劉春秋　劉小明

摘 要：水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)不同于在陸地上基于電磁波的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，尤其是對(duì)水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的仿真；如何模擬水下或海洋的復(fù)雜環(huán)境，建立高效逼真的仿真環(huán)境尤為重要，該文主要針對(duì)現(xiàn)有的水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模擬器進(jìn)行介紹，討論各種仿真器的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：水下 無(wú)線傳感 網(wǎng)絡(luò)模擬 仿真器

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（b）-0034-02

水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（UWSNs： Underwater Wireless Sensor Networks）有著非常廣闊的應(yīng)用空間和前景，能夠被應(yīng)用于各種水下探測(cè)和工程研究領(lǐng)域。例如湖泊或者海洋中進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的收集，建立海洋信息系統(tǒng)監(jiān)控和信息采集網(wǎng)絡(luò)，利用水下各個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的協(xié)作通信，采集水下環(huán)境的數(shù)據(jù)并傳送給地面基站。隨著對(duì)水下傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和研究，人類將能更加深入地了解海洋、研究海洋、開發(fā)海洋和利用海洋。

在海洋中使用有線網(wǎng)絡(luò)的，大部分是非常昂貴的裝備，以及流動(dòng)的應(yīng)用環(huán)境使電線太受限制。在水下有限的輻射半徑里了，標(biāo)準(zhǔn)的陸地媒介無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、射頻效率低，光纖通信也是有限制的范圍，聲波在水中傳播，比射頻和光更為有效的，這樣，聲波通訊是水下網(wǎng)絡(luò)最好的選擇。

面對(duì)與有線網(wǎng)絡(luò)和基于地面電磁波的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的仿真又是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)前世界各國(guó)都在研究相關(guān)仿真的問題，由于水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與電磁波無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的在傳輸介質(zhì)的不同，由于大部分的仿真器也都是基于NS2開發(fā)工具，改變?cè)跀?shù)據(jù)鏈路層和物理層的參數(shù)來(lái)滿足水下環(huán)境的需要。

1 水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真工具

1.1 NS3 UAN Simulator

此仿真軟件是由華盛頓大學(xué)電子工程系在NS2的基礎(chǔ)上所開發(fā)的水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真器NS3，它是華盛頓大學(xué)在水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC研究成果的再現(xiàn)，為了使得ns2能夠?yàn)樗颅h(huán)境提供支持，NS3增加了對(duì)新FH-FSK PHY的充分利用和改進(jìn)傳播模型，來(lái)盡可能的接近于模仿FH-FSK，如WHOI（美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所）微調(diào)制解調(diào)器應(yīng)的用。

1.2 WOSS （World Ocean Simulation System ）

WOSS是一個(gè)多線程框架，整合了水下信道的仿真工具與網(wǎng)絡(luò)模擬器。目前的版本，關(guān)鍵在于計(jì)算聲傳播power-delay方面和數(shù)據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)模擬器NS-Miracle，在這里physical-layer數(shù)據(jù)提供了鏈路性能模型。

WOSS提供一系列的api來(lái)自動(dòng)進(jìn)給Bellhop（或其他傳播模擬器）環(huán)境數(shù)據(jù)（SSPs 要求，水深、底沙輸沙量上系數(shù)等），這樣用戶的網(wǎng)絡(luò)模擬器只有指定地理位置正常模擬網(wǎng)絡(luò)。

目前，WOSS需要要求環(huán)境數(shù)據(jù)從以下數(shù)據(jù)庫(kù)獲得：

（1）World ocean atlas， http：//www.nodc.noaa.gov/OC5/WOA05/pr_woa05.html （monthly averages of SSPs）

（2）General bathymetric chart of the oceans（http：//www.gebco.net）

（3）National geophysical data center， seafloor surficial sediment descriptions ：http：//www.ngdc.noaa.gov/mgg/geology/deck41.html

