水声通信组网技术第一讲水下信息网络概论

水声通信组网技术第一讲水下信息网络概论第一页，共46页。课程安排

介绍水声信道条件下无线通信组网的原理与基本技术，共分六讲。第一讲水下信息网络概论第二讲水声信道传输特性第三讲水声通信网络物理层技术第四讲水声网络的多址接入第五讲水声网络路由第六讲水声通信网络仿真技术第二页，共46页。第一讲水下信息网络概论无线通信网络概述水下信息的传输水声通信网络的特点及应用前景网络分层协议体系及跨层设计水下信息网络的研究与发展第三页，共46页。无线通信网络概述有基础设施网无基础设施网无线通信系统网络结构蜂窝移动通信系统集群移动通信系统无线局域网无线ADhoc网蓝牙技术美国的PRNET无线传感器网举例

举例

第四页，共46页。有基础设施网

有基础设施网是对有线通信网的一种扩展，有线网被用作骨干网，连接到特殊的有线/无线转接点BS(BaseStataion),或接入点AP(AccessPoint)，统称为BS。

BS与有线骨干网相连并覆盖一个区域，负责协调覆盖区内的移动节点通过一个或多个传输信道接入网络。

传输信道包括：FDMA（某个频隙）、TDMA（某个时隙）、CDMA（某个码道）无线通信网络概述第五页，共46页。有基础设施网图通信网构成示意图

无线通信网络概述第六页，共46页。有基础设施网无线通信网络概述第七页，共46页。有基础设施网无线通信网络概述第八页，共46页。有基础设施网无线通信网络概述第九页，共46页。有基础设施网无线通信网络概述第十页，共46页。无基础设施网

无基础设施网也称为自组织网（自组网），由多个移动节点组成的多跳无线网络。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。无线通信网络概述第十一页，共46页。举例1：蜂窝移动通信系统无线通信网络概述第十二页，共46页。举例1：蜂窝移动通信系统移动终端和固定基站互相通信移动终端不具备路由功能基站负责路由和交换功能，基站充当接入有线网络的网关无线通信网络概述第十三页，共46页。举例1：蜂窝移动通信系统

----WLANWLAN移动节点配备无线网网卡移动节点通过接入点与固定网络连接WLAN工作在链路层，对网络层透明对网络层来说WLAN是一个单跳网络无线通信网络概述第十四页，共46页。举例2：移动Adhoc网络移动Adhoc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

adhoc:forthespecificpurposeonly无线通信网络概述第十五页，共46页。举例2：移动Adhoc网络无线通信网络概述自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点第十六页，共46页。举例2：移动Adhoc网络——特点具备移动通信网络和计算机网络的特点无中心网络的自组性网络拓扑动态变化自动最佳路由选择的多跳组网方式可扩展性好有限的无线传输带宽移动终端的自主性安全性差存在单向的无线信道生存时间短无线通信网络概述第十七页，共46页。无线通信网络概述举例2：移动Adhoc网络——特点无中心网络的自组性Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi第十八页，共46页。无线通信网络概述举例2：移动Adhoc网络——特点网络拓扑动态变化Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi第十九页，共46页。无线通信网络概述举例2：移动Adhoc网络——特点自动最佳路由选择最佳路由备选替换路由有线回传Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi第二十页，共46页。无线通信网络概述举例2：移动Adhoc网络——特点最佳路由备选替换路由有线回传Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi支持移动IP功能第二十一页，共46页。无线通信网络概述举例2：移动Adhoc网络——特点方便扩展Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi第二十二页，共46页。无线通信网络概述AdHoc网络与现有无线网络的区别

网络类型比较的内容现有无线网络AdHoc网络无线网络结构有中心，单跳无中心，多跳拓扑结构固定动态建立，灵活变化有无基础设施支持有无安全性和服务质量较好较差配置速度慢快生存时间长短路由选择和维护容易困难网络健壮性低高第二十三页，共46页。无线通信网络概述AdHoc网络与现有无线网络的区别

网络类型比较的内容现有无线网络AdHoc网络研究重点物理层和链路层协议的所有层中继设备基站和有线骨干网无线节点和无线骨干网中继节点的特点基站有多部收发信机，全双工方式通信，有专用硬件，易于实现全网同步无线节点通常只有一部收发信机，半双工方式工作，不易实现全网同步无线节点的控制管理有基站集中负责，无线节点必须先与基站通信，再通过基站与目的节点通信由无线节点本身负责，通常采用分布式方式第二十四页，共46页。水面舰艇与潜艇通信水下信息的传输第二十五页，共46页。潜艇之间通信水下信息的传输第二十六页，共46页。水面舰艇及潜艇与UUV通信水下信息的传输第二十七页，共46页。UUV与UUV的通信水下信息的传输第二十八页，共46页。蛙人之间的通信水下信息的传输第二十九页，共46页。水雷网络水下信息的传输第三十页，共46页。UUV网络水下信息的传输第三十一页，共46页。结论：水声通信网络多采用AdhocNetwork水下无预先布设的基础网络设施紧急情况科学考察/探险/军事战场可通过卫星进行连接

