李丹

（欽州學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣西 欽州 535000）

Li Dan

（School of Math and Computer Science,Qinzhou University,Qinzhou 533000,Guangxi）

Aqua-Sim水聲信道仿真平臺(tái)擴(kuò)展研究

李丹

（欽州學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣西 欽州 535000）

水聲信道計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)作為海洋網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵部分已受到廣泛關(guān)注。由于水聲信道具有復(fù)雜多變的特性，水聲信道的普適性計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)研究具有一定難度。本文針對(duì)現(xiàn)有水聲信道仿真研究存在的問題，對(duì)Aqua-Sim水聲信道仿真平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)。將海水溫度、鹽度、緯度和深度等海域環(huán)境特征作為仿真平臺(tái)水下聲速和背景噪聲計(jì)算參數(shù)，在仿真實(shí)驗(yàn)搭建過程中通過動(dòng)態(tài)參數(shù)接口靈活搭建符合實(shí)驗(yàn)要求的仿真環(huán)境。仿真實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)后的Aqua-Sim平臺(tái)仿真效果更加逼近實(shí)際海水信道環(huán)境。

水聲信道；海洋網(wǎng)絡(luò)；水下聲速；背景噪聲；Aqua-Sim

1．引言

隨著海洋信息化的不斷發(fā)展，海洋網(wǎng)絡(luò)近年來受到了廣泛關(guān)注。海洋水聲信道通信作為一種解決海洋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問題的關(guān)鍵技術(shù)[1，2]，已成為國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。海洋水聲信道通信技術(shù)研究除了在理論上分析和證明外，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明，才能對(duì)其研究做出適當(dāng)?shù)脑u(píng)估。NS2(Network Simulator version2)[3]是美國(guó)加州大學(xué)LNBL網(wǎng)絡(luò)研究組于1989年開發(fā)的開放性網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，可根據(jù)使用者的需要不斷完善，已成為目前學(xué)術(shù)界廣泛使用的一種網(wǎng)絡(luò)模擬平臺(tái)。

與無線信道相比，海洋水聲信道具有強(qiáng)噪聲、高延遲和低帶寬等特點(diǎn)，其復(fù)雜多變的環(huán)境造成信號(hào)能量不同程度的衰減。因此海洋水聲信道的NS2模擬仿真更加復(fù)雜，這給水聲信道通信技術(shù)的研究帶來一定困難。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋水聲信道計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)的研究還相對(duì)較少[4-6]?？的腋翊髮W(xué)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室在文獻(xiàn)[4]中完整地描述了基于NS2的水聲信道仿真程序Aqua-Sim的實(shí)現(xiàn)過程，但是其忽略了海水環(huán)境影響因素對(duì)信道性能的影響。Aqua-Sim將聲速固定為1500m/s，這影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[5]在NS2中引入簡(jiǎn)化后的聲速和背景噪聲模型，其程序?qū)崿F(xiàn)基本與文獻(xiàn)[4]相同，但文獻(xiàn)[4]延續(xù)NS2的程序風(fēng)格，更易于擴(kuò)展。文獻(xiàn)[6]對(duì)OPNET的無線信道仿真模塊進(jìn)行參數(shù)和功能調(diào)整以實(shí)現(xiàn)水聲多途信道的仿真，但是沒有考慮水下環(huán)境的復(fù)雜多變，其仿真效果不理想。海水環(huán)境隨著海水溫度、鹽度、深度等因素的變化，對(duì)水聲信道聲速和背景噪聲的影響會(huì)有所不同。已有水聲信道仿真平臺(tái)沒有提供環(huán)境參數(shù)的設(shè)置接口，影響海洋水聲通信技術(shù)研究的準(zhǔn)確性，不利于仿真平臺(tái)的推廣。