1.3 Underwater Model for NS-MIRACLE

這是由意大利帕瓦多大學(xué)開發(fā)出的一種ns-miracle模塊，它是一個(gè)詳細(xì)的仿真水下環(huán)境，包括frequency-dependent衰減、噪音、深度、溫度、鹽度以及聲波的傳播速度；包括在該模型的也是兩種水下物理層模型：一個(gè)提供根據(jù)香農(nóng)定理所得到的最大理論比特率，另一個(gè)BPSK調(diào)制方案實(shí)施。目前提供Aloha和FDMA是MAC協(xié)議

1.4 Aqua-Sim

美國(guó)康涅狄格州立大學(xué)在NS-2的基礎(chǔ)上開發(fā)了這個(gè)模擬器，稱為Aqua-Sim，水下傳感網(wǎng)絡(luò)模擬器。Aqua-Sim能有效地模擬水下傳感網(wǎng)絡(luò)聲信號(hào)衰減和數(shù)據(jù)包沖突，此外，Aqua-Sim支持三維部署，Aqua-Sim就可以很容易地結(jié)合現(xiàn)有的代碼NS-2。Aqua-Sim是獨(dú)立的無(wú)線仿真包、不受其他任何無(wú)線仿真包變更的影響。

Aqua-Sim遵循面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)風(fēng)格，所有的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體類使用c++實(shí)現(xiàn)。目前，Aqua-Sim分為四個(gè)文件夾，uw-common uw-mac，uw-routing和uw-tcl，。傳感器節(jié)點(diǎn)模擬水下的代碼在文件夾uw-common中；規(guī)范聲信道和MAC協(xié)議仿真的uw-mac文件夾；uw-routing包含了所有的路由協(xié)議；uw-tcl包括所有的Aqua-Sim Otcl腳本實(shí)例驗(yàn)證。

在圖1中，“UnderwaterNode“對(duì)象是抽象水下傳感器節(jié)點(diǎn)，它有許多有用的節(jié)點(diǎn)地理位置，運(yùn)動(dòng)速度等信息，它是全局對(duì)象，可用在Aqua-Sim任何對(duì)象中；“UnderwaterChannel“代表了對(duì)象水聲信道，在這里排隊(duì)正在交付的只有一個(gè)“UnderwaterChannel“對(duì)象在網(wǎng)絡(luò)和所有的包，“UnderwaterChannel“對(duì)象也提供公共接口，因此對(duì)上層中的對(duì)象，如路由層對(duì)象，可以很容易地了解信道性質(zhì)。

1.5 Aqua-3D

Aqua-3D也是康涅狄格大學(xué)水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)的仿真器。Aqua-3D也是在NS-2基礎(chǔ)上開發(fā)的模擬水聲網(wǎng)絡(luò)，水下網(wǎng)絡(luò)是三維的，所以，Aqua3D正為此而發(fā)展的。Aqua-3D的特征有：

（1）直觀且易于使用的GUI（圖形用戶接口），魯棒控制環(huán)境（可控制的與鼠標(biāo)）

（2）許多設(shè)置定制的外觀的環(huán)境，可以跳到具體的時(shí)間動(dòng)畫

（3）可以調(diào)整動(dòng)畫的顯示速度，數(shù)個(gè)窗口可以看到各種細(xì)節(jié)的關(guān)于環(huán)境和動(dòng)畫

（4）可以節(jié)省和負(fù)載的視角和環(huán)境中，后來(lái)回憶“完美的說(shuō)法”不會(huì)丟失

（5）細(xì)節(jié)產(chǎn)生檢測(cè)數(shù)據(jù)包沖突在節(jié)點(diǎn)

3 結(jié)語(yǔ)

在介紹以上水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真工具中，對(duì)于不同的研究對(duì)象，如MAC層、網(wǎng)絡(luò)層等有著不同的方法和工具，尤其是Aqua-Sim仿真器在模擬水下數(shù)據(jù)傳輸有著很好的效果，但是以上所有的仿真器普遍存在的缺點(diǎn)是無(wú)法模擬海洋動(dòng)力對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)

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[8] Aqua-3D-UWSN Projects.http：//ubinet.engr.uconn.edu/mediawiki/index.php/Aqua-3D.