水聲通信組網(wǎng)技術(shù)第一講水下信息網(wǎng)絡(luò)概論課件

1、水聲通信組網(wǎng)技術(shù)Underwater Acoustic Communication Network2022/7/241第一講 序論課程安排 介紹水聲信道條件下無線通信組網(wǎng)的原理與基本技術(shù)，共分六講。第一講 水下信息網(wǎng)絡(luò)概論第二講 水聲信道傳輸特性第三講 水聲通信網(wǎng)絡(luò)物理層技術(shù) 第四講 水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入第五講 水聲網(wǎng)絡(luò)路由第六講 水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)2022/7/242第一講 序論第一講 水下信息網(wǎng)絡(luò)概論無線通信網(wǎng)絡(luò)概述水下信息的傳輸水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用前景網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議體系及跨層設(shè)計水下信息網(wǎng)絡(luò)的研究與發(fā)展2022/7/243第一講 序論無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無線通信系

2、統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)蜂窩移動通信系統(tǒng)集群移動通信系統(tǒng)無線局域網(wǎng)無線AD hoc網(wǎng)藍(lán)牙技術(shù)美國的PRNET無線傳感器網(wǎng)舉例 舉例 2022/7/244第一講 序論有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng) 有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)是對有線通信網(wǎng)的一種擴(kuò)展，有線網(wǎng)被用作骨干網(wǎng)，連接到特殊的有線/無線轉(zhuǎn)接點(diǎn)BS(Base Stataion),或接入點(diǎn)AP(Access Point)，統(tǒng)稱為BS。 BS與有線骨干網(wǎng)相連并覆蓋一個區(qū)域，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)覆蓋區(qū)內(nèi)的移動節(jié)點(diǎn)通過一個或多個傳輸信道接入網(wǎng)絡(luò)。 傳輸信道包括：FDMA（某個頻隙）、TDMA （某個時隙） 、CDMA （某個碼道）無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/245第一講 序論有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)圖 通信網(wǎng)構(gòu)成示

3、意圖 無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/246第一講 序論有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/247第一講 序論有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/248第一講 序論有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/249第一講 序論有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/2410第一講 序論無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng) 無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)也稱為自組織網(wǎng)（自組網(wǎng)），由多個移動節(jié)點(diǎn)組成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。 與有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)的區(qū)別：不需要預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施（BS、AP）；網(wǎng)絡(luò)的組織是臨時的、按需的、自動的；必須采用分布式的控制方式。無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/2411第一講 序論舉例1：蜂窩移動通信系統(tǒng)無線通信網(wǎng)

4、絡(luò)概述 2022/7/2412第一講 序論舉例1：蜂窩移動通信系統(tǒng)移動終端和固定基站互相通信移動終端不具備路由功能基站負(fù)責(zé)路由和交換功能，基站充當(dāng)接入有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/2413第一講 序論舉例1：蜂窩移動通信系統(tǒng) -WLANWLAN移動節(jié)點(diǎn)配備無線網(wǎng)網(wǎng)卡移動節(jié)點(diǎn)通過接入點(diǎn)與固定網(wǎng)絡(luò)連接WLAN工作在鏈路層，對網(wǎng)絡(luò)層透明對網(wǎng)絡(luò)層來說WLAN是一個單跳網(wǎng)絡(luò)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/2414第一講 序論舉例2：移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)/多跳無線網(wǎng)絡(luò)由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)中每個終端可以自由移動、地位相等是一個多跳、臨時、無中心

5、網(wǎng)絡(luò)不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持可以在任何時候、任何地點(diǎn)快速構(gòu)建 ad hoc:for the specific purpose only無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/2415第一講 序論舉例2：移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 自組網(wǎng)絡(luò)AEDCBF源結(jié)點(diǎn)目的結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)2022/7/2416第一講 序論舉例2：移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)具備移動通信網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無中心網(wǎng)絡(luò)的自組性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化自動最佳路由選擇的多跳組網(wǎng)方式可擴(kuò)展性好有限的無線傳輸帶寬移動終端的自主性安全性差存在單向的無線信道生存時間短無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 2022/7/2417第一講 序論無線通