水聲信道的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)對(duì)海洋水聲通信技術(shù)的研究有重要意義，但現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)研究尚不完善，阻礙了水聲信道通信技術(shù)的發(fā)展。在為數(shù)不多的仿真平臺(tái)研究中，文獻(xiàn)[4]提出的Aqua-Sim作為NS2水聲網(wǎng)絡(luò)通信程序模塊，具有層次清晰，結(jié)構(gòu)合理的優(yōu)點(diǎn)，易于擴(kuò)展和完善。但是Aqua-Sim沒有考慮海水環(huán)境的不同造成水聲信道性能差異的特點(diǎn)，因此無法根據(jù)實(shí)際應(yīng)用提供符合實(shí)際環(huán)境的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為解決Aqua-Sim存在的問題，本文在Aqua-Sim中引入Del Grosso海水聲速公式[7]和Coates海洋背景噪聲模型[8]，配合信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)以控制分組傳播仿真，再通過OTCL腳本動(dòng)態(tài)配置海水環(huán)境參數(shù)，靈活地根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整模型計(jì)算結(jié)果，使其仿真效果更加逼近實(shí)際海水環(huán)境。

2．Aqua-Sim仿真平臺(tái)的擴(kuò)展

Aqua-Sim是NS2用于實(shí)現(xiàn)水聲信道通信仿真的一個(gè)獨(dú)立程序模塊。Aqua-Sim獨(dú)立于NS2其他模擬程序模塊，可以不斷擴(kuò)展和完善。Aqua-Sim延續(xù)NS2面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)風(fēng)格，所有網(wǎng)絡(luò)實(shí)體都以C++類的形式實(shí)現(xiàn)，可通過OTCL腳本建立仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。本文針對(duì)Aqua-Sim的信道通信模塊中存在的問題加以改進(jìn)。

2．1 Aqua-Sim基本結(jié)構(gòu)

Aqua-Sim將水聲信道通信仿真分為四個(gè)子模塊，其組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。模塊uw_common主要定義水聲節(jié)點(diǎn)和水聲數(shù)據(jù)通信類型；模塊uw_routing主要定義水聲通信路由協(xié)議；模塊uw_mac主要定義各類MAC協(xié)議和水聲信道通信類；模塊uw_tcl主要定義各類OTCL演示腳本。

Aqua-Sim的通信仿真原理與NS2無線模塊相似，如圖2所示。節(jié)點(diǎn)A將分組交給自身路由協(xié)議對(duì)象和MAC協(xié)議對(duì)象封裝后，將分組傳給自身UnderwaterPhy物理層對(duì)象，再傳給全網(wǎng)唯一的UnderwaterChannel對(duì)象，最后被放入全網(wǎng)唯一的FIFO(First In First Out)隊(duì)列中。UnderwaterChannel對(duì)象計(jì)算該分組的傳播延遲，等系統(tǒng)時(shí)間一到就將分組傳遞給節(jié)點(diǎn)B的UnderwaterPhy對(duì)象，再由節(jié)點(diǎn)B的MAC協(xié)議對(duì)象和路由協(xié)議對(duì)象解封裝。

圖1 Aqua-Sim組織結(jié)構(gòu)

圖2 Aqua-Sim通信原理

Aqua-Sim在UnderwaterChannel對(duì)象中，通過“距離/固定聲速”簡(jiǎn)單地計(jì)算分組的網(wǎng)絡(luò)延遲；將分組放入FIFO隊(duì)列時(shí)也沒有判斷信道衰減是否會(huì)影響分組的正確接收。因此本文主要修改UnderwaterChannel對(duì)象，以改善Aqua-Sim的水聲信道仿真效果，提高其準(zhǔn)確性。

2．2 環(huán)境參數(shù)設(shè)置

為了便于在OTCL腳本中根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置仿真環(huán)境，本文在Aqua-Sim中加入海水溫度、鹽度、緯度和深度，航運(yùn)密度，風(fēng)速，SNR閾值共7個(gè)變量，為仿真過程聲速和背景噪聲計(jì)算提供參數(shù)。具體修改過程如下：

