基于BellHop模型的海底网络节点部署matlab模拟与仿真

最新推荐文章于 2025-05-28 10:24:22 发布

软件算法开发

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分类专栏： MATLAB程序开发 # 网络仿真文章标签： matlab BellHop模型海底网络节点部署

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1.程序功能描述

基于BellHop模型的海底网络节点部署matlab模拟与仿真。模拟深海海底和海面，浅海海底和海面四种网络节点部署场景。对比四种场景下的网络性能。

2.测试软件版本以及运行结果展示

matlab2022a/matlab2024b版本运行

3.核心程序

................................................................
figure(1);
subplot(2,2,ii);
plot3(X(1),Y(1),Z(1),'k*');
hold on
plot3(X(2:end),Y(2:end),Z(2:end),'r.');
hold on
Vv     = ones(length(scalex),length(scaley),length(scalez));
[x,y,z]=meshgrid(scaley,scalex,scalez);
hh=slice(x,y,z,Vv,[scalex],[scaley],[scalez]) ;
set(hh,'FaceColor',[0.9,0.9,0.9],'EdgeColor',[1,1,1],'EdgeAlpha',0.002,'FaceAlpha',0.01);%'none')
shading interp                                                              
set(gca,'zdir','reverse');                 
grid on 
xlabel('x/dm');
ylabel('y/dm');
zlabel('z/dm');
% axis([-1.2*C,1.2*C,-1.2*R,1.2*R,-0.2*K,1.2*K]);
view([40,20]);

if sel == 1
   title('深海海面');
end
if sel == 2
   title('深海海底');
end
if sel == 3
   title('浅海海面');
end
if sel == 4
   title('浅海海底');
end
end



figure;
load mat\result1.mat
plot(Throughput,'b','linewidth',1);
hold on
load mat\result2.mat
plot(Throughput,'r','linewidth',1);
hold on
load mat\result3.mat
plot(Throughput,'k','linewidth',1);
hold on
load mat\result4.mat
plot(Throughput,'m','linewidth',1);
hold on
grid on;
xlabel('round');
ylabel('吞吐量'); 
legend('深海海面','深海海底','浅海海面','浅海海底');

figure;
load mat\result1.mat
plot(max(death)-death,'b','linewidth',1);
hold on
load mat\result2.mat
plot(max(death)-death,'r','linewidth',1);
hold on
load mat\result3.mat
plot(max(death)-death,'k','linewidth',1);
hold on
load mat\result4.mat
plot(max(death)-death,'m','linewidth',1);
hold on
grid on;
xlabel('round');
ylabel('存活节点');
legend('深海海面','深海海底','浅海海面','浅海海底');

figure;
load mat\result1.mat
plot(max(Power)-Power,'b','linewidth',1);
hold on
load mat\result2.mat
plot(max(Power)-Power,'r','linewidth',1);
hold on
load mat\result3.mat
plot(max(Power)-Power,'k','linewidth',1);
hold on
load mat\result4.mat
plot(max(Power)-Power,'m','linewidth',1);
hold on
grid on;
xlabel('round');
ylabel('剩余能量');
legend('深海海面','深海海底','浅海海面','浅海海底');
012_077m

4.本算法原理

随着海洋开发活动的日益频繁，如海上油气开采、海洋科研、海洋监测以及新兴的海底数据中心等应用的兴起，对可靠、高效的海底网络的需求愈发迫切。海底网络节点的合理部署是保障网络性能的关键，而准确了解声波在海底环境中的传播特性又是节点部署的重要前提。BellHop 模型作为一种在水声传播领域广泛应用的工具，能够精确模拟声波在复杂海洋环境中的传播过程，为海底网络节点部署提供坚实的理论支撑和技术手段，助力优化节点布局，提升网络通信质量与稳定性。

4.1 BellHop模型原理

BellHop 模型启动后，从声源位置按照设定的初始角度发射声线。每一条声线在传播过程中，根据当前位置的声速和所在介质（海水、海底等），依据上述的声线几何形状方程和反射、折射定律不断更新其传播方向和位置。在遇到海面或海底界面时，计算反射和折射后的声线参数，并继续追踪。模型会持续跟踪声线，记录其传播路径上的关键信息，如经过的位置、传播时间、相位变化等。
BellHop 模型主要生成三类输出文件。声线追踪文件（通常以 *.ray 为扩展名）详细记录了从声源能够抵达目的位置的所有本征声线传播路径，包括声线在空间中的坐标点序列以及对应的传播时间等信息，可用于直观展示声波的传播轨迹。传播损失文件记录了声信号在观测区域内的衰减情况，以传播损失值（单位：dB）随空间位置的分布形式呈现，对于评估信号在不同区域的强度和可靠性至关重要。声线延迟和幅度文件则记录了声线到达观测区域各个位置的延迟时间、幅值及相位等信息，这些数据对于分析多径传播造成的信号干扰和失真具有关键作用。

4.2 海底网络节点部署

在海底环境中，多径传播普遍存在，这会导致接收信号的衰落和失真。BellHop 模型通过追踪多条本征声线，能够分析多径传播对信号的影响。不同路径的声线到达接收点的时间延迟不同，形成时延扩展 Δτ。根据通信理论，当信号带宽B与Δτ满足一定关系时，会产生码间干扰（ISI）。为了避免 ISI，可通过 BellHop 模型分析多径时延分布，调整节点位置和通信参数，确保在节点通信范围内，多径效应不会严重影响信号的正确接收。例如，在多径时延扩展较大的区域，可降低通信速率，或者采用分集接收等技术来改善通信质量。

在构建海底网络拓扑时，基于BellHop模型对节点间信号传播特性的分析，确定节点之间的连接关系。例如，对于两个候选节点，通过 BellHop 模型计算它们之间的传播损失、时延等参数，如果传播损失在可接受范围内且时延满足通信要求，则可建立连接。在网络运行过程中，当海洋环境发生变化（如声速剖面因季节变化而改变、海底地貌因地质活动而变动），利用BellHop模型重新评估节点间的传播特性，根据评估结果对网络拓扑进行调整。比如，若发现某条链路的传播损失突然增大，导致通信质量下降，可通过增加中间节点或调整链路路由的方式，优化网络拓扑，确保网络性能的稳定。