一种低碰撞多传输的水声无线网络MAC协议

针对水声通信网络中长传播时延带来的时空不确定性以及现有水声MAC协议中存在信道预约阶段握手碰撞概率较高的问题,提出了一种碰撞避免并发传输的MAC协议(Collision Avoidance Concurrent Transmission MAC protocol,CACT-MAC)。CACT-MAC协议先由目的节点发起广播测试帧,对信道进行预约。收到该测试帧的源节点通过发出带有并发传输条件的控制包进行并发传输节点的获取,同时这个控制消息还能够为后续数据包的追加传输提供支持。此协议包含一种发送优先级确定机制：根据源、目的节点传播时延与中继数据包数目来确定发送顺序。与DCT-MAC协议和Slotted-FAMA协议相比,所提协议在网络吞吐量上分别提高了5.49%和9.98%,同时在信息控制开销方面分别降低了18.87%和20.56%。     

定向接收低冲突率水声网络媒体接入控制协议

在全向水声通信网络场景中,较大的传播时延和较高的数据包碰撞率严重影响了网络性能。相比全向接收技术,声矢量传感器的声压和振速通过线性加权组合可以形成单边指向性,实现定向接收某个方向上的信号,进而提高网络的空间复用率。该文首先分析了声矢量传感器定向接收模式下的网络中断概率,验证定向接收技术网络应用的可行性。然后,提出了定向接收低冲突概率媒体接入控制协议(DRLCP-MAC)。该协议利用指向性接收波束握手机制建立稳定的数据传输链路,通过状态转移策略构建多对并行通信链路,缩小虚拟载波监听范围,提高网络的空间复用度。仿真结果表明,与水下冲突避免多址接入协议(MACA-U)和时隙地面多址接入协议(Slotted-FAMA)相比,DRLCP-MAC协议使信道接入成本降低了约50%和60%,网络吞吐量提升了约60%和400%,端到端时延降低了约50%和85%。     

基于线性规划的超宽带WSN功率控制策略

能耗开销是无线传感器网络(WSN)性能的瓶颈问题之一,而功率控制是解决这一问题的最有效方法。针对超宽带(UWB)WSN,该文以实现网络功耗最小化为目标,从跨层优化的角度提出了基于UWB最优功率分配策略模型;然后,给出了在lexicographic max-min(LMM)策略下的线性规划求解方法。仿真结果表明,LMM策略可较大改善节点平均功耗和链路成功接通率。     

Energy-Efficient Routing Schemes for Underwater Acoustic Networks

Interest in underwater acoustic networks has grown rapidly with the desire to monitor the large portion of the world covered by oceans. Fundamental differences between underwater acoustic propagation and terrestrial radio propagation may call for new criteria for the design of networking protocols. In this paper, we focus on some of these fundamental differences, including attenuation and noise, propagation delays, and the dependence of usable bandwidth and transmit power on distance (which has not been extensively considered before in protocol design studies). Furthermore, the relationship between the energy consumptions of acoustic modems in various modes (i.e., transmit, receive, and idle) is different than that of their terrestrial radio counterparts, which also impacts the design of energyefficient protocols. The main contribution of this work is an in-depth analysis of the impacts of these unique relationships. We present insights that are useful in guiding both protocol design and network deployment. We design a class of energyefficient routing protocols for underwater sensor networks based on the insights gained in our analysis. These protocols are tested in a number of relevant network scenarios, and shown to significantly outperform other commonly used routing strategies and to provide near optimal total path energy consumption. Finally, we implement in ns2 a detailed model of the underwater acoustic channel, and study the performance of routing choices when used with a simple MAC protocol and a realistic PHY model, with special regard to such issues as interference and medium access.     

OFDM水声通信中最大多普勒频偏估计算法研究

在水声通信中,发射与接收端相对运动引起的多普勒频移会严重恶化OFDM系统传输效果.因此多普勒频移估计是水声通信的关键技术之一.本文采用的最大Doppler频移估计算法,是利用信道功率谱的分布对接收的导频信号进行频域差分检测来进行估计.这种方法复杂度低,精度较高,无需获得正确的信道时域冲击响应信息,也无需再对信号进行自相关运算,而且特别适用于低信噪比的水声通信系统.     