(1)在uw_macunderwaterchannel．h中加入海洋環(huán)境參數(shù)變量的定義，關(guān)鍵代碼如下：

protected：

double Temperature_；//海水溫度

double Salinity_；//海水鹽度

double Latitude_；//海域緯度

double Depth_；//海水深度

double Wind_；//風(fēng)速

double Ship_；//航運(yùn)密度

double SNR_limit_；//SNR閾值(2)在uw_macunderwaterchannel．cc中加入7個(gè)環(huán)境參數(shù)的綁定，關(guān)鍵代碼如下：

bind("Temperature_"，&Temperature_)；

……

bind("SNR_limit_"，&SNR_limit_)；(3)修改ns-default．tcl，加入海洋環(huán)境參數(shù)的全局定義和初始值，建立C++程序和OTCL腳本的關(guān)聯(lián)，關(guān)鍵代碼如下：

Channel/UnderwaterChannel set Temperature_0

……

Channel/UnderwaterChannel set SNR_limit_0

2．3 水下聲速計(jì)算

除了通過水聲設(shè)備直接測(cè)量以獲取海水聲速外，可以間接地用海水溫度、鹽度和壓力來計(jì)算海水聲速[9]。文獻(xiàn)[9，10]都認(rèn)為Del Grosso公式對(duì)海水聲速計(jì)算結(jié)果最優(yōu)，至今未見文獻(xiàn)對(duì)Del Grosso公式提出質(zhì)疑。Del Grosso公式如式(1)所示，其中c表示聲速，單位為m/s；T表示溫度，單位為℃；L表示鹽度，單位為ppt；P表示壓力，單位為Pa；e是超越數(shù)，本文取值為2.7183。

文獻(xiàn)[10]指出Del Grosso公式含有19項(xiàng)，由于公式復(fù)雜性較高，許多海水聲速模型研究都采用其他簡(jiǎn)化公式代替。但是在計(jì)算機(jī)仿真過程中無需考慮公式復(fù)雜性問題，因此本文將Del Grosso公式作為仿真平臺(tái)海水聲速計(jì)算模型基礎(chǔ)。

式(1)的P可以表示為海域緯度和水下深度的一個(gè)函數(shù)，如式(2)所示，其中φ表示海域緯度，單位為°；D表示水下深度，單位為km。在環(huán)境參數(shù)的獲取過程中，緯度和深度相對(duì)壓力來說更易獲取，因此本文將式(2)代入式(1)，作為水下聲速模型求解公式。

在uw_macunderwaterchannel．h中加入聲速計(jì)算方法int setSpeed()的預(yù)定義，并在uw_macunderwaterchannel．cc中加入該方法的具體實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵代碼如下：

int UnderwaterChannel：：setSpeed(){

……

//若OTCL中沒有設(shè)置參數(shù)，則使用默認(rèn)聲速1500m/s

if(Temperature_==0||Salinity_==0||Latitude_==0||Depth_= =0)

Speed_=SPEED_OF_SOUND_IN_WATER；

else

Speed_=……；//根據(jù)式(2)代入式(1)所得公式，用C++代碼描述

……}

2．4 背景噪聲計(jì)算

能夠被接收節(jié)點(diǎn)正確接收的數(shù)據(jù)，其被接收時(shí)的信噪比至少要等于接收節(jié)點(diǎn)的SNR閾值[11]。SNR越大，則表示信號(hào)強(qiáng)度越大或者受到的干擾越小[12]。因此，可以通過計(jì)算信號(hào)到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)處的SNR以判斷是否能夠被正確接收。SNR的計(jì)算公式如式(3)所示，其中，Ps表示信號(hào)發(fā)送功率，單位為W；Gsr表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)間的信道增益；∑i≠sPiGir表示鄰居節(jié)點(diǎn)的信號(hào)干擾；N表示水聲信道背景噪聲。

