，可以提高我国在国际上的话语权和地位，为我国的海洋经济发展提供有力的技术支撑。
三、研究内容和方法1. 研究内容本次研究主要针对水声通信和组网技术进行研究，具体包括：(1) 水声通信技术的基本原理和技术特点；(2) 水声通信网络模型的建立和优化；(3) 水下节点的位置解算和时钟同步问题；(4) 水声通信网络中的数据传输和路由算法研究。
2. 研究方法(1) 理论研究：对水声通信和组网技术的相关理论进行深入研究，分析其本质和特点；(2) 实验研究：通过搭建水声通信网络实验平台，进行数据采集和性能测试，验证理论分析；(3) 数学建模：针对水声通信网络中的数据传输和路由问题，进行建模和分析，提出优化算法。
四、预期成果本次研究的预期成果包括：(1) 深入研究水声通信和组网技术的理论，提高对其本质和特点的理解；(2) 搭建水声通信网络实验平台，验证理论研究；(3) 针对水声通信网络中的数据传输和路由问题，提出优化算法，优化水声通信网络性能。
水声通信组网及应用
水声通信组网及应用一、水声通信组网水声通信网络协议在物理层之上，解决多个节点之间数据传输的问题，主要研究内容包括媒体访问控制协议(MAC)、路由协议、同步和定位技术等。
用于水声通信网络中的竞争性媒体访问控制协议一般可分为以下三类：随机接入的Aloha协议、握手方式的MACAW协议、载波侦听冲突检测的CSMA/CS协议。
CSMA/CS协议需要专门的侦听硬件和算法支持，一般用于吞吐量较大的组网中，在海洋环境监测组网中不常用。
因而，对于海洋环境监测水声通信组网，如果数据较短，采用Aloha 协议，发射端直接使用信道发送数据，收到正确应答即完成一次传输过程，避免握手带来的开销；如果数据较长，采用MACAW协议，在数据发射之前发送端利用握手信号占据信道使用权，保证传输不被其他节点干扰。
路由协议需根据网络的拓扑结构、数据产生的时间周期、数据流的方向、节点布放的灵活性来综合考虑。
对于海洋环境监测，网络拓扑一般中心式拓扑结合多跳转发的结构，图1 所示是2014年5月南中国海试验的结构。
数据传输一般在中心网关和观测节点之间发生，不要求任意两个观测节点之间的相互数据访问。
中心网关向观测节点下发命令，观测数据按固定时间周期经观测潜标回传至中心网关。
大部分观测节点为固定布放，允许移动节点接入。
另外，水声信道的时变特点可能导致链路的短时中断，各节点的电量需要均衡使用，因而要求水声通信网络具有对路由表进行优化的能力。
图1 水声通信网试验的网络拓扑图二、应用情景分析水声网络观测技术的应用情景主要有：（一）海洋立体观测在深海潜标的不同深度设置多个观测节点，在海底布设多个观测站，通过水声通信网络把各观测设备数据传输到主控器，再通过移动节点将数据取走或通过卫星将数据发送到岸站，解决了水下设备难以用电缆连接的问题。
（二）突发事态的海洋观测在出现类似石油平台爆炸沉没、海上油田溢油、水下输油管泄漏等突发污染事故，以及赤潮爆发等突发生态事件时，采用水声网络观测技术可以快速响应，投放位置和传感器类型选择灵活，观测数据实时性和连续性好。
水下声波通信网络的路由算法与传输控制技术
水下声波通信网络的路由算法与传输控制技术第一章：引言水下声波通信是一种在海底进行的传输技术。
由于水下通信环境的复杂性，声波通信网络的路由算法和传输控制技术的研究成为了水下通信领域的一个热门研究方向。
本篇文章将着重解析水下声波通信网络的路由算法和传输控制技术的研究现状。
第二章：水下声波通信网络的组成和传输特性水下声波通信网络主要由声发射器、水声信号处理器、水声遥控器和水声接收器等设备组成，通过声波信号传输数据。
水下通信环境充满了噪声、信号衰减和多径传输等特性，使其传输效率受到很大的制约。
第三章：水下通信网络的路由算法在水下声波通信网络中，路由算法与传输控制技术是实现高效数据传输的两大关键技术。
传统的网络路由算法常常考虑节点间通信的带宽和距离，但在水下通信中，声波传输的特殊性质需要更加细致、复杂的网络管理策略。
目前，常用的水下网络路由算法主要有PEL宽度路由算法和SARA算法。
PEL宽度路由算法通过把网络分成一定宽度的层，来寻找尽可能短的路线，从而提高网络的吞吐能力。
SARA算法则是一种分层和基于状态的路由算法，它利用网络的历史信息进行资源分配和动态调整，以实现在动态的水下环境中达到最优路由。
第四章：水下通信网络的传输控制技术在水下声波通信网络中，传输控制技术是保证数据传输的关键。
基于TCP和UDP等协议的传统传输控制技术在水下环境下效果不佳，因此需要新的控制技术。
目前，水下网络传输控制技术的研究主要集中在两个方面：基于分组传输的传输控制技术和基于信令控制的传输控制技术。
前者主要是将数据分成多个数据包进行传输，并通过ACK确认，并采用数据包重传机制来处理数据传输过程中遇到的错误。
后者则是通过信令控制来保证数据传输的可靠性。
当前应用较多的传输控制技术有TIBORA、M-DFS、TCP-Sack等。
第五章：总结与展望水下声波通信网络的路由算法和传输控制技术是水下通信领域的核心技术之一。
当前，这两个方面的研究成果日益增多。
水声通信网层次路由算法
