2.1数据链路层

　　水声网数据链路层方面的研究主要集中在多址技术。多址技术是多个用户共享有限信道资源的技术。频分多址（FDMA）对水声信道可用频带进行划分，但水声通信网络频带极其有限，分频容易引起频率选择性衰落。

　　时分多址（TDMA）是把时间分割成互不重叠的时段（帧），再将帧分割成互不重叠的时隙（信道）与用户具有一一对应关系，依据时隙区分来自不同地址的用户信号，从而完成的多址连接。由于水声信号的传播时延很大，时隙间的保护间隔应设置得足够大，以免由于传播时延的不同而引起碰撞。然而，这样会造成较低的网络吞吐量[20]。Zhong等[21]提出了新的MAC协议ITDMA，该协议充分利用水声信道的长传播延时，在空闲时间轴上交错发送数据包。通过OPNET仿真表明：与传统TDMA协议相比其具有更大的吞吐量，降低了时延。杨文等[22]提出了一种全动态时隙调度的时分多址MAC协议FDTDMA，该协议采用了动态往返调度方式、混合回复策略和保守的睡眠机制来提高通信效率。仿真表明：FDTDMA协议与同样带有睡眠和混合回复机制的固定时隙TDMA协议相比，通信效率和能量效用均有显著提高，且该协议性能稳定。

　　在码分多址（CDMA）通信系统中，不同用户传输信息所用的信号根据各自不同的编码序列来区分，或者说靠信号的不同波形来区分，具有很强的保密性，这对于水声通信网很重要，所以CDMA是水声网络中很有前景的1种多址技术。但是，CDMA系统容量会受到多址干扰的限制，王瑜等[23]以RTS＼CTS为基础，提出1种采用FHCDMA技术的多信道接入协议。该协议利用公用码字进行RTSCTS的交换以实现业务信道的预约， 解决了隐节点和暴露节点的问题，完成了数据帧的传送。Cheng等[24]继续分析了FHCDMA技术在水声网的应用，用OPNET建模仿真得出了1种更适合水声信道的编码格式。Fan等[25]将CDMA技术与循环法相结合，提出面向路径编码分配的CDMA接入协议，仿真结果表明：该协议减少了丢包率和端到端延时，明显提高了网络吞吐量。

　　随机接入方式是竞争访问信道的技术，用户按自己的意愿随机发送信息。目前常用于水声通信网中的随机接入协议有Aloha，CSMA和MACA等。Aloha协议完全随机发送信息，碰撞率相当高，其通过重发来解决碰撞，这将提高网络节点的功耗，缩短传感器生命周期，显然不能令人满意。在CSMA协议中，为了解决接收机碰撞而在发送之间加入的保护时间与网络中出现的最大传播时间成正比，水声信号的低传播速度会降低该协议的效率。在MACA协议中，采用了RTSCTSDATA信道预约机制来避免接收节点处的碰撞，但在整个数据传输过程中大部分时间用于控制指令的传输，增加了延迟时间，降低了信息吞吐量。研究常规的介质接入协议在水声环境中的可用性，并对其不足进行改进是水声网络研究的一个重要课题。

　　林碧兰等[26]利用OPNET软件对Aloha协议和MACAW协议在水声通信网络中的性能进行仿真研究，分析比较这2种协议在不同业务量下的网络性能，仿真结果表明：MACAW的性能优于Aloha，但两者均可以应用于低数据业务量网络中。水声通信网络由于受其节点能耗的限制，故协议中能耗是需要考虑的重要问题，MACAW协议还需要优化。王毅等[27]提出了1种基于传统Aloha协议的新型随机多址协议AlohaLPD协议，它继承了Aloha协议的优点，不需要RTS＼＼CTS握手和节点间的时间同步，结合了CSMA协议载波侦听的思想，充分利用水声通信长传播延迟的特点，实现了1个节点与多个节点合理无冲突的通信，增大了网络的吞吐量，减小了网络平均端到端延迟。Liu等[28]提出了CSMA＼＼CA协议的退避算法，它是基于CSMA＼＼CA的1种改进算法，通过OPNET仿真可知该算法克服了水下通信的长延时，增加了网络的吞吐量，减少了访问信道的时间，改善了系统的误码率和信道利用率。

