水声通信组网技术第一讲-水下信息网络概论课件.ppt

1、2022-5-31第一讲 序论1西北工业大学西北工业大学王海燕王海燕2022-5-31第一讲 序论2课程安排课程安排 介绍水声信道条件下无线通信组网的原理与基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。本技术，共分六讲。第一讲第一讲 水下信息网络概论水下信息网络概论第二讲第二讲 水声信道传输特性水声信道传输特性第三讲第三讲 水声通信网络物理层技术水声通信网络物理层技术 第四讲第四讲 水声网络的多址接入水声网络的多址接入第五讲第五讲 水声网络路由水声网络路由第六讲第六讲 水声通信网络仿真技术水声通信网络仿真技术2022-5-31第一讲 序论3第一讲第一讲 水下信息网络概论水下信息网

2、络概论1.无线通信网络概述无线通信网络概述2.水下信息的传输水下信息的传输3.水声通信网络的特点及应用前景水声通信网络的特点及应用前景4.网络分层协议体系及跨层设计网络分层协议体系及跨层设计5.水下信息网络的研究与发展水下信息网络的研究与发展2022-5-31第一讲 序论41.无线通信网络概述无线通信网络概述 举例 举例 2022-5-31第一讲 序论5 有基础设施网是对有线通信网的一种扩展，有线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，连接到特殊的有线被用作骨干网，连接到特殊的有线/ /无线转接点无线转接点BS(Base BS(Base Stataion),Stataion

3、),或接入点或接入点AP(Access Point)AP(Access Point)，统称为，统称为BSBS。 BSBS与有线骨干网相连并覆盖一个区域，负责协调覆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。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：传输信道包括：FDMAFDMA（某个频隙）、（某个频隙）、TDMA TDMA （某个时（某个时隙）隙） 、CDMA CDMA （某个码道）（某个码道）1.无线通信网络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论6图图 通信网构成示意图通信网构成示意图 地球站微波设备光传输终端

4、设备数字多路设备长途交换设备市内交换设备移动交换设备基站基站地球站微波设备光传输终端设备数字多路设备长途交换设备市内交换设备移动交换设备基站基站通信卫星光再生中继设备(光放大器)长途网移动网本地网本地网用户1.无线通信网络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论71.无线通信网络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论81.无线通信网络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论91.无线通信网络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论101.无线通信网络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论11 无基础设施网也称为自组织网（自组网），

5、由多个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。移动节点组成的多跳无线网络。 与有基础设施网的区别：与有基础设施网的区别：不需要预设的基础设施（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；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。必须采用分布式的控制方式。1.无线通信网络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论121.无线通信网络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论13 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1.无线通信网

6、络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论14 WLAN 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1.无线通信网络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论15 移动Ad hoc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 ad hoc:for the specific purpose only1.无线通信网络概述无线通信网络概述

7、2022-5-31第一讲 序论161.无线通信网络概述无线通信网络概述 自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点2022-5-31第一讲 序论17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1.无线通信网络概述无线通信网络概述 2022-5-31第一讲 序论181.无线通信网络概述无线通信网络概述 无中心网络的自组性无中心网络的自组性Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi

8、-FiWi-Fi2022-5-31第一讲 序论191.无线通信网络概述无线通信网络概述 网络拓扑动态变化网络拓扑动态变化Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi2022-5-31第一讲 序论201.无线通信网络概述无线通信网络概述 自动最佳路由选择自动最佳路由选择最佳路由最佳路由备选替换路由备选替换路由有线回传有线回传Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi2022-5-31第一讲 序论211.无线通信网络概述无线通信网络概述

9、 最佳路由最佳路由备选替换路由备选替换路由有线回传有线回传Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi支持移动支持移动IP功能功能2022-5-31第一讲 序论221.无线通信网络概述无线通信网络概述 Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi2022-5-31第一讲 序论231.无线通信网络概述无线通信网络概述 网络类型网络类型比较

