劉奇佩 ,劉 琨 ,羅逸豪 ,吳鑫瑩 ,周河宇

(1.中國船舶集團有限公司 第710 研究所,湖北 宜昌,443003;2.國家計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心 黑龍江分中心,黑龍江 哈爾濱,150001;3.華東理工大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計與傳媒學(xué)院,上海,200030)

0 引言

水聲網(wǎng)絡(luò)(underwater acoustic networks,UANs)可以用于海洋資源探索、輔助導(dǎo)航、自然災(zāi)害預(yù)警以及海域監(jiān)控等多個領(lǐng)域[1-5],在軍事和民用方面表現(xiàn)出巨大潛力,近年來受到各國研究人員的廣泛關(guān)注。UANs 底層協(xié)議的設(shè)計關(guān)乎整個網(wǎng)絡(luò)的性能,而水聲信道的特性又是UANs 不同于其他形式傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵,因此,一個接近真實情況的水聲信道模型(underwater acoustic channel model,UACM)對于UANs 協(xié)議的開發(fā)極為關(guān)鍵,能夠具備理論UACM 難以做到的對于多徑效應(yīng)、聲影區(qū)等的仿真,從而使UANs 協(xié)議的前期開發(fā)更加準(zhǔn)確快捷。

針對UACM 的真實建模問題,國外機構(gòu)開發(fā)了Bellhop 水聲信道模型[6],利用射線聲學(xué)追蹤水聲信號在不同水域條件下的每條聲線,進而計算出更為真實的信道參數(shù)。但不足是該模型自成體系,只提供了若干可執(zhí)行文件供用戶使用,無法直接用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,限制了其在UANs仿真中的應(yīng)用。

基于上述問題,文中研究了Bellhop 水聲信道模型在UANs 仿真中的實現(xiàn)和應(yīng)用,通過配置Bellhop 信道參數(shù)、解析Bellhop 中間文件、定制UACM 接口等操作,成功擴展了NS3 水聲信道模塊[7],取得了較為精準(zhǔn)的結(jié)果。

1 相關(guān)研究

1.1 NS3 水聲網(wǎng)絡(luò)框架

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)主要利用數(shù)學(xué)建模的方法來模擬網(wǎng)絡(luò)行為,通過對網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計和分析來衡量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在特定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的性能表現(xiàn),其高效、靈活、低成本和快捷性成為協(xié)議開發(fā)的重要手段。

得益于技術(shù)發(fā)展,近年來可用于UANs 的仿真工具層出不窮,其中一個較為突出的便是NS3,該工具以C++編寫和開源的特性廣受研究人員青睞。NS3 是一個面向?qū)ο蟮碾x散事件網(wǎng)絡(luò)仿真工具,在運行時,其時間線并不以現(xiàn)實時間為準(zhǔn),而是提前將所有事件按時間順序存儲在一個事件隊列中,在一個事件執(zhí)行完畢后直接跳轉(zhuǎn)到下一個事件,因此執(zhí)行效率取決于協(xié)議的復(fù)雜程度。NS3雖然開源,但有一個穩(wěn)定的官方團隊不斷對軟件進行管理和升級,同時還有著龐大的社區(qū)不斷貢獻開發(fā)者的代碼。到目前為止,已具備多達數(shù)十個功能模塊,涵蓋了Internet、802.11 及WiMAX等主流研究方向。

除此之外,NS3 還提供了一個專用于UANs 仿真的工具包uan,具備對水聲網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和多路訪問控制(multiple access control,MAC)協(xié)議的仿真能力,其數(shù)據(jù)包的基本流向如圖1 所示。

圖1 uan 框架和數(shù)據(jù)流向Fig.1 Framework and data flow direction of the uan

該UACM 能夠設(shè)置噪聲模型和傳播模型,進而通過計算節(jié)點間的距離求得數(shù)據(jù)包在目的節(jié)點的接收信噪比,再求得丟包概率?？梢钥闯?在上述過程中數(shù)據(jù)包的投遞是廣播的,符合水聲信道的無線特性,但其他過程使用了理論模型,無法有效針對節(jié)點的部署位置和海洋環(huán)境的時-空變化進行精準(zhǔn)分析,限制了其用于實際環(huán)境仿真時的精確度。