（ １ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｙ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｙ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｎ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６ － ７ ０ ４ ３ ． ２ ０ １ ２ ０ ５ ０ ５ ７
网络出版地址 ： ｈ ｎ ｐ ： ／ ／ ｗ ｗ ｗ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ／ ｋ ｃ ｍｓ ／ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ／ ２ ３ ． １ ３ ９ ０ ． Ｕ ． ２ ０ １ ３ ０ ３ ０ ５ ． ０ ９ １ ９ ． ０ ０ １ ． ｈ ｔ ｍ ｌ
Ｗｈ ｉ ｌ ｅ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｌ ｉ ｆ ｅ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｎ ｏ ｄ ｅ’ Ｓ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ．
了一种适用于水下环境的水声通信 网层次路 由算法 ． 该 算法采用分轮的思想 ， 使用 改进 的复杂网络社 团结构检测谱 方法 的相关算法． 通过 网络初始化 等措施 构建水声 通信网的图结构 ， 并利用 Ｌ ａ ｐ ｌ ａ ｃ ｉ ａ ｎ阵与 聚类 算法得到簇 结构 ， 进 而实现 网 络中数据的正常传输． 仿真 实验 表明 ， 在 水声通信 网 的特 殊条件下 ， 该算 法相 对于传统 的 Ｌ Ｅ Ａ Ｃ Ｈ协 议能取得 较好 的效 果， 在 网络稳定传输数据 的情况 下 ， 网络各轮 的存活节点数均优 于 Ｌ Ｅ Ａ Ｃ Ｈ． 关键 词 ： 水声通信 网； 社团结构 ； 层次路 由 ； 谱方法 ； 无线传感 网络
水声通信组网技术水下信息网络概论剖析
Wi-Fi
Wi-Fi
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2020/6/1
第一讲 序论
19
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
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Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
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Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
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2020/6/1
有线回传 最佳路由 备选替换路由
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。
2020/6/1
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
2020/6/1
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
• 对网络层来说WLAN是一个单跳网络
2020/6/1
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
水面舰艇及潜艇与UUV通信
2020/6/1
第一讲 序论
27
2.水下信息的传输
UUV与UUV的通信
2020/6/1
第一讲 序论
28
2.水下信息的传输
2020/6/1
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。
水声通信网络路由及MAC关键技术研究的开题报告
水声通信网络路由及MAC关键技术研究的开题报告一、研究背景和意义水声通信是一种在水下进行通信的技术，具有广泛的应用前景，如海底油气勘探、海洋环境监测、海洋科学研究等领域。
在实际应用中，由于水声通信网络受水下环境条件的影响，传输数据的带宽和传输距离均受到限制，因此需要对水声通信网络进行优化设计，以提高网络的性能。
其中，路由和MAC是水声通信网络中的关键技术，对网络的性能有着直接的影响。
因此，对水声通信网络路由及MAC关键技术进行研究有着重要的理论和实践意义。
二、研究内容本论文主要研究水声通信网络路由及MAC关键技术，具体研究内容如下：1. 水声信道特性分析首先，对水声信道的特性进行分析，包括传输损耗、多径效应、噪声和时变性等。
通过对水声信道特性的分析，可以更好地了解水声通信网络的性能局限性。
2. 水声通信网络路由算法设计其次，设计适用于水声通信网络的路由算法。
针对水声通信网络的特性，设计基于拓扑结构、节点能力等因素的路由算法，并考虑功率控制、路由优化等因素。
3. 水声通信网络MAC协议设计对水声通信网络的MAC协议进行设计，考虑多址访问、帧同步、信道接入等问题。
