水下声学传感器网络仿真方法研究

水下声学传感器网络仿真方法研究1

相云，蒋挺，周正

北京邮电大学无线网络实验室，北京（100876）

E-mail ：zzhou@

摘 要：水下声学传感器网络作为当今信息社会新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有许多关键技术有待发现和研究。通过仿真分析陆地传感器网络的拓扑控制、路由协议等理论，并将这些理论拓展至水下信道，对我们研究水下声学传感器网络是很有意义的。本论文在分析水下声学信道特性的基础上，给出了在NS-2中仿真水下声学传感器网络的方法，并在新的信道环境中成功运行了LEACH 协议。

关键词： 水下声学传感器网络；拓扑；生存期

中图分类号：TP393

1. 引 言

水声通信技术最初是用于军事的。从1945年美国成功的研究出适用于潜水艇通信的水下电话开始，对水下通信技术的研究试验就从未间断过[1]。电磁波在水中衰减很快，无法用于长距离通信。与之相比，声波在水中具有更好的传播特性，这就使得声学传输成为水下通信传播方案的首选。大规模的长期或短期分布式数据采集系统在军事、商业、环境等方面都有着广阔的发展前景。

到目前为止，陆地无线传感器网络已发展出很多比较成熟的理论，涉及到结构控制、路由协议等网络的各个方面。将普通传感器网络的理论应用于水下传感器网络是否具有可行性，我们可以通过理论上的仿真来分析研究，并做出改进。这种在新的信道条件下分析已有理论的研究方法对于改进现有理论、提出新的问题是很有实际意义的。然而部署一个传感器网络代价很大，我们不可能把所有的理论都放到实际网络中去验证，因此大多数情况下我们还是要利用传统的软件仿真。现有的大规模网络仿真软件如NS-2等都不直接支持水下声学网络的仿真。以NS 为例，它已经包含了对无线Ad hoc 网络的支持，通过编程可以实现无线传感器网络的仿真。但是无线电波在自由空间的传播模型和声波在水中的传播模型是不一样的，我们需要为仿真软件添加新的组件。

本文第二部分详细分析水声信道的特点，第三部分给出在NS-2中仿真水声信道的方法。第四部分以LEACH 协议为例，仿真其在水声信道的运行情况。第五部分进行总结。

2. 水声信道特点

2.1 传播时延

电磁波在空气中的传播速度是s m /1038

×，声波在水中的传播速度是1500m/s ，二者的速度相差了5个数量级，每公里约延迟0.67 s 。对于使用声波通信的水下收发信机来说，传播时延成为时延中的主要影响因素。 2.2 传播损耗

根据Urick 提出的传播模型[2]，传播损失是扩展、衰减以及散射损失之和。

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本课题得到国家自然科学基金项目（60372097；60432040；60572158；60572020）、北京市自然科学基金项目（4052021）、教育部博士点专项基金项目（20060013008）和韩国仁荷（UWB-ITRC ）合作项目的资助。

1）扩展损失

声波波阵面在传播过程中不断扩展引起的声强衰减，主要有球面扩展和柱面扩展。深海环境下点源的球面扩展传播损失和浅水环境下水平面上的柱面扩展传播损失都随距离的增加而增加。

2）吸收损失

吸收是由于声能转换为热能而引起，它随频率和距离的增加而增加。均匀介质的粘滞性、热传导性均可引起声强衰减。

3）散射损失

介质的不均匀性引起的声波散射和声强衰减属于散射损失。不均匀性包括海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对声波的散射。

2.3 多径现象和多普勒频频移

多径和多普勒频移会削弱水下信道的传输能力。多径产生延迟的寄生回声和干扰会引起信号振幅和相位的起伏。一般说来垂直信道的多径影响很小，而水平信道的多径效应却很严重。网络通常为水平部署，因此多径传播会对网络内声波信号造成严重衰减。多普勒频移由传感器与目标之间的相对运动产生。由于声速比电磁波的速度慢20万倍，很小速度就能引起多普勒频移，并且水下声载波频率较低，这两个因素加起来使水中多普勒的影响比自由空间的无线通信大得多。当进行高速数据通信时，会产生码间干扰，还会降低频带效率。

3. 信道传播模型

传输信号模型可以有很多种方法建模，从球形模型到圆柱形模型。在自由空间中，大多数能量损耗都与n

x 成函数关系，x 是发射机和接收机间的距离。但这种分析不适用于水下声学传播。采用参考[3]引用的衰减模型，设节点正常接收消息分组的最低功率为0P ，发送点和接收点间的距离为x ，则传输功率需要是)(0x A P ，)(x A 是对距离x 的衰减。 )1()(x

k a x x A =

其中k 是能量传播因子，k=1时，为柱形传播，k=2时，为球形传播。式中： )2(1010

/)(f a α= )(f α是依赖于频率f 的吸收因子，单位是dB/km 。

)3(003.01075.2410044111.0)(242222

+⋅++++=−f f f f f f α

图1 吸收因子)(f α

图1给出了声波在水中的关于频率的吸收系数。随着频率的升高，吸收因子不断增大。当频率超过一定值后，能量的衰减因子会随距离增加而急剧增大。参考[4]中给出几个实验值，12.5 kHz 的损失大约是1 dB/km ，10kHz 为 1.538dB/km 而70kHz 的声波吸收因子值会超过20 dB/km 。

在浅水中由于水表面和水底的限制，其在水中的传播对应于在一个圆柱形模型，因此，在浅水中的传播模型采用圆柱形，对于柱形传播信号，文献[2]给出如下传输损耗公式：

)4(10log 103−×+=d d Tl α

其中d 为源节点与接收节点之间的距离，以米为单位，α为与频率有关的介质吸收系数，TL 以dB 为单位，是水下传输声学信号的能量损失，主要取决于距离的衰减和传输介质对频率的吸收。

4. 仿真方法及其应用实例

4.1 仿真方法

要研究水下声学信道的特性，分析在水声传感器网络中所运行的各种协议，必须建立相应的水下声学信道仿真环境。以下给出水下声学信道中传感器网络的基本仿真方法步骤：

1）设定水下信道基本参数：传播速度一般取1500m/s 。载波频率是基本的网络参数，和具体运行的协议有关。

2）添加传播模型：NS-2已集成了自由空间无线电传播模型及其能耗损失文件，根据第三节的分析，我们可以方便的为NS-2添加水下信道能量模型。

3）设置接收功率门限：对于网络部署区域内特定的信号传播方式来说，要选择合适的数据发送功率和接收功率阈值，这和实际网络中接收机的灵敏度有关。

4）确定仿真条件：根据实际要仿真的协议，我们应确定一系列的仿真条件，例如数据的发送周期，数据包大小等。

5）运行仿真程序。

4.2 仿真实例

水下声学信道和无线信道有很多不同，传播模型是其中最重要的一个因素，这影响到能量消耗的问题。本节以LEACH 协议为例，分析其在水下声学传感器网络中的运行情况，验证水声信道仿真方法的正确性。对于LEACH 协议的仿真，除了完成上文所提到的一系列基