1.2 解決方案探索

針對上述問題,國內(nèi)外學(xué)者進行了不同方面的技術(shù)探索。李莉等[8]研究了將世界海洋仿真系統(tǒng)(world ocean simulation system,WOSS)[9]與NS-Miracle 進行結(jié)合的擴展UACM,能夠在網(wǎng)絡(luò)仿真中考慮真實海洋環(huán)境,實現(xiàn)了較為精準(zhǔn)的信道建模。WOSS 是一個由帕多瓦大學(xué)SIGNET 實驗室推出的海洋環(huán)境模擬系統(tǒng),收集了世界各地海洋包括聲速剖面、等深線剖面和海底沉積物類型等具體參數(shù),并使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行封裝,用戶可以使用官方提供的接口獲得較為精準(zhǔn)的水聲信號衰減、功率延遲分布和時延,進而將其用于水聲信道建模。然 而,NS-Miracle 是一個基于NS2 的擴展版本,已有20 年歷史且早已不再更新,使用OTcl 和C++進行編程的特點也使得其門檻較高,不利于學(xué)習(xí)和使用。此外,WOSS 的數(shù)據(jù)庫大小接近4G,其配置和使用為用戶來帶來較大不便,且需不斷進行調(diào)試,嚴重阻礙了協(xié)議開發(fā)進程。蘇毅珊[10]和Zeng[11]等另辟蹊徑,從半實物仿真的角度入手,嘗試將仿真平臺接入真實水聲信道,利用波形級調(diào)制解調(diào)算法計算聲信號在水下環(huán)境中的傳播時延和誤碼情況,進而對UANs 協(xié)議進行衡量和改進,開創(chuàng)了一條新思路。但該方法只能用于實驗室測量,小范圍的水池和水箱環(huán)境無法模擬出海洋對水聲信號的復(fù)雜作用,且實現(xiàn)起來網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限,無法適應(yīng)日益增長的大規(guī)模UANs 仿真需求。

考慮到上述方案的局限性,文中設(shè)計并開發(fā)了一個基于Bellhop 的NS3 水聲信道模型,通過用戶根據(jù)需求自定義聲速剖面和海底、海面類型,然后調(diào)用Bellhop 模型生成聲線文件并存入數(shù)據(jù)庫,再通過信道模型根據(jù)目的節(jié)點的位置查詢相關(guān)衰減和時延信息,最終根據(jù)數(shù)據(jù)包的接收信噪比決定是否進行丟包。

該方案優(yōu)勢為: 1) 可完全兼容NS3 原有框架,兼顧了模型精確度與協(xié)議開發(fā)效率;2) 提供了詳細的設(shè)計思路和算法流程,方便進行移植開發(fā)。

2 Bellhop 模型在NS3 水聲網(wǎng)絡(luò)仿真中的實現(xiàn)

2.1 Bellhop 水聲傳播模型

在水聲信道和水下聲場的計算和仿真中,Bellhop 是一個常用工具,可以用來預(yù)測海洋環(huán)境中的聲壓場[12]。Bellhop 利用射線理論計算聲線在海洋環(huán)境中的傳播行為[13],以獲得聲信號的本征聲線和傳播損失等實用數(shù)據(jù),其基本原理是,圍繞聲源中心射線構(gòu)建的波束具有以下聲壓場表達式

式中:s為沿中心射線的弧長;n為鄰域接收位置到中心射線的法向距離;ω為聲信號角頻率;τ (s)為聲信號相位延遲。

對于具有高斯形態(tài)的波束,A(s)和 ?(s,n)可 表示為

式中:A0為常數(shù),與聲源類型相關(guān);p(s)和q(s)分別為由高斯波束束寬和曲率導(dǎo)出的復(fù)弧長及其相對變化。

基于高斯射線理論的波束傳播衰減情況如圖2 所示。

圖2 基于高斯射線理論的波束傳播衰減Fig.2 Transmission loss for a geometric Gaussian beam

使用時,Bellhop 會綜合考慮聲速剖面、海底地貌以及聲線在海洋界面中的反射和折射情況,計算得到較為精準(zhǔn)的傳播損失和功率延遲分布信息,其運行流程如圖3 所示。