基于数据样本方差的正交频分复用水声通信多普勒频移估计方法

针对正交频分复用(OFDM)水声移动通信易受时变多普勒频移影响的缺点,该文提出一种基于数据样本方差的多普勒频移估计方法。利用前序符号的信道估计值恢复当前符号的有效数据序列及其频域分集副本,计算分集副本与数据序列的比值并搜索该比值序列在不同多普勒补偿因子下的方差,选取方差最小时对应的补偿因子作为多普勒频移估计值,利用稀疏贝叶斯学习和判决反馈信道估计算法获得修正后的信道频域响应并传递给后序符号,实现对多普勒频移的实时跟踪。数值仿真验证了该方法的可行性和优越性,海上试验证明,该方法实现了基于无人水下航行器的OFDM水声移动通信,能够对时变多普勒频移进行有效估计。     

双站前视低频超宽带SAR的快速因式分解后向投影算法成像处理

双站前视低频超宽带(UWB)SAR兼具双站前视的复杂成像构型和低频UWB的强距离方位耦合两个特点,因此极大地增加了实现高精度成像处理的难度。针对这个问题,该文提出一种基于快速因式分解后向投影(FFBP)算法的双站前视低频UWB SAR成像处理方法。首先,基于双站前视低频UWB SAR的成像几何构型和信号模型,给出了双站前视低频UWB SAR 原始BP算法成像的原理和流程。其次,在上述基础上,推导了双站前视低频UWB SAR FFBP算法成像处理的精确相位误差形式,并分析了相位误差对成像处理的影响,据此建立了双站前视低频UWB SAR FFBP成像处理中的子孔径和子区域划分原则。接下来,给出了双站前视低频UWB SAR FFBP算法成像处理流程,并对比分析了BP算法和FFBP算法的成像效率。最后,利用仿真实验证明了文中所作理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

水声通信网络中的MACA-C介质访问控制协议

介质访问控制协议（Medium Access Control , MAC）是水声通信网络中的一种关键技术。与陆地无线通信系统使用无线电波有所不同,水声通信网络依靠水声进行通信。水声通信网络中的MAC协议设计面临许多挑战面,如:传播延迟大、带宽窄、电池不易更换或充电、节点发射功率受限等。因此,陆地无线通信系统的各MAC协议不能直接应用到水声通信网络。本文提出了一种适用于水声通信网络的MACA（MACA-C）协议,该协议主要将传输数据包和控制包结合使用,在每轮握手的过程中,该协议通过发送列的首数据包和RTS控制包来改善信道利用率。仿真结果也表明MACA-C能够达到较高的和稳定的吞吐量性能,同时在保持低碰撞率的前提下增加信道利用率。      

Low-Power Based Coherent Acoustic Modem for Emerging Underwater Acoustic Sensor Networks

Smart, small, inexpensive sensor nodes are used to construct underwater acoustic sensor networks. In addition, with the recent increase in the importance of underwater applications, the need for underwater communication has become more important. Hence, an acoustic modem capable of effective underwater communications has become more necessary for the sensor nodes to obtain underwater data. To develop an acoustic modem for effective underwater communications, some limitations must be overcome, such as the very short transmission range of radio waves, limited power supply, and high cost of commercial acoustic modems. Recently, low-power, low-cost acoustic modems have been developed. However, the data rates of these modems are so slow that sensor nodes cannot perform energy-efficient protocols. The objective of this work is to develop an acoustic modem capable of supporting high data rates. We introduce a coherent acoustic modem that uses waterproof ultrasonic sensors to process acoustic waves. The proposed modem is based on a low-power, low-cost, short-range concept, and it also supports a high data rate for energy-efficient MAC and routing protocols. Underwater experiments are conducted to evaluate the performance improvements of our modem. Experimental results show that our modem has the best performance among all recently developed low-power modems and that it is preferable to develop a coherent modem able to perform effective underwater communications.     

水声多径信道多普勒因子精确估计方法

由水下平台运动导致的多普勒效应是影响高数据率水声通信性能的主要因素,现有多普勒估计方法在复杂水声多径信道条件下估计精度急剧下降。针对此问题,提出了一种可自动匹配水声多径信道的精确多普勒频移估计方法。仿真结果表明：该方法可显著提高水声多径信道的多普勒频移估计精度,信道适应性强,在信噪比大于-5 dB时,估计精度始终保持在10^-4左右,满足高数据率水声通信对多普勒因子估计精度的要求。     

水下无线传感器网络中一种安全定位算法

提出一种基于阵列传输结构的无线传感器网络安全定位算法（USA）。该算法主要解决水下无线传感器网络（UWSN）面临的一些安全威胁问题。以提高无线传感器网络安全性,特别是位置信息的安全性为设计目标。利用节点协作形成的阵列作为天线阵列进行相互通信,在不增加额外硬件成本的同时,还获得阵列天线给无线传感器网络带来的优势,如减小多径效应、提高接收端的信噪比、增加系统容量等。USA算法基于这种阵列结构使网络得到很高安全特性,特别是,对Wormhole攻击具有非常好的抵御性能。仿真实验证明该算法的有效性。     

