水声通信网MAC层协议分析与仿真

利用OPNET软件进行了水声通信网的仿真试验,比较了两类MAC层协议-ALOHA及CSMA/CA协议在树形拓扑结构下的网络性能。仿真结果表明:在水声环境中ALOHA协议的性能要好于CSMA/CA,两者皆可以应用于低负载网络中。     

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。     

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。     

基于位置信息的水声传感器网络路由协议

由于水下环境与地面环境不同,无线传感器网络中的协议不能直接应用于水下传感器网络中。针对水下环境的特点,提出了一种适用于水下传感器网络的路由协议。它是一种可扩展的、能量高效的路由协议。仿真结果显示:网络节点的移动速率不是很大时,该协议具有能量利用率高、数据传输成功率高和传输延时低等优点。     

水声通信网数据链路层协议仿真研究

简要介绍了水声通信网的研究现状和水声网络组网方式,提出一种比较适合于浅海的水声通信网数据链路层协议,并在NS2仿真器上进行了仿真研究。仿真结果表明,该协议在浅海声信道环境中具有一定的适用性,在低负荷情况下,此协议可以满足系统的要求。满负荷时网络的吞吐量出现降低的现象需进一步改进。     

基于AR模型的时变水声信道统计分析方法

Bellhop波束追踪方法利用射线理论在给定的几何和声源频率下能够得到准确的水下信道,但没有考虑到随机信道变化,将位置的不确定性和表面波浪的变化引起大尺度效应建模为1阶AR模型,理论建模分析并仿真验证了信道功率增益随通信带宽和通信距离的关系,采用最小二乘拟合对信道功率增益做局部平均,从而对时变水声信道概率密度函数进行估计。表面波浪的时变引起路径长度的变化,通过计算信道功率增益自相关函数可以估计模型参数,从而为信道预测提供可能。     

水下传感器网络拓扑研究

水下传感器网络是一种新型的水下通讯系统。不同于陆地传感器网络,由于受到水下环境和水声通讯等限制条件制约,水下节点的部署也更加复杂。合理的拓扑结构能有效延长网络生命周期、节约节点资源、降低通讯干扰,能够提高路由协议和MAC协议的效率,为数据融合、时间同步和目标定位提供支持。本文分析总结了现有的水下传感器网络拓扑控制策略和关键技术,针对水下传感器网络广泛应用的分簇策略进行了分析和研究。     

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。     

基于OPNET的分布式协议攻击的性能研究

目前,对水声网络协议干扰和攻击的研究大多采用单个节点的攻击方法。在此基础上,为提升攻击性能,研究了分布式协议攻击方法。通过OPNET仿真软件构建水声网络模型,采用不同的协议攻击方法对目标水声网络进行攻击仿真研究,包括单节点工作方式和多节点的分布式协议攻击。比较了不同的工作方式达到的干扰效果以及不同协议攻击方法的分布式攻击工作方式的干扰效果。结果表明,采用分布式协议攻击工作方式,在其他条件相同的情况下,目标网络吞吐量比单节点攻击工作方式多下降了5%以上,对水声网络的干扰效果更佳。     

水声通信中的信道建模与仿真技术研究

水声信道是水声通信的一个重要组成部分,它的研究可以提高水声信号传输的可靠性。对水声通信中不同信道模型的传播特性进行较为详细的理论分析,并用MATLAB仿真软件对不同的信道模型的传播损失特性进行仿真,为水声通信系统的信道设计提供理论基础。     

New concepts and their applications in underwater acoustic warfare simulation system

An underwater acoustic warfare simulation system (UAWSS) with a structure of high level architecture (HLA) is studied based upon a previous research project. With the experience and lessons learned, some new concepts are adopted in the implementation of UAWSS according to the essence of simulation and the objective of the system, among which are simulation synthetic environment, signal processing at other simulation nodes, decomposition of underwater sound channel, channel varying law and rules on system and parts evaluation, etc. Applications of these new ideas show that they are effective.     

叠加编码技术在水声OFDM通信系统中的应用研究

<正>交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)通信技术由于具有频谱利用率高、抗多径能力强等优点,成为当前水声通信的研究重点和热点。在保证鲁棒性能的前提下,为了能够进一步提高其吞吐量,将叠加编码(Superposition Coding,SC)技术应用于水声OFDM通信系统中,在保证基本信号的同时获得额外的信息。仿真结果和水池实验结果表明:通过选择合适的功率分配因子,叠加编码在保证两路信号误比特率性能的前提下,可以提高系统的吞吐量,具有很好的应用前景。     

几种沉积层参数对声线到达结构的影响

本文基于Bellhop声线模型研究了沉积层密度、声速、传播损失系数等几种主要参数对声线到达结构的影响。采用反射系数描述声线与沉积层的相互作用,仿真研究了声线到达结构随沉积层参数变化的关系。结果表明：在水中的声速剖面先验已知的条件下,几种主要沉积层参数值在一定范围内改变时,对声线到达结构的影响较小。     

水声信道的研究与仿真

文中提出的时变多径水声信道模型基本上实现了对海洋水声信道的模拟,在一定程度上反映了海洋介质的物理特性：对Rayleigh衰落模型的仿真,反映了海洋介质的不均匀性以及信号在水声信道中传输的时变特性。每种信道模型都是对真实信道的近似模拟,必然有其适用的范围,要建立更加完善的信道模型还需要对更复杂的环境参数和信号的多径时变特性做进一步研究。     

分簇无线传感器网络的双时槽混合MAC协议

基于事件驱动的无线传感器网络应用,提出了一个基于分簇优化的低时延混合MAC协议--CHMAC.CHMAC采用双时槽传输调度和载波检测多路接入/时分多址接入(CSMA/TDMA)混合模式,采用适合分簇网络的时槽分配,优先保证紧急事件的最小延迟发送,并充分利用分簇网络的数据流特点,精细控制节点的侦听、睡眠以及传输功率,以提高能量有效性和网络吞吐量.理论分析和模拟试验表明,该协议能够以良好的适应性和健壮性在各种流量条件下均表现良好的性能.     

基于深度神经网络的水声FBMC通信信号检测方法

针对传统水声滤波器组多载波（Filter Bank Multi-Carrier,FBMC）通信接收端需经过信道估计和均衡才可恢复出发送符号,系统复杂度高且信道估计精度不佳等问题。文章将深度神经网络融入到水声多载波通信当中,提出一种基于深度神经网络的水声FBMC信号检测方法。在训练阶段通过大量的数据迭代、调试超参数和优化算法来改善深度神经网络参数,使其具有预期的估计效果。利用训练完成的深度神经网络模型取代传统FBMC通信系统接收端的信道估计、均衡等模块,自适应地学习水声信道状态信息,同时避免了固有的虚部干扰影响。在测试阶段直接将频域序列作为网络的输入来预测发送的二进制序列,仿真结果表明所提出的基于深度神经网络的FBMC信号检测方法相比传统信道估计算法有更好的误码率性能。     

RA码在水声OFDM通信系统中的应用研究

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术由于具有频谱利用率高、抗多径能力强等优点,成为当前水声通信的研究重点和热点,但较高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)严重影响了水声OFDM通信系统的性能。采用重复累积码(Repeat Accumulate, RA)作为信道编码方案,并用线性反馈移位寄存器(Linear Feedback Shift Registers, LFSR)代替原RA码结构中的累加器,再通过选择映射(Selective Mapping, SLM)方法降低系统的峰均功率比。计算机仿真和水池实验结果表明,采用改进结构的RA码结合SLM技术能有效降低水声OFDM系统的PAPR,提高系统的性能,具有很好的应用前景。     

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。     

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。