Coates在文獻(xiàn)[8]中將水聲信道背景噪聲簡(jiǎn)化為水流噪聲、船只或生物噪聲、海風(fēng)噪聲和熱噪聲。令f表示信號(hào)頻率，s表示水域航運(yùn)密度，w表示風(fēng)速，則由水流引起的噪聲可表示為：

由船只引起的噪聲可表示為：

由海風(fēng)引起的噪聲可表示為：

水聲信道熱噪聲可表示為：

綜合式(4)、(5)、(6)和(7)，可將水聲信道背景噪聲表示為：

本文將式(8)代入式(3)以模擬不同海域環(huán)境背景噪聲對(duì)信號(hào)接收造成的影響。在uw_macunderwaterchannel．h中加入聲速計(jì)算方法int setSNR()的預(yù)定義，并在uw_macunderwaterchannel．cc中加入該方法的具體實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵代碼如下：

int UnderwaterChannel：：setSNR(){

……

if(Wind_!=0&&Ship_!=0)

SNR_=……；//將式(8)代入式(3)，在用C++代碼表達(dá)以計(jì)算SNR

else

SNR_=INFINITE；

……}

uw_macunderwaterchannel.cc的double get_pdelay(Node* tnode，Node*rnode)方法實(shí)現(xiàn)分組延遲的計(jì)算。為了表示SNR對(duì)分組接收的影響，需對(duì)其進(jìn)行修改，關(guān)鍵代碼如下：

propdelay=tmnode-＞propdelay(rmnode)/Speed_；//根據(jù)Speed_值來計(jì)算延遲

if(SNR_!=INFINITE&&SNR_＜SNR_limit_)

propdelay=INFINITE；//將延遲定義為無窮大}

uw_macunderwaterchannel．cc的void sendUp(Packet* p，Phy*tifp)方法負(fù)責(zé)將分組放入FIFO隊(duì)列。為了在分組進(jìn)入FIFO隊(duì)列時(shí)，判斷其是否因無法被接收節(jié)點(diǎn)正確接收而丟棄，需對(duì)其進(jìn)行修改，關(guān)鍵代碼如下：

if(propdelay==INFINITE)

return null；

為了使修改后的代碼生效，需要重新編譯underwaterchannel.cc文件以生成新的underwaterchannel.o文件。

3．仿真與分析

在Aqua-Sim中分別建立四組實(shí)驗(yàn)，其中MAC層統(tǒng)一使用RMAC協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層統(tǒng)一使用Aqua-Sim自帶的Vectorbasedforward協(xié)議。第一組實(shí)驗(yàn)是Aqua-Sim原程序?qū)嶒?yàn)，標(biāo)記為Sim(default)；第二組實(shí)驗(yàn)是在海水溫度20℃、鹽度30ppt、緯度25°、深度0.5km、航運(yùn)密度1和風(fēng)速5m/s環(huán)境下的改進(jìn)后程序?qū)嶒?yàn)，標(biāo)記為Sim(20，30，25，0.5，1，5)；第三組實(shí)驗(yàn)是在海水溫度15℃、鹽度25ppt、緯度30°、深度1km、航運(yùn)密度1和風(fēng)速8m/s環(huán)境下的改進(jìn)后程序?qū)嶒?yàn)，標(biāo)記為Sim (15，25，30，1，1，8)；第四組實(shí)驗(yàn)是在海水溫度10℃、鹽度20ppt、緯度35°、深度1.5km、航運(yùn)密度1和風(fēng)速10m/s環(huán)境下的改進(jìn)后程序?qū)嶒?yàn)，標(biāo)記為Sim(10，20，35，1.5，1，10)。每組實(shí)驗(yàn)分別仿真運(yùn)行30次。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖3為四組實(shí)驗(yàn)的平均網(wǎng)絡(luò)延遲變化曲線。聲波在海水中的傳播速度與溫度、鹽度和壓力成正比，其中溫度的影響最為顯著。隨著深度的增加，海水的溫度和鹽度隨之降低，航運(yùn)密度和風(fēng)速對(duì)水聲信道的影響不斷減弱。由圖3所示，Sim (10，20，35，1.5，1，10)延遲相對(duì)較高，而Sim(default)延遲相對(duì)較低。由于Sim(10，20，35，1.5，1，10)的溫度最低，因此該組實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)際聲速最慢，完全符合聲速在海水中的變化規(guī)律。Sim(default)的聲速固定為1500m/s，高于其他三組實(shí)驗(yàn)的聲速，并且沒有背景噪聲模型的影響，所以其延遲最小。