在设计MAC协议时，需要综合考虑水声信道的特性和网络结构的影响，以优化网络的性能。
4. 实验验证和性能评估通过仿真和实验验证，对所设计的路由和MAC算法进行性能评估和实验验证。
评估指标包括网络吞吐量、网络延迟、包丢失率等，并与已有的水声通信网络技术进行比较，以验证所设计算法的优越性。
三、研究方法和技术路线在实现上述研究内容时，将采用以下方法和技术路线：1. 数据收集与分析对水声信道的特性、水声通信网络的结构和性能等数据进行收集和分析，以获得数据的基础资料。
2. 设计路由和MAC算法根据水声通信网络的特性和要求，设计路由和MAC算法，并进行仿真验证。
3. 系统实现根据设计算法和仿真结果，进行系统实现和优化，并进行实验验证和性能评估。
四、预期研究结果及意义通过研究水声通信网络路由和MAC关键技术，可以得到以下预期结果：1. 提出一种适用于水声通信网络的路由算法，并对其进行仿真验证和实验验证。
基于水声通信的浮标网络路由协议的研究与实现
基于水声通信的浮标网络路由协议的研究与实现第一章研究背景和意义随着人类对海洋资源的开发和利用，海洋观测技术逐步成熟。
浮标作为海洋观测的重要工具之一，它可以在海面上测量海洋的水温、海面高度、风速等信息，并将这些数据传输到岸上。
但是，目前浮标网络中存在着一些问题，例如网络不稳定、数据传输速度慢等。
基于水声通信的浮标网络路由协议是一种新型的网络通信方式，它可以在无线电波无法传达的海底环境中进行数据传输。
该协议具有网络稳定性高、传输速度快等优点，因此具有较高的研究和实现价值。
第二章浮标网络路由协议原理及实现方法2.1 水声通信原理水声通信是一种利用声波在水中传递信息的通讯方式。
传输信息时，发射机将电脉冲信号转化为声波信号，通过水中的媒介传输到接收机，在接收机上将声波信号转化为电脉冲信号，实现数据的传输。
水声通信的传输距离和传输速率受到一定的限制，但在海洋环境中广泛应用。
2.2 浮标网络路由协议原理基于水声通信的浮标网络路由协议是一种分层的路由协议，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
其中，物理层主要负责数据的传输，数据链路层主要负责信道的控制、错误检测和纠错等，网络层实现数据在不同节点间的转发，传输层为应用层提供可靠的数据报文传输服务。
该协议在传输数据时，将数据压缩成数据包，并通过物理层的声波传输到目标节点，接收端通过数据链路层对数据包进行重组，并分发给上层节点。
2.3 浮标网络路由协议实现方法基于水声通信的浮标网络路由协议的实现需要使用一些特定的硬件和软件工具。
硬件方面，需要使用水声通信设备、浮标节点、控制节点等设备；软件方面，需要利用现有的网络协议和算法，例如路由协议、数据压缩算法等。
在实现过程中，需要考虑多个因素，例如网络拓扑结构、节点间的距离、传输速率等，以保证网络的稳定性和数据传输的可靠性。
第三章实验过程和结果分析3.1 实验环境实验采用基于水声通信的浮标网络路由协议，使用三个浮标节点和一个控制节点搭建网络。
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
水声通信网络浅析
水声通信网络浅析水声通信网络浅析摘要：随着现代信息技术的飞速发展，覆盖了地面、空中、太空、水面的立体信息网已经形成并为各国的通讯、交通、资源调查、国防等各项业务服务。
近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快，发达国家开始对水下声通信网进行研究。
水声通信网络（UWN）承担着探测、数据通信的重要使命。
它通常由海底传感器、自主式水下运载器（AUV）和水面站组成，水面站可进一步与Internet等主干网连接，在这种环境中人们可以从多个水下远程设备提取实时数据，并把控制信息传递给各个设备。
本文将介绍水声通信网络的发展现状、关键技术、具体应用及发展前景。
关键词：水声通信网络发展现状 AUV1.发展现状目前陆上与空中的有线及无线通信已经很成熟，但是水下无线通信仍处于研究与试用阶段。
随着人类对海洋探索、开发的不断深入，无论是军用领域还是民用领域，都对水下通信有着极大的需求。
尽管在水下可以使用电缆、光缆等有线方式进行通信，但是这些方式中节点无法移动，适用对象极其有限。
电磁波在水下的衰减很大，要想在水中传播很远的距离就必须采用很低的频率，这就要求很高的传输能量和很长的天线，通常是难以实现的。
目前水下通信方式主要有长波通信、水下激光通信、中微子通信、水声通信等。
长波通信所需设备体积庞大，价格昂贵，通信效率低，目前主要用于基地与潜艇之间的远程通信；水下激光通信目前主要研究蓝绿激光水下通信系统，其穿透海水能力强，可实现基地与下潜400米以上的潜艇的通信，通信频带宽，数据传输能力强，但是灵活性不够；中微子通信是近年来新兴的技术，比较复杂，目前还仅仅停留在实验室阶段[2]。
声波是惟一一种能在水介质中进行长距离传输的能量形式。
水声通信是目前水下最合适的通信方式，得到了各发达国家研究机构和军方的高度重视。
最早的水声通信可以追溯到20世纪50年代针对模拟数据的幅度调制（AM）和单边带（SSB）水下电话。
随着VLSI（very large scale intergration，超大规模集成电路）技术的发展，在80年代早期水下数字频移键控（FSK）技术得到应用，它对信道的时间、频率扩散有一定的鲁棒性。
