基于粒子群算法的水声通信网络能量优化方法

水声通信网络节点功耗是影响网络节点寿命的重要因素之一。针对水声通信网络的能量优化问题,基于网络节点发射功率与传输距离的非线性关系,结合改进的粒子群算法建立了一种能量优化方法。该方法改进了网络模型,在网络运行中根据存活节点数量和节点剩余能量的变化情况,自适应动态优化每个节点的信息传输路径。仿真结果表明,所提优化方法能有效降低网络节点总功耗,延缓首个节点的死亡,减缓网络中节点的死亡速率,也即减缓了网络有效覆盖面积随着网络运行而减小的速率。     

一种基于VGGish神经网络的水声目标识别方法

水声目标智能识别是水声装备智能化的重要组成部分,深度学习则是实现水声目标智能识别的重要技术手段之一。当前水声目标智能识别经常面临数据集较小带来的训练样本量不足的情况,针对小数据集识别中存在的因过拟合导致模型泛化能力不足,以及输入的水声信号二维谱图样式不统一的问题,文章提出了一种基于VGGish神经网络模型的水声目标识别方法。该方法以VGGish网络作为特征提取器,并在VGGish网络前部加入了信号预处理模块,同时设计了一种基于传统机器学习算法的联合分类器,通过以上措施解决了过拟合问题和二维谱图样式不统一问题。实验结果显示,该方法应用在ShipsEar数据集上得到了94.397%的识别准确率,高于传统预训练-微调法得到的最高90.977%的准确率,并且在相同条件下该方法的模型训练耗时仅为传统预训练-微调方法的0.5%左右,有效提高了识别准确率和模型训练速度。     

一种基于移动代理的自组网跨层入侵检测系统

分析了Ad Hoc网络对入侵检测系统的要求,设计了一种适合移动Ad Hoc网络的基于移动代理的跨层入侵检测系统.在该系统中,检测节点监听其邻居节点网络层和MAC层的通信行为,将跨层信息作为审核数据的来源,在袭击的早期阶段就能够收集足够的袭击证据进行本地入侵检测.当本地监测信息不足以作出判断时,则引入移动代理技术进行协作检测,节约了网络资源,避免了联合检测对网络节点密度的要求,从而降低了误判率,提高了检测效率,增强了系统的分布性、灵活性和适应性.用仿真软件NS-2搭建网络仿真平台进行了仿真实验,结果表明,该检测系统能更好地保障网络安全.     

延迟利用的多节点协同预约式水声网络MAC协议

水声网络媒体接入控制(Media Access Control,MAC)层为水声节点提供接入和冲突避免服务。由于水声信道面临着传播延迟高、带宽窄等困难,水声网络MAC协议的性能较低。文章在MACA-U协议的基础上,针对水声网络传播延迟高的特点,对信道预约的长等待时间进行利用,提出了一种RS-MACA协议。该协议在负载较低时与MACA-U协议兼容;在负载较高时,邻近节点可采用"并行发送"的方式发送,显著提高了吞吐量性能。发射节点在信道预约等待时间内,同时接受符合条件的邻节点的发送预约,邻节点不需要消耗额外时间进行信道预约。完成预约的节点按照时隙进行数据发射,避免了数据包的碰撞。NS3软件仿真结果表明,与MACA-U协议相比,改进后的协议吞吐量性能有明显的提升。     

基于座底式水声网络节点的跟踪测试技术研究

为了满足水下航行体的大范围水下定位跟踪测试要求,针对基于座底式水声网络节点的跟踪测试技术进行深入研究。设计了一种紧凑型水声网络节点,该节点采用卧式安装结构,可通过水声或光电信号进行回收控制,具有结构轻便、布放效率高、回收可靠等特点。利用该水声网络节点,串行布放在某水域组成座底式长基线跟踪测试系统,该系统具备定位跟踪、航行参数遥测等功能。针对其定位跟踪及航行参数遥测功能进行湖上跑船试验,试验结果证明,该系统定位跟踪精度高,航行参数遥测功能可靠,遥测误码率低,总体覆盖范围大,可广泛应用于水下航行体的定位跟踪、导航测试等,具有较高的工程实用价值。     

多跳式水声通信网络数据链路层协议研究

结合水声环境的特点，对具有多跳式传输路径、对等式节点和不规则拓扑等特点的水声网络数据链路层（即MAC层）进行了理论和仿真研究。从吞吐量、延迟、丢包率和能效四个方面分析比较了改进的ALOHA和MACAW协议在多跳式水声网络中的性能。并提出了在实用网络中需要遵循的一些基本的设计原则和对协议的进一步改进有益的建议。     

