水声传感网中的高效调制解调器的设计

为适应水声传感网络节点密集、规模大、工作时间长的特点,提出了一种具有小体积、低成本、低功耗等特点的水声调制解调器。采用数字幅度调制2ASK调制解调方式,硬件使用低功耗设计方案,电池供电,使用市场上量产的收发一体式小型水声换能器,使功耗和成本得到大幅度降低。经实际测试,整机最大功耗为90 mW,数据传输速率为2kbps,具备代替市场上昂贵水声调制解调器的潜力,在水声传感网技术中有良好的应用前景。     

水声通信中的多载波CDMA

多载波码分多址技术是第三代数字通信系统研究中重要课题之一，其主要特点是采用多载波并行传输，成为通信系统提高传输速率的一种有效方法。水声通信在远距离传输时通信速率通常比较低，本文将水声扩频通信与无线电通信中这一成熟技术加以结合，以提高水声通信的传输速率，给出了UW—MC—CDMA系统并进行了分析。     

一种基于CSMA/CA的水声网络功率控制MAC协议

水声通信网络在资源勘探、灾害预报、环境监测等方面有广阔的应用前景。由于水声通信环境传播延迟高、带宽窄,TDMA、FDMA等多址接入方式的应用受到了限制,因此在水声网络中一般采用随机接入的方式。CSMA／CA是一种得到广泛应用的多址接入协议。在CSMA／CA协议的基础上,设计了一种适用于水声网络的功率控制MAC协议-PC-CSMA／CA协议。PC-CSMA／CA协议利用CSMA／CA进行RTS／CTS预约的特点,进行数据包传输的自适应功率调整,在不影响CSMA／CA协议的性能的同时节约了能量。仿真结果表明：改进后的协议大大减少了能量消耗,且不影响网络的吞吐量。     

基于正交频分复用的水声通信系统仿真

为了克服由信号的多途传输引起的码间干扰,通过仿真探讨了MQAM-OFDM通信系统在15公里距离的多径衰落水声信道中系统可靠性、有效性及抗多径能力。仿真结果表明,它具有较强的抗多径干扰能力,适当选择不同的编码交织、调制方式可以实现系统的多速率有效传输,在现代水声通信中应具有很好的发展前景。     

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。     

水声网络中的跨层设计研究

跨层设计是水声网络中急需解决的关键技术之一。对于能量和可用频带严重受限的水声网络系统,跨层设计能有效地利用海洋声信道环境下稀少的可用资源,克服分层网络设计中非最优和不灵活的缺点,使系统运行在最佳模式下。在介绍国内外水声网络跨层设计研究的基础上,提出了一种基于控制通道和数据通道的双通道水声网络跨层设计模型,分析了该跨层网络模型的优势,并给出一种自适应节点调制和编码的双通道水声网络跨层模型应用方案,在水池和厦门海域中进行了多节点自组织组网实验,验证了该方案的可行性,表明双通道跨层模型在水声网络设计中具有良好的应用前景。     

基于正交频分复用的水下转发器的设计

为解决长距离高速水声数据传输问题,采用接力式水声数据转发传输是一个很好的解决方案。结合正交频分复用技术的特点设计实现了一个数字式的水下转发器系统。系统功耗低、结构简单,可以很好地解决水声通信中存在的多途干扰和窄带宽问题,实现高速、可靠的水下数据转发的目的。湖试中,在6000m的距离内,3kHz带宽下,转发速率为4.32kb/s,误码率低于10-3。湖试结果表明,基于正交频分复用的水下转发器可以达到较高的转发速率和较低的误码率。     

水声通信系统中分布式空时分组码的研究

协作传输可以获得无线信道内在的空间分集,有效改善通信系统的性能,增加通信系统的覆盖范围。对水声通信系统中两中继节点协作的译码转发方案进行了研究,提出了基于译码转发协议(DF)的分布式空时分组扩频编码(DSTBSC)方案,该方案可以克服多径衰落对分布式空时分组码(DSTBC)信号正交性的影响。给出了DSTBSC方案的系统模型,着重分析了在采用两中继译码转发时,中继节点的误码对水声通信系统性能的影响。在接收端不考虑信号冲突的情况进行仿真,结果表明,与直接传输方案相比,采用两中继节点、译码转发的DSTBSC方案,在两中继节点处均无误码和一个中继有误码时在相同的比特误码率(BER)条件下均可获得约4dB的分集增益,增加了传输距离。     

