水聲通信組網(wǎng)技術(shù)第一講水下信息網(wǎng)絡(luò)概論

2023/2/4第一講序論1西北工業(yè)大學(xué)王海燕水聲通信組網(wǎng)技術(shù)UnderwaterAcousticCommunicationNetwork2023/2/4第一講序論2課程安排

介紹水聲信道條件下無線通信組網(wǎng)的原理與基本技術(shù)，共分六講。第一講水下信息網(wǎng)絡(luò)概論第二講水聲信道傳輸特性第三講水聲通信網(wǎng)絡(luò)物理層技術(shù)第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由第六講水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)2023/2/4第一講序論3第一講水下信息網(wǎng)絡(luò)概論無線通信網(wǎng)絡(luò)概述水下信息的傳輸水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點及應(yīng)用前景網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議體系及跨層設(shè)計水下信息網(wǎng)絡(luò)的研究與發(fā)展2023/2/4第一講序論4無線通信網(wǎng)絡(luò)概述有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)蜂窩移動通信系統(tǒng)集群移動通信系統(tǒng)無線局域網(wǎng)無線ADhoc網(wǎng)藍(lán)牙技術(shù)美國的PRNET無線傳感器網(wǎng)舉例

舉例

2023/2/4第一講序論5有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)

有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)是對有線通信網(wǎng)的一種擴展，有線網(wǎng)被用作骨干網(wǎng)，連接到特殊的有線/無線轉(zhuǎn)接點BS(BaseStataion),或接入點AP(AccessPoint)，統(tǒng)稱為BS。

BS與有線骨干網(wǎng)相連并覆蓋一個區(qū)域，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)覆蓋區(qū)內(nèi)的移動節(jié)點通過一個或多個傳輸信道接入網(wǎng)絡(luò)。

傳輸信道包括：FDMA（某個頻隙）、TDMA（某個時隙）、CDMA（某個碼道）無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論6有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)圖通信網(wǎng)構(gòu)成示意圖

無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論7有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論8有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論9有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論10有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論11無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)

無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)也稱為自組織網(wǎng)（自組網(wǎng)），由多個移動節(jié)點組成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。與有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)的區(qū)別：不需要預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施（BS、AP）；網(wǎng)絡(luò)的組織是臨時的、按需的、自動的；必須采用分布式的控制方式。無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論12舉例1：蜂窩移動通信系統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論13舉例1：蜂窩移動通信系統(tǒng)移動終端和固定基站互相通信移動終端不具備路由功能基站負(fù)責(zé)路由和交換功能，基站充當(dāng)接入有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論14舉例1：蜂窩移動通信系統(tǒng)

----WLANWLAN移動節(jié)點配備無線網(wǎng)網(wǎng)卡移動節(jié)點通過接入點與固定網(wǎng)絡(luò)連接WLAN工作在鏈路層，對網(wǎng)絡(luò)層透明對網(wǎng)絡(luò)層來說WLAN是一個單跳網(wǎng)絡(luò)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論15舉例2：移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)/多跳無線網(wǎng)絡(luò)由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò)中每個終端可以自由移動、地位相等是一個多跳、臨時、無中心網(wǎng)絡(luò)不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持可以在任何時候、任何地點快速構(gòu)建

adhoc:forthespecificpurposeonly無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論16舉例2：移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述自組網(wǎng)絡(luò)AEDCBF源結(jié)點目的結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點2023/2/4第一講序論17舉例2：移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)——特點具備移動通信網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)的特點無中心網(wǎng)絡(luò)的自組性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化自動最佳路由選擇的多跳組網(wǎng)方式可擴展性好有限的無線傳輸帶寬移動終端的自主性安全性差存在單向的無線信道生存時間短無線通信網(wǎng)絡(luò)概述2023/2/4第一講序論18無線通信網(wǎng)絡(luò)概述舉例2：移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)——特點無中心網(wǎng)絡(luò)的自組性Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi2023/2/4第一講序論19無線通信網(wǎng)絡(luò)概述舉例2：移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)——特點網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi2023/2/4第一講序論20無線通信網(wǎng)絡(luò)概述舉例2：移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)——特點自動最佳路由選擇最佳路由備選替換路由有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi2023/2/4第一講序論21無線通信網(wǎng)絡(luò)概述舉例2：移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)——特點最佳路由備選替換路由有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi支持移動IP功能2023/2/4第一講序論22無線通信網(wǎng)絡(luò)概述舉例2：移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)——特點方便擴展Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi2023/2/4第一講序論23無線通信網(wǎng)絡(luò)概述AdHoc網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