圖3 平均網(wǎng)絡(luò)延遲變化曲線

圖4為四組實(shí)驗(yàn)的平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化曲線。由圖4所示，Sim(Default)的吞吐量最優(yōu)，這是因?yàn)樵跊]有加入背景噪聲模型的同時(shí)，聲速設(shè)為1500m/s，其整個(gè)環(huán)境相對(duì)較為理想；Sim(10，20，35，1.5，1，10)的吞吐量抖動(dòng)最小，這符合深海和低溫環(huán)境下信道相對(duì)穩(wěn)定的特征；Sim(20，30，25，0.5，1，5)的吞吐量最小，這符合淺海和高溫環(huán)境下信道背景噪聲強(qiáng)烈的特性。

圖4 平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化曲線

圖5為四組實(shí)驗(yàn)的平均網(wǎng)絡(luò)丟包率變化曲線。由圖5所示，Sim(10，20，35，1.5，1，10)的網(wǎng)絡(luò)丟包率相對(duì)穩(wěn)定，這符合深海和低溫環(huán)境下信道相對(duì)穩(wěn)定的特征；Sim(20，30，25，0.5，1，5)的網(wǎng)絡(luò)丟包率抖動(dòng)較大，這符合淺海和高溫環(huán)境下信道背景噪聲強(qiáng)烈的特性。

通過四組不同海水信道環(huán)境性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了改進(jìn)后的Aqua-Sim能夠建立更逼近實(shí)際環(huán)境的仿真環(huán)境，提高仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖5 平均網(wǎng)絡(luò)丟包率變化曲線

4．結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有海洋水聲信道NS2仿真研究存在的問題，本文對(duì)Aqua-Sim進(jìn)行改進(jìn)，加入環(huán)境參數(shù)設(shè)定和動(dòng)態(tài)聲速、背景噪聲計(jì)算模型。改進(jìn)后的仿真平臺(tái)能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，對(duì)海水溫度、鹽度、緯度、深度、航運(yùn)密度和風(fēng)速參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并動(dòng)態(tài)計(jì)算相應(yīng)的聲速和背景噪聲，以此提高Aqua-Sim仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果表明改進(jìn)后的Aqua-Sim仿真平臺(tái)對(duì)于不同海水環(huán)境下的水聲信道模擬更加逼近實(shí)際，效果更好。

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Study on the Extension of UnderwaterAcoustic Channel withAqua-Sim

tract】 The simulator of underwater acoustic channel is one of the most important technologies to ocean network study and has been received extensive attention.Underwater acoustic channel is too complex and volatile to implement the computer simulator.For issues of existing studies on models and simulations of underwater acoustic channel,a modified simulator with Aqua-Sim is proposed.In order to build satisfactory experimental environments,the seawater characteristics,such as temperature,salinity,latitude,depth and so on,are set with the user interface,and are used as parameters for formulas of sound velocity and background noise.The simulation experiment shows that the effect of improvedAqua-Sim is closer to the actual seawater.

words】 underwater acoustic channel;ocean network;underwater sound velocity;background noise;Aqua-Sim

Li Dan

（School of Math and Computer Science,Qinzhou University,Qinzhou 533000,Guangxi）

李丹，女，廣西柳州人，碩士，助教，研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)性能研究，海洋網(wǎng)絡(luò)水聲信道研究。

欽州學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2014XJKY-26B。