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2016/3/14
第五讲 水声网络路由
5
Seaweb 2005 UUV Experiments Monterey Bay, May 9-11, July 20-22
Iridium satellite constellation GPS satellite constellation
Racom buoy gateway node
2016/3/14 第五讲 水声网络路由 16
主动路由协议 Vs. 被动路由协议
性能 所需维 持的路 由 路由发 现策略 主动路由协议 网络中每一个结点要持续 地维持到全网所有其它结 点的路由 所有的路由在一开始就确 定下来，各结点通过周期 性地交换路由信息来维持 所有的路由信息 正比于网络规模和拓扑变 化程度 差 适用于网络规模较小，结 点移动性不强的情形 被动路由协议 仅需维持到所需目的结点的路 由和维护处于active状态的 链路 只有在源结点需要发送分组到 某一目的结点且本地没有到该 目的结点的路由的情况下，才 触发路由发现操作 正比于网络连接数 良好 在用户不很密集、负荷中等、 移动性一般的大型网络中表现 出色
第五讲 水声网络路由
1. 水声网络路由概述 2. 路由协议的分类
按路由结构分类：按路由发现策略分ຫໍສະໝຸດ ：平面路由协议 分级的路由协议
主动路由协议 被动路由协议 混合路由协议
源路由 按路由信息的存放方式分类 ：逐跳路由
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
2016/3/14
第五讲 水声网络路由
基于位置的路由协议
– 利用结点的物理位置进行分组转发 – 让路由请求分组往目的结点所在方向传输，限制路由 请求过程中被影响的结点数目 – 对于位置的依赖性限制了应用范围 – LAR(Location Aided Routing)、DREAM(Distance Routing Effect Algorithm for Mobility)
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开销 扩展性 应用场 景
2016/3/14
第五讲 水声网络路由
2 路由协议的分类 ——混合路由协议(hybrid)
• 综合主动和被动两种路由策略 • 在网络结构上采用平面或分层结构 • 如ZRP（Zone Routing Protocol）协议就是一 类混合使用主动路由和被动路由策略的协议，在 一定的网络区域内采用主动路由策略，区域间则 采用被动路由的策略
网络仅对active route进行维护，对其他路由不闻 不问 RERR（route error)
维持路由表信息的正确性和实效性
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第五讲 水声网络路由
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逐跳路由
• 中间结点收到数据分组时依据目的地址，查询路 由表得到下一结点地址 • 将数据分组转发到相应的链路上去 • 数据分组就是这样一跳一跳地向目的结点转发的 • 优点：
– 能适应MANET动态变化的环境，每个结点在收到最新 的拓扑信息时便会更新本地路由表，从而能保证将到 达的数据分组转发到更新更好的路径上去 – 每个中间结点都要实时维护一定的路由信息，都要通 过周期性的信标（beacon message）维持邻结点之 间的连通性
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1.水声网络路由概述
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第五讲 水声网络路由
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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。 可以通过无线声链路构成任意拓扑 这种网络建立快捷、灵活 可广泛应用于水下军事防御、海洋环境监测和保护、 海洋地质灾害预报、矿产资源勘探等场合
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第五讲 水声网络路由
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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
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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
– 优点：适合大规模的自组织环境，可扩展性较好； – 缺点：簇头结点的可靠性和稳定性对全网性能影响较 大，支持结点在不同簇之间漫游产生一定的开销
