水声网络通信环境仿真与软件实现

作     者：陈惟一 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周锋

授予年度：2020年

学科分类：082403[工学-水声工程] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：水声通信 OPNET 通信节点 Bellhop 

摘      要：随着科学技术的快速发展,人们对包含丰富资源的海洋领域变得日益重视。党中央从十八大以来,不断推进海洋强国战略,使得探索海洋成为时下发展进步的重中之重。面对开发利用海洋资源的迫切需求,获取海洋信息,掌握水下通信关键技术则变得尤为重要。由于水声通信外场试验所需要的通信机较多,设备复杂,实地试验难度大且成本偏高。如果能在实验室环境下模拟水下通信试验过程,验证网络通信协议,利用信道模型来仿真水下真实通信环境,利用多台设备来模拟多节点之间通信,这样就可以用计算机来验证研究成果,从而达到避免了外场试验的困难,减少了实验成本的目的。本论文首先在OPNET仿真平台中针对水声信道这种特殊的通信环境,对管道模型进行修改完善,针对通信节点随机移动性,建立水下移动节点,并分析选择了以Aloha为首的竞争类协议作为本论文的MAC层协议,并针对经典Aloha与时隙Aloha协议的网络吞吐量、端到端时延以及成功投递率进行仿真对比,验证得出经典Aloha协议性能更适用于水声网络通信。其次,研制开发了一款多通信节点水声网络协议验证平台,该平台能模拟水下信道环境,完成多个节点相互通信的功能。该平台从功能上被划分为两个部分:通信模拟软件以及显示控制软件。前者负责模拟水下发射端与接收端之间的数据通信过程,后者负责对通信模拟软件的参数控制并对整个网络的运行状态进行显示。通信模拟软件读取MATLAB信号,存储在计算机内部,并通过物理层OFDM收发模块、MAC层Aloha模块,并同时与水声信道冲激响应卷积并添加高斯噪声,在一定程度上模拟水下网络信号的传输过程。显示控制软件发送控制指令到通信节点,以控制整个网络的连接过程,并用Bellhop工具生成信道参数且将其发送到各个节点进行卷积处理。最后,论文对软件进行多平台下的功能测试,模拟结果表明软件实现了多节点水声通信网络环境的仿真、传输模拟以及网络协议性能验证,信号传输稳定可靠,达到了预期设计目标。