水声通信网络的特点3.水声通信网络的特点及应用前景第三十二页，共46页。

水声通信网络由军事应用提出，其研究成果可用于军事和民事。作战单元包括：士兵、战车、舰艇、潜艇、水下航行器、作战分队等军事应用：海、陆、空三军调配；侦查系统与指挥部之间的通信；指挥部与作战前沿的联系；作战单元之间的联络和配合。民事应用：潜水、和分布式水下工作等——常用；抗洪和水下打捞营救等——灾难；海洋执法、水下搜索等——恢复、执法行动水声通信网络的应用前景3.水声通信网络的特点及应用前景第三十三页，共46页。3.水声通信网络的特点及应用前景第三十四页，共46页。3.水声通信网络的特点及应用前景第三十五页，共46页。4.网络分层协议体系及跨层设计水声网络协议栈演化图以开放系统互联模型OSI（OpenSystemInterconnectionmodel）和TCP/IP模型的协议结构为基础，结合海洋环境的特点，水声网络被分为4层结构第三十六页，共46页。4.网络分层协议体系及跨层设计本次讲解主要从水声信道的特点、物理层、MAC数据链路层、路由层、几个方面进行讲解第三十七页，共46页。4.国内外研究现状20世纪70年代：美国国防部DARPA，移动分组无线网络(MobilePacketRadioNetwork)；20世纪80年代：美国国防部DARPA，抗毁可适应网络SURAN（SurvivableAdaptiveNetwork）；20世纪90年代：美国国防部DARPA，全球运动信息系统GloMo(GlobalInformationSystem)；90年代中期至今：随着一些技术的公开，Ad-hoc网络开始成为移动通信领域一个公开的研究热点。第三十八页，共46页。4.国内外研究现状由U.C.Berkeley研究的SmartDust传感器网络已于2000年完成，SmartDust由带有传感器和通信单元的微控制器组成，通信单元由无线电发射机、激光模块或角偶棱镜反射体来担当，传感器单元则分别可搭载温度、亮度、湿度、压力、3D磁力计、3D倾斜/震动传感器中的一种或多种。由麻省理工学院研究的μAMPS项目，计划对传感器网络开展研究，以获得令人满意的网络寿命，并在复杂情况下网络可以在无人干预的情况下实现传感器网的自组织、重配置和自适应。Adhocnetwork研究现状第三十九页，共46页。4.国内外研究现状美国海军研究实验室（NRL）于20世纪70年代末研制完成了短波自组织网络HF-ITF系统，该系统是采用调频方式组网的低速自组网。HF-ITF是根据海军潜艇舰队的要求设置的，工作在短波频段，采用ALOHA信道接入方式，用于把500km范围内的舰只、飞机、潜艇联成一体。

Adhocnetwork研究现状第四十页，共46页。4.国内外研究现状尚未见有关水声通信的自组织网络，但有关水声网络的研究计划及试验网络已有报道。美国海军试验性远程声纳和海洋网络计划组建的Seaweb2000的水声网络，利用了17个节点，工作水域为Massachusetts的BuzzardsBay湾；Seaweb2001布设了40个节点，工作水域为圣地亚哥海湾。有人估计通过2001年Seaweb试验后，水声网络有可能将信息传送至潜艇的屏幕上，目前正在研究将该网络技术用于海军的水下武器，以提高水下武器的作战效能。

水声Adhocnetwork研究现状第四十一页，共46页。5.国内外主要研究者目前，在国际上无线Ad-hoc网络方面研究较为活跃的几个研究机构有：

美国国家标准与技术研究所NIST下属的“WirelessCommunicationsTechnologiesGroup”(WCTG)；微软亚洲研究院无线网络组；加州大学洛杉矶分校MarioGerla教授所领导的“无线自适应移动性试验室”（TheWAN（WirelessAdaptiveMobility）Lab）；伊利诺基大学Urbana-Champaign分校NitinVaidaya教授所领导的Ad-hoc网络研究小组；康奈尔大学ZygmuntJ.Hass教授所领导的“无线网络试验室”（WirelessNetworksLaboratory）；第四十二页，共46页。马里兰大学SatishK.Hass教授所领导的“移动计算与多媒体实验室”（TheMobileComputingandMultimediaLaboratory(MCML)；加州大学圣克鲁兹分校J.J.Garcia-Luna-Aceves教授所领导的“计算机通信研究小组”（TheComputerCommunicationsResearchGroup