網(wǎng)絡(luò)類型比較的內(nèi)容現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)AdHoc網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有中心，單跳無中心，多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定動態(tài)建立，靈活變化有無基礎(chǔ)設(shè)施支持有無安全性和服務(wù)質(zhì)量較好較差配置速度慢快生存時間長短路由選擇和維護容易困難網(wǎng)絡(luò)健壯性低高2023/2/4第一講序論24無線通信網(wǎng)絡(luò)概述AdHoc網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

網(wǎng)絡(luò)類型比較的內(nèi)容現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)AdHoc網(wǎng)絡(luò)研究重點物理層和鏈路層協(xié)議的所有層中繼設(shè)備基站和有線骨干網(wǎng)無線節(jié)點和無線骨干網(wǎng)中繼節(jié)點的特點基站有多部收發(fā)信機，全雙工方式通信，有專用硬件，易于實現(xiàn)全網(wǎng)同步無線節(jié)點通常只有一部收發(fā)信機，半雙工方式工作，不易實現(xiàn)全網(wǎng)同步無線節(jié)點的控制管理有基站集中負(fù)責(zé)，無線節(jié)點必須先與基站通信，再通過基站與目的節(jié)點通信由無線節(jié)點本身負(fù)責(zé)，通常采用分布式方式2023/2/4第一講序論25水面艦艇與潛艇通信水下信息的傳輸2023/2/4第一講序論26潛艇之間通信水下信息的傳輸2023/2/4第一講序論27水面艦艇及潛艇與UUV通信水下信息的傳輸2023/2/4第一講序論28UUV與UUV的通信水下信息的傳輸2023/2/4第一講序論29蛙人之間的通信水下信息的傳輸2023/2/4第一講序論30水雷網(wǎng)絡(luò)水下信息的傳輸2023/2/4第一講序論31UUV網(wǎng)絡(luò)水下信息的傳輸2023/2/4第一講序論32結(jié)論：水聲通信網(wǎng)絡(luò)多采用AdhocNetwork水下無預(yù)先布設(shè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施緊急情況科學(xué)考察/探險/軍事戰(zhàn)場可通過衛(wèi)星進行連接

水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點3.水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點及應(yīng)用前景2023/2/4第一講序論33