PON型FC-AE-1553网络的分层节能设计

为了满足航空电子设备组网应用于光纤通道(FC)航空电子环境(AE)时对网络系统低功耗的要求,提出了一种面向FC-AE-1553协议的无源光网络(PON)型网络的分层节能设计模型,而且给出了一种三层(交换层、链路层、物理层)网络节点设计方案。该方案利用了PON型拓扑的低功耗特点,并根据拓扑结构和协议特点设计相应的节能措施,同时在链路层设计半睡眠节能机制和全睡眠节能机制。对该节能方案的实际性能以及对其影响因素进行了理论分析和试验测试,得出的结果表明,采用所提出的三层节能措施之后,航空电子网络终端的功耗降低了79%。这种采用网络分层的低功耗设计对于航空电子网络的节能设计具有很好的启示。     

一种基于跨层设计的UWB无线Ad hoc网络MAC层协议

运用跨层设计思想和方法研究了超宽带（UWB）无线自组织（Ad hoc）网络媒体访问控制（MAC）层协议的设计,提出了一种可利用UWB技术定位性好的优势和实现跨层协作的MAC层协议。该协议通过物理层、MAC层和网络层之间的跨层协作来解决自组织网络单信道无线传输过程中的隐藏终端和暴露终端问题以及网络能量节约问题,以提高网络的性能。仿真实验表明,该协议在平均吞吐量、平均端到端时延以及能量开销等性能指标上,均优于已有的IEEE802．11和MACA—BIMAC协议。该协议的设计思想和方法为下一步的UWB无线Ad hoc网络研究奠定了理论和实验基础。     

反应式容侵系统入侵预测的混合式贝叶斯网络方法

为解决反应式容忍入侵系统中的入侵预测问题,提出了新的混合式贝叶斯网络方法。该方法中,提出了一种基于系统安全状态的入侵模型,以攻击者能力上升的过程来描述入侵,关注入侵对系统的影响,适合于反应式容侵系统根据当前状态选择合适的响应机制。提出了基于入侵模型的混合式贝叶斯网络（HyBN,hybrid bayesian network）模型,将入侵模型中攻击行为和系统安全状态节点分离为攻击层和状态层两个网络层次,两层间使用收敛连接,而两层内部的节点间使用连续连接。在特定的信度更新算法的支持下,实验说明该贝叶斯网络方法用于入侵预测的有效性,比较说明HyBN方法的优点。     

一种用于Ad Hoc网络的简单跨层流控机制及其性能分析

为了改善Ad Hoc网络中传输层协议的性能,基于跨层设计思想设计了一种简单的流控机制.该机制有效地利用了网络层路由反馈、传输层协议、应用层速率自适应调节之间的关联性和跨层信息交互,应用层可根据网络层反馈的路由信息来调节发送速率,进而将网络负载维持在合理水平以最大化网络吞吐量.通过计算机模拟评价了此跨层流控机制,模拟评价结果表明,该机制能够使上层应用得到更加智能的控制,改善了基于UDP和TCP的业务性能,尤其是在网络负载较低的情况下效果更为明显.     

DS-SS在水声跟踪定位系统中的性能分析

传统的水声跟踪定位系统使用单频脉冲信号（Continuous Wave,CW）。CW信号系统容易实现,但却存在很多缺点：对多径干扰敏感、无法多址、无法解决距离分辨力与作用距离之间的矛盾、保密性差等。扩频技术（Spread Spectrum,SS）能够克服CW信号系统的缺点,在通信中有着广泛的应用。在浅水区域,直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum,DS-SS）是更适合于水声信道的扩频技术。讨论了一种直接序列系统模型,并仿真了这种模型的抗多途干扰性能、多用户性能、抗单频干扰性能。仿真结果显示此模型性能优良,实用性强。     

基于分数阶傅里叶变换的水声信道参数估计

准确估计水声信道参数,对提高通信系统的性能有着重要的意义。Chirp脉冲有良好的相关性,常被用作信道探测信号。鉴于分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,FRFT)对chirp类信号的处理特性,用chirp信号作为测量信号,FRFT作为后端处理技术,可以得到很好的处理效果。研究了基于FRFT的水声信道多途时延和多普勒频偏参数估计的原理和方法,该方法通过发射具有正、负调频斜率的组合线性调频信号,在接收端根据FRFT幅值输出的峰值位置估计信道参数。仿真结果表明,此方法计算量与FFT相当,且有较高的估计精度。     

STBC-OFDM技术在水声通信中的试验研究

空时分组编码（Space Time Block Coding,STBC）技术能够获得满发射分集增益并且译码简单,而正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术可对抗水声信道中的多径干扰和实现较高的频谱利用率。设计了将空时分组编码与正交频分复用相结合（STBC-OFDM）的高速水声通信系统方案,并进行了湖上试验研究。湖试中,在1200m距离下,带宽为4.32kHz时有效传输速率为3.328kbps,误比特率低于10-5。湖试结果表明,STBC-OFDM技术在高速水声通信中的应用潜力。     

