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水下无线传感器网络信道研究

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2011年第1O期 文章编号:1006-2475(2011)10-0120-03 计算机与现代化 JISUANJI YU XIANDAIHUA 总第194期 水下无线传感器网络信道研究 顾相平,金鹰 (淮阴工学院计算机工程学院,江苏淮安223003) 摘要:水下无线传感器网络通信信道是一种环境噪声高、传播时延长、误比特率高、多径干扰、多普勒效应严重的时、频、 空变复杂的随机信道。水下声信道的复杂性和多变性严重了水下声通信的性能。本文使用Marlab软件研究、仿真 分析了上述因素对水下无线传感器网络通信性能的影响,为更好地设计无线传感器网络信道模型、合理的水下无线传感 器网络拓扑结构以及低功耗、高性能的路由协议提供一定的参考依据。 关键词:无线传感器网络;水下声信道;传榆时延;多普勒效应 中图分类号:nI393 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1006-2475.2011.10.033 Research on、vireless Sensor Networks Channel in Underwater GU Xiang—ping,JIN Ying (School of Computer Engineering,Human Insittute of Technology,Huai’all 223003,China) Abstract:Underwater wireless sensor networks is a hjgh environment noise,large transmission dday,high bit error rate,multi・ path propagation,Doppler effect,time—frequency—space stochastic channe1.The complexity and variability of an underwater a. Coustic channel severely limit the performance of underwater acoustic communication.Using Matlab,the paper analyzes the influ- ence of these factors on the underwater wireless sensor network communication performance,and provides a reference basis for de. signing feasible channel model of underwater wireless sensor networks,underwater reasonable topology and low—power,high—per- formance routing protco1.o Key words:wireless sensor networks;underwater acoustic channel;transmission delay;Doppler effect 0 引 言 水下无线传感器网络有广泛的应用前景,如:海 洋资源探测与开发,水环境的污染监控,自然灾害预 也受限,因此研究水下无线传感器网络信道仿真模型 具有重大实际意义。Harris和Zomi提出使用NS2仿 真软件对水下无线声信道进行建模 J,主要包括物 理层、传输层、通信链路层和调制层四部分。但该模 警,辅助导航,水下视频图像传输及数字化海洋等。 因此,水下无线传感器网络逐渐成为无线传感器网络 领域研究热点…。然而,水声信道被认为是迄今为 止最为复杂的信道环境。水声信道是一个环境噪声 型并没有考虑水下信号传输时的衰减和多路径效应。 高、信道带宽窄、传输损耗大、多路径干扰严重的时、 频、空变随机信道。水声信道的复杂性及多变性严重 了水声通信性能。 水下无线传感器网络信道研究是设计和开发水 下高可靠性、低能耗的网络拓扑结构、路由协议的基 础,但是水下环境的物理实验系统成本高,实验环境 文献[3]中,Jesus Llor等人基于OPNET仿真工具分 析了不同水下场景的信道性能,与文献[2]相比,在 传播损耗方面做了改进。文献[4_7]中,给出了浅水 信道的确定特征和统计特征的仿真建模,如:相关函 数,Doppler功率谱密度,多路径时延等。 1 水下无线传感器网络信道模型 水下无线传感器网络信道是具有时、频、空变的 通信环境复杂的信道,很难用简单精确的数学模型表 收稿日期:2011-05—16 基金项目:江苏省苏北科技发展计划(BC2010443);淮安市产学研项目(HAC201019) 作者简介:顾相平(1983一),女,江苏淮安人,淮阴工学院计算机工程学院讲师,硕士,研究方向:无线传感器网络;金鹰 (1968一),女,江苏盐城人,教授,硕士,研究方向:嵌入式,无线传感器网络。 