圖3 Bellhop 使用流程Fig.3 User flow of the Bellhop model

Bellhop 的輸出文件主要有聲線追蹤文件、傳播損失文件及聲線延遲和幅度文件3 類,分別通過在環(huán)境文件中指定不同的仿真類型獲得。其中,聲線追蹤文件記錄了從聲源能夠抵達目的位置的所有本征聲線傳播路徑;傳播損失文件記錄了聲信號在觀測區(qū)域內(nèi)的衰減;聲線延遲和幅度文件記錄了聲線到達觀測區(qū)域各個位置的延遲、幅值及相位等信息。

2.2 基于Bellhop 的NS3 UACM

可以看出,Bellhop 產(chǎn)生的聲線延遲和幅度文件包含了進行網(wǎng)絡(luò)仿真時信道模型需要的所有信息,如信號的時延、衰減以及功率延遲分布信息,這些信息有些可直接獲得,有些則需要進行簡單處理。文中設(shè)計并開發(fā)的基于Bellhop 的UACM主要流程如圖4 所示。

圖4 基于Bellhop 的UACM 流程圖Fig.4 Flow chart of the UACM based on Bellhop

具體步驟如下。

1) 根據(jù)需求配置Bellhop 環(huán)境文件*.env。

當(dāng)該文件包含聲速剖面、海底/海面反射系數(shù)、波束指向性以及運行類型等信息時,只需提供該文件即可運行Bellhop 內(nèi)核。如果模擬的環(huán)境具有較復(fù)雜的聲速剖面和海底深度,則可以分別提供,這一點與Bellhop 正常使用無異。

需要注意的是,在環(huán)境文件中還指定了聲場區(qū)域大小和分辨率,通過設(shè)置聲源和觀測點的數(shù)量以及分布來確定,它們共同構(gòu)成一個網(wǎng)格狀平面,最后由Bellhop 內(nèi)核計算網(wǎng)格點位置的聲線信息。通過這種方式可將連續(xù)問題離散化,達到計算資源和精度的平衡。

2) 調(diào)用Bellhop 內(nèi)核處理步驟1)中產(chǎn)生的環(huán)境描述文件,生成相應(yīng)的聲線追蹤文件*.ray。

3) 解析步驟2)產(chǎn)生的聲線追蹤文件,根據(jù)信號的接收位置提取到達該位置每條聲線的主要信息,計算得到該信號的分組數(shù)據(jù)協(xié)議(packet data protocol,PDP)和衰減信息,并將上述信息存入數(shù)據(jù)庫。

在該步驟中,主要提取的信息有幅值(mMag)、相位(mPha)、時延(mDel)、發(fā)射角度(mSrcAng)和接收角度(mRcvAng),然后通過圖5 所示算法偽代碼對這些信息進行處理,得到所需結(jié)果。

圖5 PDP 和衰減計算方法Fig.5 Method to calculate the PDP and attenuation

在該算法中,聲線的數(shù)量可以通過聲線追蹤文件進行提取,位置信息由環(huán)境文件設(shè)置,以一定分辨率在整個海域呈網(wǎng)格狀,如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)格狀聲場數(shù)據(jù)Fig.6 Mesh grid shaped data of acoustic field

4) 使用步驟1)的相同參數(shù)對NS3 水聲信道模塊進行配置。

由上文可知,數(shù)據(jù)庫中存儲的聲線信息也是離散的,以三維變量觀測點位置信息(聲源深度、接收深度和水平距離)為索引,分辨率由垂直步長和水平步長決定,因此,該信道模塊在提取所需信息時,需要以相同的索引進行檢索。

5) 建立仿真腳本,使用步驟4)配置的水聲信道模塊進行仿真。

仿真過程中,大多數(shù)情況下接收節(jié)點位置未能位于網(wǎng)格點,因此無法直接讀取數(shù)據(jù)庫中存儲的該點位置聲場信息。為有效提取精確的聲場信息,使用最鄰近網(wǎng)格點取值法進行近似,以一個點最近的網(wǎng)格點位置代替該點位置信息進行檢索。