基于混沌正交组合序列的M元码分多址水声通信

提出了M元能量检测器算法,该算法简单易实现,极大优化了M元码分多址系统接收机结构和解码运算量。同时,M元能量检测器具有抗载波相位跳变和抗水声信道多途干扰的能力。针对M元码分多址水声通信系统中所需扩频序列数量庞大、选码难度高的问题,提出了混沌正交组合序列,通过简单的迭代组合即可产生大量满足要求的扩频序列,而且同族的混沌正交组合序列间满足正交关系。海试试验成功实现了7个用户的M元码分多址水声通信试验(M=512),共采用了3 584条混沌正交组合序列,每个用户通信速率为70 bit.s-1,验证了算法的有效性,为网络化水声通信的应用提供了技术基础。     

事件驱动型传感器网络能量有效数据融合算法

从降低网络能耗和平衡网络负载的角度,提出了网络的一种能量有效的数据融合算法EFDAA,可应用于节点数量及覆盖度均较大的事件驱动型无线传感器网络.该算法采用正六边形网格划分方法,基于全网能量消耗模型计算所需的融合节点数,解决由于无规则选取融合节点数量而造成的网络能耗增加问题,并且能够优化融合节点的分布;为平衡网格内节点负载,以节点剩余能量、邻节点度和移动性作为选取融合节点的权重因子,基于距离信息自适应调整网格内节点间的单跳通信级别.仿真实验结果表明,融合节点数量的优选,降低了网络总的能量消耗;相比较于HEED算法,EFDAA有效延长了网络生命期.     

OFDM水声通信下行非正交多址接入功率分配方法研究

针对基于功率域非正交多址接入（Power Domain Non-orthogonal Multiple Accesses,PD-NOMA）的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）水声下行通信系统的功率分配问题,提出了一种基于中断概率的功率分配方法。用户节点在系统初始化阶段根据源节点广播的组网数据包获取水声信道的统计特征,源节点根据水下用户反馈的信道特征参数建立水下用户的中断概率模型,以最小化两用户的中断概率和为目标建立目标函数,在中断概率区域边界上遍历搜索最优的功率分配系数。仿真结果表明,该方法在保证公平性的条件下,有效降低了用户节点的中断概率,提高了系统的频谱利用率和误码性能。     

低时延能耗均衡的水声传感器网络簇间路由算法

针对水声传感器网络的簇间路由选择问题,提出了一种基于前向网关的低时延能耗均衡路由算法,该算法采用最优方向角原则和能耗均衡原则选择中继簇头和中继网关,以减小长延迟和高能耗对水声通信的影响。仿真结果表明该算法在网络平均能耗、端到端时延和网络生命周期等方面具有较好的性能。     

Energy Efficient Clustering Protocol to Enhance Network Lifetime in Wireless Sensor Networks

In this paper, the energy conservation in the ununiform clustered network field is proposed. The fundamental reason behind the methodology is that in the process of CH election, nodes Competition Radius (CR) task is based on not just the space between nodes and their Residual Energy (RE), which is utilized in Energy-Aware Distributed Unequal Clustering (EADUC) protocol but also a third-degree factor, i.e., the nearby multi-hop node count. In contrast, a third-factor nearby nodes count is also used. This surrounding data is taken into account in the clustering feature to increase the network’s life span. The proposed method, known as Energy Conscious Scattered Asymmetric Clustering (ECSAC), self-controls the nodes’ energy utilization for equal allotment and un-equal delivery. Besides, extra attention is agreed to energy consumption in the communication process by applying a timeslot-based backtracking algorithm for increasing the network’s lifetime. The proposed methodology reduces the clustering overhead and node communication energy consumption to extend the network’s lifetime. Our suggested method’s results are investigated against the classical techniques using the lifetime of the network, RE, alive hop count and energy consumption during transmission as the performance metric.     