10、的内容比较的内容现有无线网络现有无线网络Ad Hoc网络网络无线网络结构无线网络结构有中心，单跳有中心，单跳无中心，多跳无中心，多跳拓扑结构拓扑结构固定固定动态建立，灵活变化动态建立，灵活变化有无基础设施支持有无基础设施支持有有无无安全性和服务质量安全性和服务质量较好较好较差较差配置速度配置速度慢慢快快生存时间生存时间长长短短路由选择和维护路由选择和维护容易容易困难困难网络健壮性网络健壮性低低高高2022-5-31第一讲 序论241.无线通信网络概述无线通信网络概述 网络类型网络类型比较的内容比较的内容现有无线网络现有无线网络Ad Hoc网络网络研究重点研究重点物理层和链路层物理层和链路层协议

11、的所有层协议的所有层中继设备中继设备基站和有线骨干网基站和有线骨干网无线节点和无线骨干无线节点和无线骨干网网中继节点的特点中继节点的特点基站有多部收发信机，基站有多部收发信机，全双工方式通信，有全双工方式通信，有专用硬件，易于实现专用硬件，易于实现全网同步全网同步无线节点通常只有一无线节点通常只有一部收发信机，半双工部收发信机，半双工方式工作，不易实现方式工作，不易实现全网同步全网同步无线节点的控制管理无线节点的控制管理有基站集中负责，无有基站集中负责，无线节点必须先与基站线节点必须先与基站通信，再通过基站与通信，再通过基站与目的节点通信目的节点通信由无线节点本身负责，由无线节点本身负责，通常

12、采用分布式方式通常采用分布式方式2022-5-31第一讲 序论25水面舰艇与潜艇通信2.水下信息的传输水下信息的传输2022-5-31第一讲 序论26潜艇之间通信2.水下信息的传输水下信息的传输2022-5-31第一讲 序论27水面舰艇及潜艇与UUV通信2.水下信息的传输水下信息的传输2022-5-31第一讲 序论28UUV与UUV的通信2.水下信息的传输水下信息的传输2022-5-31第一讲 序论29蛙人之间的通信2.水下信息的传输水下信息的传输2022-5-31第一讲 序论30水雷网络2.水下信息的传输水下信息的传输2022-5-31第一讲 序论31UUV网络2.水下信息的传输水下信息的传

13、输2022-5-31第一讲 序论32结论：结论： 水声通信网络多采用水声通信网络多采用Ad hoc NetworkAd hoc Network 水下无预先布设的基础网络设施水下无预先布设的基础网络设施 紧急情况紧急情况 科学考察科学考察/探险探险/军事战场军事战场 可通过卫星进行连接可通过卫星进行连接 3.水声通信网络的特点及应用前景水声通信网络的特点及应用前景2022-5-31第一讲 序论33 水声通信网络由军事应用提出，其研究成果可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。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、作战分队等作战单元包括：士兵、战车、舰

14、艇、潜艇、水下航行器、作战分队等军事应用：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：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 3.水声通信网络的特点及应用前景水声通信网络的特点及应用前景2022-5-31第一讲 序论34 3.水声通信网络的特点及应用前景水声通信网络的特点及应用前景2022-5-31第一讲 序论35 3.水声通信网络的特点及应用前景水声通信网络的特点及应用前景2022-5-31第一讲 序论36 4.网络分层协议体系及跨层设计网络分层协

15、议体系及跨层设计水声网络协议栈演化图水声网络协议栈演化图 以开放系统互联模型以开放系统互联模型OSI（Open System Interconnection model）和）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层结构层结构2022-5-31第一讲 序论37 4.网络分层协议体系及跨层设计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、本次讲解主要从水声信道的特点、物理层、MAC数据数据链路层、路由层、几个方面进行讲解链路层、路由层、几个方面进行讲解2022-5-31第一讲 序论38 4.