6、信網(wǎng)絡(luò)概述 舉例2：移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)無中心網(wǎng)絡(luò)的自組性Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi2022/7/2418第一講 序論無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 舉例2：移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi2022/7/2419第一講 序論無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 舉例2：移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)自動最佳路由選擇最佳路由備選替換路由有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi

7、Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi2022/7/2420第一講 序論無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 舉例2：移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)最佳路由備選替換路由有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi支持移動IP功能2022/7/2421第一講 序論無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 舉例2：移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)方便擴(kuò)展Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi

8、Wi-FiWi-Fi2022/7/2422第一講 序論無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 網(wǎng)絡(luò)類型比較的內(nèi)容現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有中心，單跳無中心，多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定動態(tài)建立，靈活變化有無基礎(chǔ)設(shè)施支持有無安全性和服務(wù)質(zhì)量較好較差配置速度慢快生存時間長短路由選擇和維護(hù)容易困難網(wǎng)絡(luò)健壯性低高2022/7/2423第一講 序論無線通信網(wǎng)絡(luò)概述 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 網(wǎng)絡(luò)類型比較的內(nèi)容現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究重點(diǎn)物理層和鏈路層協(xié)議的所有層中繼設(shè)備基站和有線骨干網(wǎng)無線節(jié)點(diǎn)和無線骨干網(wǎng)中繼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)基站有多部收發(fā)信機(jī)，全雙工方式通信，有專用硬件

9、，易于實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步無線節(jié)點(diǎn)通常只有一部收發(fā)信機(jī)，半雙工方式工作，不易實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步無線節(jié)點(diǎn)的控制管理有基站集中負(fù)責(zé)，無線節(jié)點(diǎn)必須先與基站通信，再通過基站與目的節(jié)點(diǎn)通信由無線節(jié)點(diǎn)本身負(fù)責(zé)，通常采用分布式方式2022/7/2424第一講 序論水面艦艇與潛艇通信水下信息的傳輸2022/7/2425第一講 序論潛艇之間通信水下信息的傳輸2022/7/2426第一講 序論水面艦艇及潛艇與UUV通信水下信息的傳輸2022/7/2427第一講 序論UUV與UUV的通信水下信息的傳輸2022/7/2428第一講 序論蛙人之間的通信水下信息的傳輸2022/7/2429第一講 序論水雷網(wǎng)絡(luò)水下信息的傳輸2022/7

10、/2430第一講 序論UUV網(wǎng)絡(luò)水下信息的傳輸2022/7/2431第一講 序論結(jié)論： 水聲通信網(wǎng)絡(luò)多采用Ad hoc Network水下無預(yù)先布設(shè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施緊急情況科學(xué)考察/探險/軍事戰(zhàn)場可通過衛(wèi)星進(jìn)行連接水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 3.水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用前景2022/7/2432第一講 序論 水聲通信網(wǎng)絡(luò)由軍事應(yīng)用提出，其研究成果可用于軍事和民事。作戰(zhàn)單元包括：士兵、戰(zhàn)車、艦艇、潛艇、水下航行器、作戰(zhàn)分隊等軍事應(yīng)用：海、陸、空三軍調(diào)配； 偵查系統(tǒng)與指揮部之間的通信； 指揮部與作戰(zhàn)前沿的聯(lián)系； 作戰(zhàn)單元之間的聯(lián)絡(luò)和配合。民事應(yīng)用：潛水、和分布式水下工作等常用； 抗洪和水下打撈營救等災(zāi)難；

11、海洋執(zhí)法、水下搜索等恢復(fù)、執(zhí)法行動水聲通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景 3.水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用前景2022/7/2433第一講 序論 3.水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用前景2022/7/2434第一講 序論 3.水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用前景2022/7/2435第一講 序論 4.網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議體系及跨層設(shè)計水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧演化圖 以開放系統(tǒng)互聯(lián)模型OSI（Open System Interconnection model）和TCP/IP模型的協(xié)議結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合海洋環(huán)境的特點(diǎn)，水聲網(wǎng)絡(luò)被分為4層結(jié)構(gòu)2022/7/2436第一講 序論 4.網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議體系及跨層設(shè)計本次講解主要從水聲信道的特點(diǎn)、物理層、MAC數(shù)據(jù)