水下无线传感器网络安全研究综述

水下无线传感器网络(UWSNs)广泛应用于如灾害预警、资源勘探等各种领域,然而易受到恶意攻击,迫切需要发展能够适应其通信带宽窄、传播时延长、时空不确定性严重等特性的安全机制。首先,该文从水下无线传感器网络的特性及安全需求入手,对其面临的安全威胁进行了分析。然后,对水下无线传感器网络中的加密、认证、信任管理、入侵检测、安全定位、安全同步和安全路由各类安全机制进行了综述。最后,对水下无线传感器网络安全研究中面临的缺少实际测试及相关数据集等挑战以及利用网络特性发展安全机制的未来研究方向进行了探讨。     

水声网络中Aloha协议与MACA协议的比较分析

浅海水声信道的快衰落、长延时使水声网络媒介访问控制（MAC）层协议的性能受到了较大的负面影响。为了能更好地将无线传感器网络的MAC协议适用于水声网络,本文着重对Aloha协议和冲突避免多址接入（MACA）协议进行改进分析,借助通信网络仿真工具OPNET,比较两者在吞吐量、时延、能量损耗和分组丢失率4方面的性能结果。仿真结果表明：与Aloha协议相比,MACA协议能更好地提高性能,有利于在水声网络中使用。     

水声传感器网络数据可靠传输协议IPool-ADELIN的研究

ADELIN(ADaptive rELIable transport protocol)协议利用冗余传输节点来增强了水声传感器网络数据传输的可靠性,下游节点实际上已经接到冗余节点转发的绝大多数数据包.本文提出了基于IPool(Improved Pool)节点的IPool-ADELIN协议.通过监听节点的数据传输,IPo...     

一种多速率水声传感器网络协商机制

在水下声通信传感器网络中,一个较短的链路可以比一个较长的链路提供更大的带宽。多速率水声传感器网络模型可以在不同长度的链路间动态选择传输速率,提高了带宽的利用率。针对多速率水声传感器网络的速率协商问题,提出了一种基于握手的多速率协商机制。这种协商机制适用于链路长度未知的多速率水声传感网,可以在保证网络连通率的前提下降低端到端延迟和单位比特的能量消耗。仿真验证结果表明,该协商机制可以有效提高水下声通信传感器网络的性能。     

Reinforcement Learning-Based Routing in Underwater Acoustic Sensor Networks

Wireless Personal Communications - Underwater acoustic sensor networks (UASNs) play an essential role in exploring the marine world applications in rivers, ponds, and oceans. In recent years,...     

基于运动预测的水下传感器网络MAC协议

在海洋环境的影响下,水下无线传感器网络(UWSN)节点始终处于运动状态;UWSN采用声信号通信,缓慢的节点移动也会造成UWSN现有的多址接入技术(MAC)协议冲突避免机制失效。该文建立了水下节点的运动模型,基于AR运动预测模型减小水下节点的时空不确定性对于MAC协议的影响,提高发送信息在预约时隙到达的概率。仿真结果表明,采用AR(5)预测可以减小74.8%的时延探测误差。提出了基于预测的预约MAC协议：P-MAC。NS-2仿真结果表明该协议在海浪运动场景下能提高收包成功率(PRR)10%-15%。     

Accurate Localization Under Correlated Errors for Underwater Acoustic Sensor Networks

Localization is an indispensable part for most underwater wireless sensor networks (UWSNs). In these networks, acoustic ranging signals are typically used. Because of the depth dependent sound speed, acoustic ray bends in water. This presents a unique problem making conventional localization algorithms assuming straight line distances between target and anchor nodes inaccurate. In this paper, authors present a Maximum Likelihood estimation scheme for accurate location estimation in UWSNs where there is correlation of range measurement errors. The method takes into account ray bending by making use of ray tracing, with sound speed profile as input. The performance of the scheme was studied by means of Monte-Carlo simulation and the results are reported. The Cramer-Rao lower bound of the scheme is also derived and reported.     

一种应用于超宽带系统的宽带LNA的设计

结合切比雪夫滤波器,可以实现宽带输入匹配的特性和片上集成窄带低噪声放大器(LNA)的噪声优化方法。提出一套完整的基于CMOS工艺的宽带LNA的设计流程,并设计了一个应用于超宽带(UWB)系统的3~5 GHz宽带LNA电路。模拟结果验证了设计流程的正确性。该电路采用SMIC 0.18μm CMOS工艺进行模拟仿真。结果表明,该LNA带宽为3~5 GHz,功率增益为5.6 dB,带内增益波动1.2dB,带内噪声系数为3.3~4.3 dB,IIP3为-0.5 dBm;在1.8V电源电压下,主体电路电流消耗只有9 mA,跟随器电流消耗2 mA,可以驱动1.2 pF容性负载。