該過程可以表示為

式中:L′為數(shù)據(jù)接收節(jié)點的位置,包含深度和水平距離;L為數(shù)據(jù)庫中保存的所有網(wǎng)格點位置。

檢索后可得該位置的所有聲線信息,視其中幅度最高的聲線為直達聲,得到其傳播延遲,就可以使用信道模塊在該時延后將數(shù)據(jù)包分發(fā)給相應(yīng)接收節(jié)點,實現(xiàn)數(shù)據(jù)在水聲信道中的無線傳輸。

3 仿真結(jié)果分析

對上文描述的基于Bellhop 的NS3 水聲信道模型進行性能驗證,對比該模型和理論信道模型對于網(wǎng)絡(luò)仿真的影響,所使用的具體仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)Table 1 Network simulation parameters

所得整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的衰減信息與理論模型的仿真對比如圖7 和圖8 所示?？梢钥闯?使用理論模型的信號衰減以聲源為中心呈近似圓周分層,說明信號的空間衰減只與接受位置到聲源的距離相關(guān);而使用文中采用的Bellhop 信道模塊時,信號的空間衰減還與接受位置的深度和水平距離相關(guān),并出現(xiàn)了較為明顯的信號加強現(xiàn)象(位置在水平距離300～450 m),究其原因,是因為信號在海底產(chǎn)生了反射(即多徑效應(yīng)問題),說明該方法確實得到了相比傳統(tǒng)理論模型更為精準(zhǔn)的衰減結(jié)果。

圖7 理論信道模型的衰減Fig.7 Attenuation of the Thorp theoretical UACM

圖8 Bellhop 信道模型的衰減Fig.8 Attenuation of the Bellhop UACM

除此之外,在相同參數(shù)下使用MATLAB 對Bellhop 信道模型進行仿真,得到的信號衰減如圖9 所示?？梢钥闯?其信號衰減趨勢與圖8 接近,也在水平距離300～450 m 形成密集的亮點,說明此處的信號存在疊加。

圖9 MATLAB 下Bellhop 信道模型的衰減Fig.9 Attenuation of the Bellhop UACM in MATLAB

使用CW 協(xié)議在不同信道模型條件下的性能表現(xiàn)如圖10 所示。不難發(fā)現(xiàn),使用Bellhop 水聲信道模塊時,協(xié)議吞吐量趨勢與傳統(tǒng)模型基本一致,但整體性能差異較大,對比圖8 可以看出,這是由于信號在Bellhop 水聲信道條件下整體衰減較小,使得一些節(jié)點的接收信噪比較高,進而減小了誤碼率和丟包率。

圖10 不同UACM 條件下CW 協(xié)議吞吐量Fig.10 Throughputs of the CW protocol for different UACMs

結(jié)合上述結(jié)果可知,相對于理論模型衰減僅由距離決定,文中所開發(fā)的Bellhop 水聲信道模塊計算得到的信號衰減與聲源深度、接收深度及傳播距離等均有直接關(guān)系(實際上根據(jù)前文可知,影響聲線傳播的關(guān)鍵因素還有聲速剖面、海面海底反射系數(shù)等復(fù)雜因素,而聲源深度和接收深度是影響聲速剖面的主要參數(shù)),較好地模擬了聲線在水下復(fù)雜的傳播過程,因此在不同聲場區(qū)域具有與理論模型截然不同的傳播衰減,較大影響了協(xié)議的性能表現(xiàn),對水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議前期的開發(fā)和評估具有重要意義。

4 結(jié)束語

基于Bellhop 設(shè)計并開發(fā)了用于NS3 網(wǎng)絡(luò)仿真的UACM,將高斯射線理論用于水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真。結(jié)果表明,該模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬水聲信號在海洋環(huán)境中的傳播衰減和反射,可用于對傳統(tǒng)信道模型無法適用的特定水文情況(如淺海、深海聲影區(qū))下水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行前期開發(fā)、評估及改進,并為水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)和落實提供依據(jù)。