16、国内外研究现状国内外研究现状20世纪世纪70年代：年代： 美国国防部DARPA，移动分组无线网络(Mobile Packet Radio Network) ；20世纪世纪80年代：年代： 美国国防部DARPA，抗毁可适应网络SURAN（Survivable Adaptive Network）；20世纪90年代： 美国国防部DARPA，全球运动信息系统GloMo(Global Information System) ；90年代中期至今：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 。2022-5-31第一讲 序论39 4.国内外研究现状国内外研究现

17、状由由U.C.Berkeley研究的研究的Smart Dust传感器网络已于传感器网络已于2000年完年完成，成，Smart Dust由带有传感器和通信单元的微控制器组成，通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，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、传感器单元则分别可搭载温度、亮度、湿度、压力、3D磁力计、磁力计、3D倾斜倾斜/震动传感器中的一种或多种。震动传感器中的一种或多种。由麻省理工学院研究的由麻省理工学院研究的AMPS项目，计划对传感器网络开展项目，计划对传感器网络开展

18、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。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。 Ad hoc network 研究现状研究现状2022-5-31第一讲 序论40 4.国内外研究现状国内外研究现状美国海军研究实验室（美国海军研究实验室（NRL）于）于20世纪世纪70年代末研制完成了年代末研制完成了短波自组织网络短波自组织网络HF-ITF系统，该系统是采用调频方式组网的低系统，该系统是采用调频方式组网的低速自组网。速自组网。HF-ITF是根据海军潜艇舰队的要

19、求设置的，工作在是根据海军潜艇舰队的要求设置的，工作在短波频段，采用短波频段，采用ALOHA信道接入方式，用于把信道接入方式，用于把500km范围内范围内的舰只、飞机、潜艇联成一体。的舰只、飞机、潜艇联成一体。 Ad hoc network 研究现状研究现状2022-5-31第一讲 序论41 4.国内外研究现状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。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 的美 国 海 军 试 验 性 远 程 声

20、纳 和 海 洋 网 络 计 划 组 建 的Seaweb2000的水声网络，利用了的水声网络，利用了17个节点，工作水域为个节点，工作水域为Massachusetts的的Buzzards Bay湾；湾；Seaweb2001布设了布设了40个节点，工作水域为圣地亚哥海湾。个节点，工作水域为圣地亚哥海湾。有人估计通过有人估计通过2001年年Seaweb试验后，水声网络有可能将信试验后，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。的水下武器，以提高水下武器的作战效能。 水声水声Ad

21、hoc network 研究现状研究现状2022-5-31第一讲 序论42 5.国内外主要研究者国内外主要研究者目前，在国际上无线目前，在国际上无线Ad-hoc网络方面研究较为活网络方面研究较为活跃的几个研究机构有：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“Wireless Communications Technologies Group”(WCTG) ； 微软亚洲研究院无线网络组； 加州大学洛杉矶分校Mario Gerla教授所领导的“无线自适应移动性试验室”（The WAN（Wireless Adaptive Mobility）Lab）； 伊利诺基大学Urbana-C

22、hampaign分校Nitin Vaidaya教授所领导的Ad-hoc网络研究小组； 康奈尔大学Zygmunt J.Hass 教授所领导的“无线网络试验室”（Wireless Networks Laboratory）；2022-5-31第一讲 序论43 马里兰大学Satish K.Hass教授所领导的“移动计算与多媒体实验室”（The Mobile Computing and Multimedia Laboratory(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”（The Computer Communications Research Group）； 加州大学圣巴巴拉分校Elizabeth M.Belding-Royer教授所领导的“移动性管理和联网实验室”（The Mobility Management and Networking(MOMENT)Lab）； 其他比较活跃的机构还包括美国陆军、海军和一些企业的研究机构。 5.国内外主要研究者国内外主要研究者2022-5-31第一讲 序论44国内的主要研究机构有：国内的主要研究机构有：西安电子科技大学；清华大学；哈尔滨工业大学；东南大学；西北工业大学 5.国内外主要研究者国内外主要研究者2022-5-31第一讲 序论45