基于OPNET的水声通信网络设计与仿真.pdf

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基于OPNET的水声通信网络设计与仿真pdf,基于OPNET的水声通信网络设计与仿真
第21卷第17期 Vol 21 No. 17 009年9月 系统仿真学报 Sep.2009 4水声通信网络分层协议设计 42MAC层 本节将在 OPNET走程域内分别给出对水声通信內络各 水声通信网络节点MAC协议设计的主要框架基于 层协议的设计,包括物理层、MAC层以及网络层。 OPNET内置的无线局域网 wlan mac进程模型,但是考虑到 41物理层 水声信道的特点,本节给出的水声通信网络MAC协议进行 了相应的改进,其对应的状态转移图如图4所示,主要特点 水声通信网络节点物理层模型对应的状态转移图如图3 包含 所示。其中,I状态用以模拟通信机的低功耗空闲状态, 第一,水声通信网络借助RTS-CTS- DATA-ACK信道握 此时,若接收到来自MAC层或水声换能器端的一个数据帧, 手机制以尽量避免数据冲突,同吋为了在快速时变水声信道 将被唤醒以进行相关的发送与接收操作。SEND状态与 中提高网络吞吐量,水声通信网络MAC协议采用多帜确认 RECV状态分别用以完成节点的水声道信发送与接收操作。 方式,即一次握手期间进行多帧数据传输。具体来说,网络 考虑到水声信道是共享信道,来自不问用户的数据包可能同 节点在发送数据之前首先进行信道检测,若信道处于空闲状 时到达而导致沖突,因此物坦层模型分別实现了单用户与多 态,则向目的节点发送RTS请求,同时进入等待状态。 用户处理算法。其中多用户处理采用基于CDMA的SIC-HFE 在收到来自目的节点的CTS响应后,节点将对数据分 算法8,其相比于传统单用户处理具有更强的信道时变跟踪 帧并逐DATA帧发送出去,日的节点在收到所有的DATA 能力与多址干扰抑制能力,因而可以更好的克服冲突,提高 帧后,向发送节点回复ACK确认,整个通信过程结束。若 水声通信网络吞吐量,减少因为数据包章发所造成的传输廷 发送节点发送数据之前信道不处于空闲状态,或发送节点在 时以及能量消耗。 等待超时( Timeout前未收到响应,则需要进行退避操作。 笫二,水声通信网络MAC协议采用网络分配向量 (FRM MAC LAYER) (NAV: Network allocationⅤ ector)机制进行信道预留,即发 →[NIT HIDLE IsEND 送节点与日的节点对当前通信过程占用信道时间进行估计 并将其写入生成的控制唢与数据帧中以实现冲突避免。但 (FRM RX) 是,与无线网络不同的是水声信道的传输时延很大,因止, 水声通信网络NAV机制中包含了对通信距离与传输延的 估计,具体来说,对于RTS与CTS帧,节点基于最大有效 RECV 通信距离计算信道占用时间,而对于DATA与ACK帜,节 点对实际通信距离进行估计,从而对信道占用时间进行更新 图3水声通信网络芍点物理层模型 叫。通过上述NAV机制,发送节点与对应目的节点可以实 (default) FRM END TO IDLE) (TIMEOUT FRM RCVDI →IN HIDLE (WAIT FOR FRM) (TRX READY &&!CII IDLE) (FRM END TO DEFER) (default) DEFER i(default) (BACK TO IDLE) (DEFER OFF RX COMPLETED) (BACK TO DEFER) BK ND J (PERFORM BKOFF) (TRX FRM) BKOFF TRX (default) default) (TRX READY & CII IDLE) 图4水声通信网络节点MAC层模型 C1994-2011ChinaAcademicJournalElcctronicPublishinghOusc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct 第21卷第17期 Vol 21 No. 17 2009年9月 韩品,等:基于 OPNET的水声通信网终设计与仿真 Sep,2009 现对信道的预留,其他附近节点会根据此信息延迟自身的数5水声通信网络仿真 据发送,以避免同当前通信过程发生冲突。 在对水声通信內络节点设计实现的基础上,本节进一步 第三,借助于物理层实现的多用户处理算法,水声通 对具伓的水声通信网终进行配置与仿頁,以验证模型的正确 信网络节点有能力在发生数据包冲突时完成可靠接收,为性,同时分析采用单用户与多用户处理技术对水声通信网络 此,水声通信网络MAC协议按照优先级或到达时间顺序对 昋吐量、端对端时延以及能量消耗等性能参数的影响。 当前节点接收到的所有沖突数据帧进行排队并依次回复,其 处理流程如图5所示通过这种方法可以减少节点因为数据5.1仿真配置 包重发所造成的传输延时以及能量消耗,从而进一步提高水 水声通信刚络仿真采用的刚络结构如图7所示,坐标单 声通信网络的吞吐量 位为km,包含1个主节点与5个传感器节点,传感器节点 Receiving 负责采集信息并传输给主节点。假设各网终节点静止不动, Sending Node 1 Nodc Nodc 2 并且已经完成初始化拓扑创建与路由搜索。其屮,传感器节 点2、3、4、5与主节点相距10km,进行直接通信;传感器 节点1通过节点2中继与主节点进行通信。 Sensor 3 DALA DATA Sensor l Sensor Master Sensor 5 CTS 口ATA Sensor 4 图7仿真水声通信閃络结构 图5水声通信网络芍点MAC层模型 水声通信网络仿真采用的一些主要参数设置如表1所 43网络层 示,此处的参数设置仅以仿真为目的,并未进行最优化。另 外,考虑到电源供给能力与相关算法实际实现的可能性,仿 本文对水声通信刚络层协议进行简化设计,即假设水 真仅在主节点一端同时实玩了单用户与多用户通信处理能 声通信网络已经实现初始化,路由信息已经根据网络拓扑结 力,其它各传感器节点统一采用单用户处理方式。 构创建完成,并且不雨进行动态路由维护。在此情况下,网 络层对应的状态转移图如图6所示。其中,SEND状态用以 表1水声通信网络仿真参数配置 根据当前网终层路由表设置各发送数据包对应的目的节点 仿真时间 地址,并将数据包传递给MAC层。