基于NS3的BELLHOP水声信道模型实现方法与流程

本发明涉及水声传感器网络，具体涉及一种基于ns3平台的bellhop水声信道模型实现方法。

背景技术：

1、网络仿真技术主要利用数学建模的方法来模拟网络行为，通过对网络性能的统计和分析来衡量网络协议在特定网络结构下的性能表现，其高效、灵活、低成本和快捷性成为协议开发的重要手段。因此，网络仿真平台的发展成为所有研究人员关注的重点，目前来说，市场上有着为数不少的优秀网络仿真软件，较为主流的有omnet、opnet、qualnet、network simulator 2(ns2)、network simulator3(ns3)等。其中，opnet、qualnet作为商业化软件，除了较高的授权费用外，软件底层实现对用户几乎不可见，对开发新协议造成巨大的不便；而omnet作为开源软件，尽管提供了界面化开发功能，但缺少专用于水声传感器网络(underwater acoustic sensor networks，uasns)的仿真模块，因此主要用于仿真陆上协议。与此相似的还有ns2，尽管底层代码完全开放，但由于使用了分裂对象模型的开发机制，使用户不得不同时使用otcl和c++进行协议开发，整个过程异常繁琐艰难，对用户素质提出了极高门槛。

2、ns3并非是ns2的进阶版，而是一个具有全新理念的网络仿真软件，具备丰富的网络模块和完善的底层框架，所有模块均使用c++开发且完全开放，因此，近些年得到了长足发展。美中不足的是，其uasn模块中的信道模型仅为理论模型，也就是通过经验公式计算信道衰减、传播时延等参数，无法将水声领域的声影区、多径效应等因素考虑在内，而这些因素对于uasns性能的影响至关重要。

3、针对水声信道的高精度建模问题，国外机构开发了bellhop水声信道模型，利用射线声学追踪水声信号在不同水域条件下的每条声线，进而计算出更为真实信道参数。遗憾的是，该模型自成体系，也并不开源，只提供了若干可执行文件供用户使用，因而无法在现有的网络仿真软件中直接调用并读取所需结果，限制了uasns仿真结果的精度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种基于ns3的bellhop水声信道模型实现方法，能够利用bellhop模型准确计算出声场传播计算所需的参数，从而能模拟更为真实的信道环境。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、一种基于ns3的bellhop水声信道模型实现方法，包括如下步骤：

4、步骤一：根据需求配置bellhop环境描述文件；

5、步骤二：调用bellhop内核处理步骤一中产生的环境描述文件，生成相应的声线追踪文件；

6、步骤三：解析步骤二产生的声线追踪文件，根据信号的接收位置提取到达该位置的每条声线主要信息，计算得到该信号的功率延迟分布，并将所有声线的相关信息存入数据库；

7、步骤四：使用步骤一的相同参数配置水声信道模型；

8、步骤五：建立仿真脚本，其中的信道模型选取步骤四配置的水声信道模型。

9、其中，所述步骤三中，所述提取的声线主要信息包括幅值、相位、时延、发射角、接收角、海面回波数以及海底回波数。

10、其中，所述步骤三中，计算得到该信号的功率延迟分布的具体方式如下：

11、声线追踪文件包含每条声线的位置信息以及幅值、相位、时延、发射角以及接收角，计算每条声线的复数幅值，具体公式如下：

12、ai,l＝mmag*cos(marg)+j*mmag*sin(marg)

13、其中ai,l表示位置l的第i条声线的复数幅值；i表示声线id；i＝1,2,3…n；n为可达该位置的声线数量；mmag表示声线幅值；marg表示声线相位；

14、对到达同一位置的声线求实数域传播损失：

15、

16、以位置信息为键，将时延和传播损失lossp,l为值存入该信号的功率延迟分布；

17、重复上述过程，直到所有声线信息处理完毕。

18、其中，所述步骤五中，在仿真过程中对于位置l'的数据接收节点，传播损失计算方法为最近网格点近似法，即：

19、

20、其中，l'为数据接收节点的位置，包含深度和水平距离；l为数据库中保存的所有网格点位置。

21、其中，所述步骤三中，将所有声线的相关信息存入数据库中，数据库表头格式为：

22、

23、其中，所述步骤一中，bellhop环境描述文件包括声速梯度、信源深度、信宿深度、声场范围、频率范围、海面和海底特征、水平步长以及垂直步长。

24、其中，所述环境描述文件格式为*.env。

25、其中，所述声线追踪文件格式为*.arr。

26、有益效果

27、1、本发明基于ns3的用于uasns网络仿真的bellhop水声信道模型，打破了原有平台经验模型计算信道传播损失的缺点，为推动uasns协议仿真可靠性的发展提供一种技术思路和实现手段；提高了声场传播计算结果的准确性，利用bellhop模型准确计算出声场传播计算所需的参数，从而能模拟更为真实的信道环境，有利于准确评估uasns链路层和路由协议的性能表现，为快速开发满足军用、民用的uasns协议提供科学依据。

28、2、本发明中，计算得到该信号的功率延迟分布，将所有声线的相关信息存入数据库，由信道模型使用数据库技术对相关结果进行处理，得到了精确的信道传播参数用于数据包的分发过程。

29、3、本发明中，在bcm处理数据包的分发时，如果接收节点并未位于网格顶点，采用最近网格点法取得近似值，不会出现无法找到数据库中相应表项的情况。

30、4、本发明bellhop环境描述文件主要包括声速梯度、信源深度、信宿深度、声场范围、频率范围、海面/海底特征、水平步长、垂直步长等，因此计算得到的海洋声场为一定范围内的网格状结构，网格大小由水平步长和垂直步长决定，只有网格顶点位置的声线才会统计，这样就将整个声场离散化，大大减小了计算压力。

31、5、本发明基于ns3的bellhop水声信道模型实现方法，通过ns3调用bellhop内核产生声线追踪文件，所述环境描述文件格式为*.env；所述声线追踪文件格式为*.arr，bellhop工具提供linux系统下的可执行文件命令，其输入参数为步骤一产生的环境描述文件，执行后得到从信源到声场中每个网格点的声线追踪文件。

技术特征：

1.一种基于ns3的bellhop水声信道模型实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，所述提取的声线主要信息包括幅值、相位、时延、发射角、接收角、海面回波数以及海底回波数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，计算得到该信号的功率延迟分布的具体方式如下：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤五中，在仿真过程中对于位置l'的数据接收节点，传播损失计算方法为最近网格点近似法，即：

5.如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，将所有声线的相关信息存入数据库中，数据库表头格式为：

6.如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，bellhop环境描述文件包括声速梯度、信源深度、信宿深度、声场范围、频率范围、海面和海底特征、水平步长以及垂直步长。

7.如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述环境描述文件格式为*.env。

8.如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述声线追踪文件格式为*.arr。

技术总结
本发明提出了一种基于NS3的BELLHOP水声信道模型实现方法，能够利用BELLHOP模型准确计算出声场传播计算所需的参数，从而能模拟更为真实的信道环境。本发明基于NS3的用于UASNs网络仿真的BELLHOP水声信道模型，打破了原有平台经验模型计算信道传播损失的缺点，为推动UASNs协议仿真可靠性的发展提供一种技术思路和实现手段；提高了声场传播计算结果的准确性，利用BELLHOP模型准确计算出声场传播计算所需的参数，从而能模拟更为真实的信道环境，有利于准确评估UASNs链路层和路由协议的性能表现，为快速开发满足军用、民用的UASNs协议提供科学依据。

技术研发人员：刘奇佩,程彬彬,程姝,赵云江,刘衡睿
受保护的技术使用者：宜昌测试技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13