　　2.2网络层

　　网络层拓扑设计的好坏对整个水声网络的性能有较大影响。与无线通信信道相比，水声信道传播具有时延大、带宽窄和噪声高等缺点，这就要求根据水声信道的特点，建立更接近水声信道的通信模型。丁元明等[29]模拟了一个移动的水声网络拓扑，主要针对OPNET平台无线信道管道的传播时延等3个阶段进行修改，通过仿真表明该模型能较好地模拟水声信道环境。

　　路由是网络层的一项主要功能，路由的作用是发现从源节点到目的节点的物理通路。在一个大范围的水声通信网中，大多数节点无法直接与主节点通信，需要通过中间节点进行多跳路由。在水声通信网中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。节点的电池能量非常有限，且不易替换，为不中断传输数据，水声网络应定期更新路由选择，并向节点即时报告。路由算法设计的目标是寻找可靠的中继节点。

　　Chen等[30]为水声通信网络提出了DSR路由协议，该协议是1种基于源路由机制的按需路由协议，它要求网络中的节点在自身的路由存储器里记录所有已知的源路由，仅在需要发送数据包且不知道路由信息的情况下才启动路由查询。通过OPNET仿真表明：DSR协议在网络可靠性、路由开销及路径优化等方面有较大的优势，但需改进协议以提高吞吐量和减小网络延时。AODV协议是对DSDV修改后的按需距离矢量路由协议，该协议使用目的序列号来防止路由死循环，适合Ad Hoc网络。范亚芹等[31]对AODV协议进行仿真，结果表明AODV协议的性能比较稳定，为用于水声网提供了参考。张林波[32]等用OPNET实现DSR和AODV协议在水下通信网的性能比较和分析，得出AODV协议的吞吐量和延时特性都好于DSR，但AODV的控制成本相当大，仍需考虑与DSR结合，进一步改善其性能。Zhao等[33]将传统的DSR协议进行了改进，使它更符合水声信道的特点，仿真表明改进的DSR改善了吞吐量、网络延时和路由开销。

　　3水声通信网研究面临的挑战

　　水声通信研究仍处于初步探索阶段，很多问题或困难仍有待解决和克服。比较典型的问题或者困难有以下3点。

　　1）水声信道问题。在水声通信网中，往往分布着大量的无线传感器，它们通常使用声波作为通信媒介，其传播速率比无线电磁波的速率低5个数量级，从而增加了传播时延，降低了网络吞吐量。此外，水下环境恶劣，导致诸多问题如有限带宽容量、可变传播延时、误比特率高以及由多径衰落引起的临时损失连通性[34]等。

　　2）传感器问题。水下传感器具有高动态性，时刻都会随着水的流动产生移动，给节点设计带来了困难；电池的能量有限，水下传感器携带的电量十分有限，当电池用完时通过更换传感器电池是不太现实的，所以必须使用高效的协议维护网络最大的生命周期。

　　3）网络安全性问题。水声通信网是基于无线传感网的，是无线自组织网络分布，源节点和目的节点之间通过中继节点来传递信息。这种多跳的网络具有开放性和灵活性，也决定了它很容易受到攻击，特别是路由协议的攻击[3537]，这对军事战术通信很不利，应予以重视。因此，通过OPNET仿真，研究高效可靠的协议，搭建合适的网络拓扑结构，可极大改善水声通信网各方面的性能，从而增强传统海洋军民事能力。

　　4结语

　　本文介绍了水声通信网的研究概况和仿真软件OPNET，重点介绍了OPNET在水声通信网络中的应用研究。OPNET在水声通信网中的应用研究已取得初步成果，但这方面的研究非常复杂，需要更多的后继研究。在今后的研究中，数据链路层的多址技术和网络层的路由协议仍是研究的重点和热点，同时也可以考虑通过对传输层和应用层的设计来实现跨层的整体协调，综合优化水声网性能，降低网络能耗，延长节点寿命，以及通过建立可靠中继来实现网络协议安全。基于OPNET仿真的水声通信网研究，在海洋军事作战的数据传输以及海洋环境的监测和信息采集等方面必将发挥重要作用。

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