PROC状态用以对来自 数据加载间隔 exponential(100: 100: 2000)seconds MAC层的数据包进行网络层处理操作,即判断接收到数据 控制咖长度 200bits 包的目的地址是否为本节点,如果是则将数据包转发给数据 数据帜长度 obits 包接收器模块,并记录相关的统计信息,否则需要进一步转 信息帜传输率 100bits/s 数据帜传输率 1000bits/s 移至SEND状念,以实现对此数据包的中继转发。 最大重发次数 5 52仿真结果 (上MMAC IDLE. PROC 水声通信网络仿真采用吞吐量、端刈端时延、能量消耗 (ACCEP 等参数作为性能衡量指标。其中,吞叶量是指在单位时间内 网终传输完成舵有效信息量,单位为bits/s;端对端时延是 (FRM PKT SRC) (RELAY) 指薮据传输由发送端提岀RTS请求川始至接收端完成ACK 确认为止的总时延,单位为s;能量消耗是指网络为完成1 SEND 位有效信息传输所消耗的能量单位。 水声通信网络仿真结果山图8、图9与图10给出。其 图6水声通信网络芍点陔络层模型 中,由图8可以看到,无论主节点采用单用户处理或多用户 C1994-2011ChinaAcademicJournalElcctronicPublishinghOusc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct 第21卷第17期 Vol 21 No. 17 009年9月 系统仿真学报 Sep.2009 物理层采用多用户处理方式能够在网络负荷较大的情况下, 12.000 e一多用户处理 一单用户处 更好的克服数据冲突,避免冈络奁吐量损失;而当网络负荷 较小村,数据冲突概率下降,因此多用户处理方式对应的网 络性能逐渐趋近于单用户处理方式。同样,由图9与图10 主 可以看到,山于多用户处理方式能够更好的在数据冲突情况 下实现检测,减少重发次数以及由此导致的退避等待时间, 因此在网络负荷较大的情况下可以获得较之单用户处坦方 2 式煚小的恻络端对端时延与节点能量消耗 500 1000 2000 结论 数据包加载间隔/s 图8水声通信络仿真结果一吐量 本文基于 OPNET软件平台对水声通信网络进行设计与 仿真硏究。在芍点域内建立了水声通信节点模型,并在进稈 800 一名用广处 域内对水声通信网络协议进行了设计,其中重点在于实现物 700 一单用户处理 理层的CDMA多用户检测处理算法以及介质访问控制 600 架300/ MAC)协议的RTs-CTS-DATA-ACK握于流程与网络向量 共 分配NAV)数据冲突避免机制。最后,建立了一个包含1个 ,400 主节点与5个传感器节点的水声通信网络,并在此基础上对 水卢通信网络进行配置与仿真。仿真结果证明,多用户处理 e-eee-ere-ee 技术能够更好的克服冲突,实现数据检测,因此可以获得史 高水声通信网络的吞吐量,减少因为数据包重发所造成的传 2000 输延时以及能量消耗、 数据包加载间隔/s 参考文献: 图9水声通信恻络仿真结炅一端对端时延 [1] Sozer E M, Stojanovic M, Proakis JG. Underwater acoustic networks 6.5 [. IEEE Journal of Oceanic Engineering(S0364-9059), 2000. 25(1) e多用户处理 单用户处理 72-83 [2] Proakis J G, Sozer E M, Rice J A, et al. Shallow water acoustic networks [J]. IEEE Communications Magazine (S0163-6804), 2001 黑55-… 39(11:114-119 [3] Akyildiz I F, Pompili D, Melodia T. Underwater acoustic senso 温 5 networks: research challenges [J]. Ad Hoc Networks(S1570-8705) 2005,3(3):257-279 G-e0-e-ee6-ee 4」陈敏. OPNET网络仿臭[M].北京:清华大学出版社,2004 5]刘伯肚,水声学原埋IM].哈尔滨:哈尔滨船舶⊥程学院出版社 500 1000 l500 2000 [6] Jensen F B, KuperIan WA, Porter M B, el al. Commpulalional ocean 数据包力载间隔/s acoustics [M]. New York, USA: AlP Press. 1994 图10水声通信网络仿真结果一节点能量消耗 [7 R Coates. Underwater Acoustic Systems [M]. New York, USA: Joh 处理方式,网络都呈现出相同的性能特点,即一方面当数捱 Han Jing, huang Jianguo, Shen Xiaohong. An Adaptive Multiuser 加载间隔较大时,对应网络负荷较小,吞吐量随加载间隔的 Chip-Rate Equalizer for CDMa Underwater Communication System 应网络负荷较大,此时受NAV机制的影响,网络不能完成90 增人而逐渐下降;而另一方面,当数据加弌间隔较小时,对 Journal of China Ordnance, 2008, 4(2): 140-151 Coelln J. Underwater acoustic networks: evaluat ion of the impact of media access control on latency, in a delay constrained network [D] 对所有加载数据的传输,新刭的数据包将因缓冲队溢出而 Monterey. USA: Naval Postgraduate School. 2005 被丟弃,內络传输能力趋于饱和,吞吐量达到极限值。其次, 对比单用户处理与多用户处理的网络仿頁结果,可以发现, C1994-2011ChinaAcademicJournalElcctronicPublishinghOusc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct

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