深水通讯节点中基于脉冲采样的高能效SPWM发生系统设计

近年来,深水探测中水下通讯节点的小型化、低功耗成为设计的难点。在水声通信中,普遍使用正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)信号驱动功率放大器进行工作。传统SPWM产生系统电路复杂度高,针对SPWM生成原理和电路实现,提出基于脉冲采样的SPWM生成方法,并进行性能分析;基于数字处理器设计了高能效SPWM发生系统,在保证SPWM信息损失较小的同时,减小硬件电路面积。实验结果表明,提出的高能效脉冲采样法与SPWM发生系统可以满足工程应用。     

Wireless multicasting under probabilistic node failures: a heuristic approach

The minimum power multicast (MPM) problem is a well-known optimization problem in wireless networks. The aim of the MPM problem is to assign transmission powers to the nodes of a wireless sensor network in such a way that multi-hop communication between a source node and a set of destination nodes is guaranteed, while the total transmission power expenditure over the network is minimized. Several extensions to the basic problem have been proposed, in order to obtain more realistic mathematical models. In this paper we deal with the probabilistic minimum power multicast (PMPM) problem, where node failure probabilities are considered and a global reliability level of the transmission is required. Since the so far available exact approach can handle only small-sized instances of the PMPM problem, in this paper we focus on the study of a heuristic approach. A heuristic algorithm for the PMPM problem is presented, together with a fast method for the reliability calculation based on previously unexplored combinatorial properties of the model. Computational experiments are finally discussed.     

An Energy Based Dynamic AODV Routing Protocol in Wireless Ad Hoc Networks

In recent years, with the rapid development of the Internet and wireless communication technology, wireless Ad hoc networks have received more attention. Due to the limited transmission range and energy of nodes in Ad hoc networks, it is important to establish a reliable and energy-balanced transmission path in Ad hoc networks. This paper proposes an energy-based dynamic routing protocol based on the existing AODV routing protocol, which has the following two aspects of improvement: (1) In the route discovery process, a node selects a suitable route from the minimum energy consumption route and the energy-balanced route designed in this paper according to a “Mark” bit that representing remaining energy of a node. (2) Based on (1), a route interruption update strategy was proposed to restart the route discovery process when node energy was used excessively. Simulation results demonstrate that compared with AODV and other existing routing protocols, proposed algorithm can reduce network energy consumption and balance node energy, thus extending the network lifetime.     

水声通信中无边带信息峰均比抑制算法

主要研究了多输入多输出正交频分复用水声通信中的峰均功率比抑制技术。针对传统选择性映射算法(Selective Mapping,SLM)需要将所选加扰相位序列的序号作为边带信息传递给接收端的缺点,提出了一种改进SLM算法,从判决反馈的角度设计图样检测器对所选加扰相位序列的序号进行判断,节约了边带信息传输,克服了传统SLM算法系统的误比特率性能依赖于边带信息准确性的问题,提高了系统的频带利用率。通过仿真验证,改进SLM方法能在不损失峰均功率比抑制性能的前提下,在接收端能够准确地解算出所选择的加扰相位序列序号,实现无边带信息传输的可靠水声通信。     

拖线阵声纳数字式水下数据高速传输的设计

通过拓扑结构的分析,提出了一种针对拖线阵声纳的数字式水下数据高速传输的方案;介绍了水下数据传输节点的总体设计,并详细地介绍了HOTLink发送接收控制器的设计;然后设计了基于伪随机序列码的误码分析仪,并用其测试了水下数据高速传输节点的误码率。误码测试结果和性能比较结果表明该方案切实可行,并能够方便地实现小型化。     

水声传感器网络移动节点定位技术

针对水声传感器网络的移动节点定位问题,首先研究了基于距离测量值的多边定位方法(Multilateral Localization,ML);然后利用节点运动信息,提出采用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)进行跟踪的方法;最后针对水下移动节点的测量值不同步问题,提出了修正扩展卡尔曼滤波(Modified Extend Kalman Filter,MEKF)以改进EKF的精度。仿真分析结果表明,MEKF的定位精度要好于EKF,而EKF和MEKF由于其用到了节点的运动信息,因此其定位精度要远好于ML。