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• 已提出的自组织网路由协议大多是基于平面路由 思想 • 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
• 迄今为止，已提出的主动路由协议主要有OLSR、 WRP、DSDV等。
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2 路由协议的分类 ——被动路由协议
• 仅在源结点有分组要发送且本地没有去往目的结点的路由 时，才“按需”进行路由发现并建立所需路由 • 网络每个结点不需要维持去往其它所有结点的路由 • 拓扑结构和路由表内容是按需建立的，它可能仅仅是整个 拓扑结构信息的一部分 • 按需路由协议通常由路由发现和维护两个过程组成 • 通过向网络中广播一个“路由请求”分组就可进行路由发 现 • 迄今为止，已提出的被动(on demand)路由协议主要有 DSR、 AODV、 TORA、ABR等
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第五讲 水声网络路由
3. 三种典型的路由协议
DSR (Dynamic Source Routing) AODV (Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing) OLSR (Optimized Link State Routing)
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第五讲 水声网络路由
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1.水声网络路由概述 ——Ad Hoc网络路由
网络拓扑动态变化的特性使得传统的有线网路由 协议产生大量的控制信息。不仅会消耗掉原本非 常有限的带宽资源，而且还会增加信道竞争，大 量消耗便携终端的能量。 网络结构与现有蜂窝网和无线局域网的显著区别， 使得这些无线网络的路由协议也无法应用于Ad Hoc网络中 因此，现有的有线和无线路由协议都不适合在 Ad Hoc网络中运行，要针对Ad Hoc网络的特性对 其路由协议设计。
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2 路由协议的分类
• 按路由结构分类：平面(flat)路由协议 分级(cluster-based)的路由协议 • 按路由发现策略分类： 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) • 按路由信息的存放方式分类 ：源路由（source routing） 逐跳路由(hop-by-hop) • 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
– 随着每条路径的中间结点数的增加，该路径发生故障 的概率就越大、每个数据分组的开销就越大
• DSR(Dynamic Source Routing)协议就是采用 源路由方式的路由协议。
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2 路由协议的分类 ——按是否依赖定位分类
基于网络拓扑的路由协议
– 利用链路信息进行路由的建立和分组转发
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2 路由协议的分类 ——主动路由协议
• 修改有线网络的路由协议以适应自组织网环境而 得来的 • 路由发现策略类似于传统有线网中路由协议
– 所有的路由在一开始就确定下来 – 各结点通过周期性的广播路由信息分组，交换路由信 息，来维持和更新路由 – 结点必须维护去往全网所有结点的路由
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3. 三种典型的路由协议 ——DSR路由协议
DSR路由协议由两个过程组成： 路由发现（route discovery) （按需进行）
RREQ（route request) RREP（route reply)
路由维护 (route maintenance)（按需进行）
Shipboard command center
ARIES UUV
NPS
SLOCUM UUV constellation of 6 Seaweb repeater nodes fixed on seabed 2016/3/14 第五讲 水声网络路由 6
1.水声网络路由概述 ——水下通信网络的特点
独立组网：Ad Hoc特性 无中心：组网无需任何预先架设的网络设施或中 心结点 动态拓扑：结点移动，结点加入与离开 多跳路由：源与目的之间由多段声链路组成，结 点同时具有终端和转发的功能 高延时：与无线电信号相比声信号传播时延很大 带宽有限：声信道环境恶劣 能耗受限：结点一般都是一次性能源供给
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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)