水聲通信網(wǎng)絡(luò)由軍事應(yīng)用提出，其研究成果可用于軍事和民事。作戰(zhàn)單元包括：士兵、戰(zhàn)車、艦艇、潛艇、水下航行器、作戰(zhàn)分隊等軍事應(yīng)用：海、陸、空三軍調(diào)配；偵查系統(tǒng)與指揮部之間的通信；指揮部與作戰(zhàn)前沿的聯(lián)系；作戰(zhàn)單元之間的聯(lián)絡(luò)和配合。民事應(yīng)用：潛水、和分布式水下工作等——常用；抗洪和水下打撈營救等——災(zāi)難；海洋執(zhí)法、水下搜索等——恢復(fù)、執(zhí)法行動水聲通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景3.水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點及應(yīng)用前景2023/2/4第一講序論343.水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點及應(yīng)用前景2023/2/4第一講序論353.水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點及應(yīng)用前景2023/2/4第一講序論364.網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議體系及跨層設(shè)計水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧演化圖以開放系統(tǒng)互聯(lián)模型OSI（OpenSystemInterconnectionmodel）和TCP/IP模型的協(xié)議結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合海洋環(huán)境的特點，水聲網(wǎng)絡(luò)被分為4層結(jié)構(gòu)2023/2/4第一講序論374.網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議體系及跨層設(shè)計本次講解主要從水聲信道的特點、物理層、MAC數(shù)據(jù)鏈路層、路由層、幾個方面進行講解2023/2/4第一講序論384.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代：美國國防部DARPA，移動分組無線網(wǎng)絡(luò)(MobilePacketRadioNetwork)；20世紀(jì)80年代：美國國防部DARPA，抗毀可適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)SURAN（SurvivableAdaptiveNetwork）；20世紀(jì)90年代：美國國防部DARPA，全球運動信息系統(tǒng)GloMo(GlobalInformationSystem)；90年代中期至今：隨著一些技術(shù)的公開，Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)開始成為移動通信領(lǐng)域一個公開的研究熱點。2023/2/4第一講序論394.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由U.C.Berkeley研究的SmartDust傳感器網(wǎng)絡(luò)已于2000年完成，SmartDust由帶有傳感器和通信單元的微控制器組成，通信單元由無線電發(fā)射機、激光模塊或角偶棱鏡反射體來擔(dān)當(dāng)，傳感器單元則分別可搭載溫度、亮度、濕度、壓力、3D磁力計、3D傾斜/震動傳感器中的一種或多種。由麻省理工學(xué)院研究的μAMPS項目，計劃對傳感器網(wǎng)絡(luò)開展研究，以獲得令人滿意的網(wǎng)絡(luò)壽命，并在復(fù)雜情況下網(wǎng)絡(luò)可以在無人干預(yù)的情況下實現(xiàn)傳感器網(wǎng)的自組織、重配置和自適應(yīng)。Adhocnetwork研究現(xiàn)狀2023/2/4第一講序論404.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀美國海軍研究實驗室（NRL）于20世紀(jì)70年代末研制完成了短波自組織網(wǎng)絡(luò)HF-ITF系統(tǒng)，該系統(tǒng)是采用調(diào)頻方式組網(wǎng)的低速自組網(wǎng)。HF-ITF是根據(jù)海軍潛艇艦隊的要求設(shè)置的，工作在短波頻段，采用ALOHA信道接入方式，用于把500km范圍內(nèi)的艦只、飛機、潛艇聯(lián)成一體。

Adhocnetwork研究現(xiàn)狀2023/2/4第一講序論414.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀尚未見有關(guān)水聲通信的自組織網(wǎng)絡(luò)，但有關(guān)水聲網(wǎng)絡(luò)的研究計劃及試驗網(wǎng)絡(luò)已有報道。美國海軍試驗性遠(yuǎn)程聲納和海洋網(wǎng)絡(luò)計劃組建的Seaweb2000的水聲網(wǎng)絡(luò)，利用了17個節(jié)點，工作水域為Massachusetts的BuzzardsBay灣；Seaweb2001布設(shè)了40個節(jié)點，工作水域為圣地亞哥海灣。有人估計通過2001年Seaweb試驗后，水聲網(wǎng)絡(luò)有可能將信息傳送至潛艇的屏幕上，目前正在研究將該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于海軍的水下武器，以提高水下武器的作戰(zhàn)效能。

水聲Adhocnetwork研究現(xiàn)狀2023/2/4第一講序論425.國內(nèi)外主要研究者目前，在國際上無線Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)方面研究較為活躍的幾個研究機構(gòu)有：

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所NIST下屬的“WirelessCommunicationsTechnologiesGroup”(WCTG)；微軟亞洲研究院無線網(wǎng)絡(luò)組；加州大學(xué)洛杉磯分校MarioGerla教授所領(lǐng)導(dǎo)的“無線自適應(yīng)移動性試驗室”（TheWAN（WirelessAdaptiveMobility）Lab）；伊利諾基大學(xué)U