2011年第10期 顾相平等:水下无线传感器网络信道研究 121 示,大部分研究采用射线声学理论的射线模型来研 究。射线理论是波动理论的一种近似。在经典射线 声学中,对声场的描述是由射线来传递声能量的[4-5]。 它直观地描述了声能量在介质中的传播,将声波看作 是无数条垂直于等相位面的声线向外传播,其中每一 能量的吸收损失是构成衰减损失的最主要部分,通常 表现为海水介质吸收和界面介质(如海底)的吸收, 它是由于介质的粘滞、热传导以及其它弛豫过程引起 的衰减效应,实际上包含着声能转换成热能的过程。 与扩展损失一样,吸收损失也随距离变化,通常用吸 条声线都携带着发射信号的信息。声能量从生源出 发,在空间沿着声线按一定的规律到达接收点,接收 点收到的声能是所有达到的声能的叠加。根据射线 理论建立的水下无线传感器网络信道模型,如图1所 收系数仅(分贝/千米)来定量描述,其经验模型如下: (f是信号频率,单位是千赫): o.914{( + +2.75 10-4f2+o.03)(1) 示。其中,D表示直达路径声线,SS 是由发射端出 发,首次发射时经过海面,到达接收端前的最后一次 反射也是经过海面,总共经过了n次海面发射才到达 接收端的声线,SB 是由发射端出发,首次反射是经 过海面,到达接收端的最后一次反射经海底,总共经 过了r1次海底反射才到达接收端的声线,BS 是由发 射端出发,首次反射式经过海底,到达接收端前的最 后一次反射经海面,总共经过了n次海面反射才到达 接收端的最后一次反射经海面,总共经过了n次海面 反射才到达接收端的声线,BB 是由发射端出发,首 次反射经过海底,到达接收端前的最后一次反射也是 经过海底,总共经过n次海底反射才到达接收端的声 线。图1中只表示了直达声线和n=1的反射声线。 海面 图1 水下无线传感器网络射线声学模型 2水下无线传感器网络信道特征 2.1噪声 水下环境噪声主要来源于水下动力噪声,生物噪 声、交通噪声和工业噪声等 删是声波在水下传播主 要的背景干扰之一,不仅会造成信号波形失真,也会 大大降低信噪比。 2.2传输损耗 声信号从发送端向接收端传播过程中,信号能量 会发生损失。在水声学中,通常采用传播损失来概括 海洋中各种信号能耗效应 ¨。传播损失可以认为是 由于声能扩展和衰减所引起的损失之和。扩展损失 是声信号从声源向外传播时声强有规律减弱的几何 效应。衰减损失则包括吸收、散射和声能泄漏。声 2.3多径效应 多径传播¨ 的原因是声线弯曲、海底海面的反 射,以及海水中随机分布的杂乱体的散射。声波通过 不同路径传播,到达接收端的声波能量和时间也不相 同,信道呈现选择性衰落特性,使得信号的持续时间和 频带被展宽,从而造成信号畸变。 2.4 Doppler效应 由Doppler频移现象引起的衰落过程的频率扩 散称为多普勒扩展,又称为时间选择性衰落。发送端 与接收端的运动是产生多普勒频移的主要原因。水 下无线传感器网络声通信与陆地无线通信相比,其多 普勒频移现象明显,将造成接收端的码问串扰,导致 较高的误比特率。所以,必须在码元之间设置一定的 码元间隔,这也降低了发送端的信息发送速率,降低 了网络性能。 3仿真结果评价 3.1 Rayleigh衰减 图2功率谱密度 Rayleigh信道是典型的多径效应衰减水下无线 传感器网络环境中经常使用的特征建模方法 。图 2表示Rayleigh信道中功率谱密度曲线图。仿真中 设置的最大多普勒频率为0.02Hz,信道传输一个 计算机与现代化 2011年第10期 symbol的时间为lOs,传输lO000bit symbol。从图2 可以看出,功率谱密度主要集中在[-0.02Hz,+0.02 Hz]之间,是因为多普勒频率为0.02Hz的原因。 3.2误比特率¨ 副 Rayleigh信道中,采用BPSK和同步检测解调, AWGN和Rayleigh信道中的误比特率BER仿真曲线对 比关系如图3所示。 AWGN是增加了高斯白噪声的信道模型,Rayleigh 信道中的BER相对较大,一般情况下,水下无线传感 器网络的误比特率较高,约为1O 个数量级。随着Eb/ No的减小,误码率逐渐增大,当Eb/No,减小到一定程 度时,误码率急剧增加,使得接收端无法正常接收数据 信息。若要增加工作频率和发射功率在一定程度上可 以减小误码率,但较小的工作频率可以增加传输距离, 也严重影响了水下无线传感器网络的带宽,因此,设计 高可靠性的水下无线传感网络信道模型时,需要在 Eb/No、工作频率、传输距离、带宽等方面做到一个很 好的平衡。 BER for BpSl(modulation in Rayleigh channel 图3 AWGN和Rayleigh的BER关系图 3.3时延与多普勒效应 水下声信道与陆地上的无线电信道最大的区别在 于较长的传播时延,其传播时延的大小与水下声速密 切相关。水下声信道中,平均声速较低,使得声信号传 输产生很大时延,极大降低了水下无线传感器网络的 吞吐量。图4左上角的子图表示经过20条路径时延 与接收信号幅度之间的关系;当不存在多普勒效应时, 接收信号的波形如图4中右上角子图所示,图4右下 角的子图表示存在多普勒频移时,接收端信号波形会 产生畸变。