一种抗信道多径的扫频-扩频调制技术

水声信道是复杂的多径快衰落信道,其信道特性严重影响了水声通信的数据率和性能,抗多径干扰是提高水声通信系统性能的重要技术之一。对一种新的调制方法——扫频-扩频载波（Sweep-Spread Carrier,SSC）调制技术进行了深入研究,通过系统在水声信道实际数据的仿真,探究SSC的抗多径性能,简化了抗信道多径算法。SSC的基本思路是采用连续变化的载波频率,通过相关接收,将接收的多径信号在频域上分离,从而克服了码间干扰的影响。分析了在给定系统时不同信道多径时延对SSC性能的影响,以及给定信道时不同SSC参数对SSC性能的影响。仿真结果表明,选择合适的参数,SSC调制具有良好的抗多径性能。     

MIMO水声通信中的空时分组扩展编码方案探讨

采用多输入多输出（MIMO）结构和空时编码可以使水声通信系统获得分集增益,改善系统性能。针对水声信道中的频率选择性衰落,研究了一种用于MIMO水声通信系统的空时分组扩展编码方案（STBSC）,利用正交扩频编码克服了水声信道中多径干扰对空时分组编码（STBC）信号正交性的破坏。给出了方案的系统模型和实现框图,采用MIMO水声模型对方案的性能进行了仿真。仿真结果表明,STBSC方案在多径水声信道中可以得到完全发射分集。最后介绍了方案的水库试验,试验结果表明了方案的有效性。     

虚拟时间反转镜PDS水声通信双向均衡方案

虚拟时间反转镜（Virtual Time Reversal Mirror,VTRM）引导了空间聚焦和信道均衡,将其应用在Pattern时延差编码（Pattern Time Delay Shift Coding,PDS）水声通信体制,构成VTRM-PDS系统,可增强抗多途干扰的能力。但当通信节点间存在缓慢运动,即信道缓慢时变时,在一帧信号中,信道均衡的效果会随时间逐渐降低,产生失配现象。提出了双向均衡方案,在没有信道先验知识的前提下,通过前向和后向信道均衡,充分利用探测信号和信道信息,提高了信道均衡效果。湖试结果证明了该方案的优越性。     

MC-CDMA技术在水声通信中的应用研究

MC-CDMA技术是正交频分复用和码分多址技术相结合的综合技术,兼有OFDM和CDMA的优点。在水声通信中,由于海洋信道的复杂性,尤其在浅海信道中,存在严重的多途干扰和海洋环境噪声以及严重的时变和空变特性,因此水声信号的衰落很严重。为了在条件恶劣的水下声信道中实现高速可靠通信,将MC-CDMA技术应用于水声通信。该研究分析了MC-CDMA技术的基本原理,并通过仿真MC-CDMA系统和OFDM系统,以及两个系统的水池实验,验证了在水声通信中MC-CDMA系统具有比OFDM系统更好的性能。     

基于压缩感知的水声数据压缩与重构技术

在水声信号处理中,数据量大造成的数据处理压力不容忽视。为了有效地提取水声数据中的有用信息,同时缓解数据量大带给水声数据传输的压力,研究压缩感知(Compressed Sensing,CS)的基本原理及其关键技术,综述了CS理论框架并着重介绍了稀疏变换、观测矩阵设计和重构算法三个方面。通过仿真实验表明了压缩感知技术能够有效地用于模拟数据的压缩与重构。重点对水声舰船噪声信号进行了基于CS的压缩与重构仿真实验,验证了压缩感知技术运用于水声数据处理的有效性,从而达到提高水声数据传输速率的目的。     

非高斯水声瞬态信号双通道Power-Law检测

根据水声瞬态信号的特点,在分析能量检测和高阶谱检测的特性基础上,研究了基于能量检测和基于高阶谱的Power-Law检测方法,将上述两种检测器联合构成一种双通道Power-Law检测器,更好地利用了水声瞬态信号中的统计信息。通过计算机仿真试验,证明了该检测器的有效性,它能在更大程度上适应复杂水声环境变化的要求,改善和提高水声瞬态信号的检测性能。     

基于伪随机序列的多波束水声探测系统的信道估计技术

多波束水声探测系统不同方向回波信号的同时检测,可以理解为通信中的信道估计问题。在水下多径传播环境中,多径信道的时延参数和幅度衰减参数的估计是多波束探测系统实现目标探测、定位和识别的基础,而抑制来自其它波束的多址干扰(MAI)是信道估计算法的重要目标。将直接序列码分多址(Direct Sequence Code-Division Multiple Access,简称DS-CDMA)通信系统模型应用于水声多波束探测系统。建立了基于伪随机序列的水下多波束探测系统的信号模型,研究了基于子空间方法的超分辨率信道估计算法。并给出了数值仿真实现,分析了信噪比、多址干扰及发射波束数等对信道估计算法性能的影响。仿真结果表明,该算法具有抑制多址干扰的性能,信道参数的估计方差逼近Cramer-Rao下界。这种信道估计技术尤其适合应用于多波束参量阵探测系统。