12、鏈路層、路由層、幾個方面進(jìn)行講解2022/7/2437第一講 序論 4.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代： 美國國防部DARPA，移動分組無線網(wǎng)絡(luò)(Mobile Packet Radio Network) ；20世紀(jì)80年代： 美國國防部DARPA，抗毀可適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)SURAN（Survivable Adaptive Network）；20世紀(jì)90年代： 美國國防部DARPA，全球運(yùn)動信息系統(tǒng)GloMo(Global Information System) ；90年代中期至今： 隨著一些技術(shù)的公開，Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)開始成為移動通信領(lǐng)域一個公開的研究熱點(diǎn) 。2022/7/2438第一講 序論 4.國

13、內(nèi)外研究現(xiàn)狀由U.C.Berkeley研究的Smart Dust傳感器網(wǎng)絡(luò)已于2000年完成，Smart Dust由帶有傳感器和通信單元的微控制器組成，通信單元由無線電發(fā)射機(jī)、激光模塊或角偶棱鏡反射體來擔(dān)當(dāng)，傳感器單元則分別可搭載溫度、亮度、濕度、壓力、3D磁力計、3D傾斜/震動傳感器中的一種或多種。由麻省理工學(xué)院研究的AMPS項(xiàng)目，計劃對傳感器網(wǎng)絡(luò)開展研究，以獲得令人滿意的網(wǎng)絡(luò)壽命，并在復(fù)雜情況下網(wǎng)絡(luò)可以在無人干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)的自組織、重配置和自適應(yīng)。 Ad hoc network 研究現(xiàn)狀2022/7/2439第一講 序論 4.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）于20世紀(jì)7

14、0年代末研制完成了短波自組織網(wǎng)絡(luò)HF-ITF系統(tǒng)，該系統(tǒng)是采用調(diào)頻方式組網(wǎng)的低速自組網(wǎng)。HF-ITF是根據(jù)海軍潛艇艦隊的要求設(shè)置的，工作在短波頻段，采用ALOHA信道接入方式，用于把500km范圍內(nèi)的艦只、飛機(jī)、潛艇聯(lián)成一體。 Ad hoc network 研究現(xiàn)狀2022/7/2440第一講 序論 4.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀尚未見有關(guān)水聲通信的自組織網(wǎng)絡(luò)，但有關(guān)水聲網(wǎng)絡(luò)的研究計劃及試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)已有報道。美國海軍試驗(yàn)性遠(yuǎn)程聲納和海洋網(wǎng)絡(luò)計劃組建的Seaweb2000的水聲網(wǎng)絡(luò)，利用了17個節(jié)點(diǎn)，工作水域?yàn)镸assachusetts的Buzzards Bay灣；Seaweb2001布設(shè)了40個節(jié)點(diǎn)，工作水域

15、為圣地亞哥海灣。有人估計通過2001年Seaweb試驗(yàn)后，水聲網(wǎng)絡(luò)有可能將信息傳送至潛艇的屏幕上，目前正在研究將該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于海軍的水下武器，以提高水下武器的作戰(zhàn)效能。 水聲Ad hoc network 研究現(xiàn)狀2022/7/2441第一講 序論 5.國內(nèi)外主要研究者目前，在國際上無線Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)方面研究較為活躍的幾個研究機(jī)構(gòu)有： 美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所NIST下屬的“Wireless Communications Technologies Group”(WCTG) ；微軟亞洲研究院無線網(wǎng)絡(luò)組；加州大學(xué)洛杉磯分校Mario Gerla教授所領(lǐng)導(dǎo)的“無線自適應(yīng)移動性試驗(yàn)室”（The WAN

16、（Wireless Adaptive Mobility）Lab）；伊利諾基大學(xué)Urbana-Champaign分校Nitin Vaidaya教授所領(lǐng)導(dǎo)的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)研究小組；康奈爾大學(xué)Zygmunt J.Hass 教授所領(lǐng)導(dǎo)的“無線網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)室”（Wireless Networks Laboratory）；2022/7/2442第一講 序論馬里蘭大學(xué)Satish K.Hass教授所領(lǐng)導(dǎo)的“移動計算與多媒體實(shí)驗(yàn)室”（The Mobile Computing and Multimedia Laboratory(MCML)；加州大學(xué)圣克魯茲分校J.J.Garcia-Luna-Aceves教授所領(lǐng)導(dǎo)的“計算機(jī)通信研究小組”（The Computer Communications Research Group）；加州大學(xué)圣