图5表示多普勒频移因子与时问的关系。 仿真中f :0.01,0.005,0.1,0.5Hz。接收信号的变化 率与多普勒频移因子存在一定的比例关系,多普勒频 移因子越大,信号的变化速度更快。图5中左上角子 图的fD=0.01Hz,在t=0~60s范围内,变化很缓慢,当 f。=0.5Hz时,信号的变化速度急剧增加,导致在接收 端接收的信号存在较大的干扰,严重影响水下无线传 感器网络性能。因此,在设计水下无线传感器网络信 道时,需要综合考虑多径时延、多普勒频移等多种因素 的影响 0=aJ 苫 . 4 2 0 2 4 0 5 0 5 0 《 图5多普勒频移因子与时间的关系图 4 结束语 水下无线传感器网络是传感器网络研究的一个 新领域,开发和设计实际的水下无线传感器网络成本 高、部署困难,绝大多数研究还处于实验、仿真阶段, 因此,本文研究了水下声信道的射线声学模型,噪声、 多径干扰、多普勒效应等不同因素对水下声信道性能 的影响,针对传输衰减、误比特率、时延、多普勒效应 等多种因素给出了水下无线传感器网络的Matlab仿 真结果以及性能评价。下一步的主要工作是以这些 研究为基础设计高性能、高可靠性的水下无线传感器 网络信道模型。 (下转第125页) 2011年第10期 王俊等:全业务预处理系统与iTv管理平台的接口设计与实现 l25 间判断此流文件和theNewFile文件哪个是最新,将最新的文 件名赋给theNewFile 3 结束语 {stirng[]strl=recordFile.ToString().SpliT( 一 ); 以上接口已在实际系统中应用并通过验收,其采 stirng[]str2=theNewFile.ToString().SphT( - ); 集数据准确完整,运行稳定,各项性能指标均达到了 if(strl[2].Substring(0,13).CompareTo(str2[2].Sub— 设计要求。 stirng(0,13))>0) theNewFile=recordFile;} 参考文献: f0r(int j=0;j<fileList.Length一1;j++) [1]王石.精通Visual c#2005[M].北京:人民邮电出版社, {stirng[]strl=theNewFile.ToString().SpliT( 一,); 20o7. stirng[]str2=fileList[j].ToString().Split( - );//最后通 [2] 周世雄,等..NET经典范例教程[M].北京:清华大学出 过时间将theNewFile和fileList[j]做比较,将最新的文件名加 版社,2004. 入到newFileLis文件列表中 [3]Tom Archer,Andrew WhiTechape1.c#技术揭秘[M].北 if(strl[2].ToString().Substring(0,13).CompareTo(str2 京:机械工业出版社,2003. [2].ToString().Substring(0,13))<0) [4]阎迅.ADSL宽带自动测试系统设计与实现[D].广州: newFileList.Add(fileList[j].ToString());} 华南理工大学,2006. retum newFileList;} [5] 阮晓凌.基于.NET平台的电信ADSL工单系统的设计 (3)因为下载到本地的错误日志数据是文本形 与实现[D].成都:四川大学,2006. 式,而数据库中的数据是按字段存储的,所以要将数 [6] 中国电信(集团)公司.基于固定电话网的信息终端及 据按字段以逗号为分界规范,logMes()方法实现了将 综合信息系统技术规范[z].2004. [7] 张保军.浅谈ADSL宽带网常见故障及分析[J].电脑知 文本流数据按字段规范,部分代码如下: 识与技术,2008(21):432433. logMes(stirng logs) [8]易军.ADSL在线测试技术及应用[D].北京:北京工业 {intj=O;stirng[]str=logs.SpliT( , ); 大学,2007. [9] 陈佳佳,钱婕,陈中育.基于.NET平台的信息系统开发 f0r(int i=0;i<logs.Length;i++) 方法[J].计算机与现代化,2009(4):71_74. {if(1ogs.Substring(i,1)=”, ) [1O]微软公司.ADO.NET数据库访问技术[M].北京:高等 {J=j+1;z=j;} 教育出版社,2007. swiTch(z){case 1:Time=logs.Substring(X,i-x).._・ [11]Christian Nagel,Bill Evien,Jay Glynn.C#高级编程(第6 case 2:UserName=logs.Substring(x+1,i-x-1);… 版)[M].北京:清华大学出版社,2008. case 3:inorout=logs.Substring(X+1,i-x-1);…} [12]中国电信集团.ADSL自动测试技术要求[Z].2003. 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