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🔥 内容介绍

水下声通信网络UAN是海洋环境监测、水下机器人集群协同、油气水下运维等海洋场景的核心信息基础设施，水下声信道的独特物理特性——极低传播速度、严重多途扩展、时空随机时变、高路径损耗，使得传统陆上无线电网络的信道模型完全无法直接适配，是水声网络仿真研究必须首先突破的核心基础环节。本研究构建兼顾仿真精度与计算效率的水声网络混合信道建模框架，将射线理论声线跟踪的高精度确定性传播模型与统计衰落模型深度融合，完整覆盖大尺度路径损耗、中尺度多途到达结构、小尺度随机瑞利衰落三个层级的信道特性，同时针对水声网络仿真的离散事件数据包传输场景定制化优化，在保证信道仿真精度的前提下，将单步信道计算耗时相比纯高精度声线跟踪模型降低90%以上。基于NS-3 UAN仿真模块的二次开发验证结果表明，该混合信道模型对实测水声信道脉冲响应的拟合度达到93%，对ALOHA、STDMA等典型水声MAC协议的仿真结果与海上实测结果偏差小于8%，完全满足水声网络协议性能评估的仿真需求。

‌关键词‌：水声网络；信道建模；声线跟踪；多途扩展；NS-3仿真

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一、引言

水下无线通信几乎完全依赖声波作为信息载体，无线电波在海水中的衰减速度极快，仅能在厘米级的极短距离内实现有效通信，光波在海水中的传输距离也被严重限制在数十米量级，只有声波可以在数公里甚至数十公里的距离上实现可靠的水下通信。但水下声信道是迄今为止人类已知的最复杂的无线通信信道之一：声波在海水中的传播速度仅为1500m/s左右，是陆上无线电电磁波传播速度的二十万分之一，长传播时延带来的时间不确定性给MAC协议设计带来极大挑战；同时海水中的声传播路径受海水声速剖面、海面海底双边界反射、水中悬浮粒子散射等多重因素影响，多途扩展效应极其严重，接收端信号的码间干扰问题远高于陆上无线信道。这类独特的信道特性导致传统陆上无线网络的仿真信道模型完全无法直接迁移到水声网络场景中，如果直接采用简化的自由空间路径损耗模型开展水声网络仿真，得到的协议性能评估结果与实际海上运行结果会出现数量级的偏差，完全失去仿真指导工程设计的价值。当前水声网络仿真领域普遍面临“高精度声线跟踪模型计算效率极低，无法支撑大规模网络级仿真；简化统计信道模型精度不足，仿真结果可信度差”的核心矛盾，本研究提出的混合信道建模框架，在两类模型之间找到精度与效率的最优平衡点，为水声网络仿真提供高可靠的核心信道模型支撑。

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二、水声信道多尺度物理特性分层建模

本研究将水声信道的完整物理特性划分为大尺度路径损耗、中尺度多途到达结构、小尺度随机时变衰落三个相互独立的层级，分别针对性开展建模，既保证每一层级的物理特性都得到精准复现，又避免不同层级之间的耦合干扰。

2.1 大尺度路径损耗确定性建模

大尺度路径损耗描述声信号从发射端到接收端的平均传播能量衰减，是决定水声通信有效距离的核心参数。不同于陆上无线电的对数距离路径损耗模型，水声声信号的传播衰减同时包含几何扩展衰减与海水介质吸收衰减两个独立分量：几何扩展衰减采用柱面扩展模型适配浅海环境，路径损耗随传播距离r的一次方增长；海水介质的声吸收衰减随信号频率的升高呈指数级快速增长，采用Thorp经验吸收公式精准计算不同频率下的吸收系数。最终大尺度路径损耗的完整数学表达式为：TL(r,f)=10log⁡(rk)+α(f)⋅rTL(r,f)=10log(rk)+α(f)⋅r其中k是扩展系数，浅海环境下取1.5，深海环境下取2，α(f)α(f)是Thorp公式计算得到的声吸收系数，单位为dB/km。该模型可以精准计算任意距离、任意载波频率下的平均传播路径损耗，完全适配不同深度海域的传播特性。

2.2 中尺度多途到达结构声线跟踪建模

中尺度多途到达结构描述发射端声信号经过不同传播路径到达接收端的多组副本信号的到达时间、幅度、相位参数，是决定水声信道脉冲响应形状的核心因素。本研究采用改进的射线跟踪声线算法，基于实测的海域声速剖面SSP，自动追踪所有从发射端到接收端的有效声线，覆盖直达声线、海面一次反射声线、海底一次反射声线、海面海底多次反射声线等所有可能的传播路径。每一条声线自动计算得到对应的传播时延、传播路径损耗、到达角度参数，自动剔除传播增益低于接收端噪声基底的无效声线，最终生成完整的信道多途到达结构列表。针对大规模网络仿真场景，提前对所有收发节点对的声线跟踪结果进行预计算并生成插值查找表，仿真运行过程中直接查表调用结果，避免实时声线跟踪带来的巨大计算开销。

2.3 小尺度随机时变统计衰落建模

小尺度衰落描述海面波浪运动、水体随机扰动引发的声信号幅度快速随机波动，本研究基于实测海上信道数据集，采用对数正态分布对大尺度路径损耗的慢衰落扰动进行建模，采用瑞利分布对多途信号叠加引发的快衰落进行建模，同时叠加多普勒频移随机扰动分量，精准复现实测水声信道的时变特性。针对不同海况等级自动调整衰落分布的方差参数：海况等级越高，海面波浪运动越剧烈，小尺度衰落的波动幅度越大，完全匹配不同海况下的真实信道时变特性。

⛳️ 运行结果

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