群岛环境下的空海地通信一体化网络研究

Considerable area of sea in our country is featured with archipelago. The real-time ocean three-dimensional observations of the archipelago environment require not only effective use of the multi-island communication convenience but also overcoming the complex underwater environment brought by archipelago and shallow water in order to achieve joint air, sea and underwater networking. This project proposes a cross-space collaborative dynamic access and information transmission mechanism to realize the cross-media integrated networking under the archipelago environment. The research contents include establishing a three-dimensional network model of archipelago environment. On this basis, we further study the traditional single medium network such as physical layer communication links and media access control to meet the requirements of the integrated cross-media networking. Then, we research the theories of air-ground network such as dynamic access, opportunistic routing and transmission control of sparse cross-media ad hoc networks and finally implement the demonstration system. This project will help to enhance the ocean three-dimensional observation capability in the archipelago environment and will be of great significance to marine scientific research, environmental protection and marine economy.

我国沿海多岛屿，大量海域具有明显的群岛环境特征。群岛环境的海洋立体实时观测，既要有效利用多岛的海面组网便利，又要克服群岛和浅海带来的复杂水下环境，以实现空中、海面和水下联合组网。本项目提出跨空间协作动态接入和信息传输机制以实现群岛环境下空海地跨介质一体化组网。研究内容包括建立群岛环境的三维立体网络模型；在此基础上，深入研究物理层通信链路、介质访问控制等传统的单一介质网络相关内容，使其满足空海地一体化跨介质组网的要求；然后重点研究稀疏跨介质自组织网络动态接入、机会路由和传输控制等空海地组网理论；最后实现空海地一体化网络软硬件演示验证系统，选取舟山海域这一代表性群岛环境进行海试验证。本项目的空海地一体化网络研究有助于提升群岛环境下的水下、海上和空中的海洋立体观测能力，对海洋科学研究、海洋环境保护和海洋经济发展均具有重要意义。

我国沿海多岛屿，大量海域具有明显的群岛环境特征。群岛环境下的三维立体监测对有效开发群岛资源，促进海洋科学研究、海洋环境保护和海洋经济发展具有重要意义。本项目针对群岛海域环境特点，构建空中、海面、水下跨域信息网络，实现空海地一体化组网。本项目研究期间，项目组充分利用多输入多输出水声信道的空间相关性和时间稀疏性，提出了基于稀疏贝叶斯学习的水声信道估计算法，兼顾算法复杂度和信道估计性能；剖析了水声通信网络无碰撞时空条件，揭示了水声通信网络时空耦合的碰撞机理，并针对不同应用场景提出了接入控制协议的优化方案，实现了高效可靠水声通信组网；探索了结合水声和电磁波的水空跨介质通信机理，建立了不同场景下的跨介质通信信道模型；针对跨介质一体化组网，提出了基于无线电与声通信一体化网络的海洋信息传输架构，实现高效数据传输；通过在试验水池和开放水域中搭建试验平台，项目组对提出的水声通信及组网、跨介质通信及一体化组网等技术进行了试验验证。此外，本项目的部分理论研究成果得到转化应用，研发了小型远距离高速水声通信机，获评2021年度中国十大海洋科技进展；研发了高速MIMO水声通信试验系统，实现了目前国际上可见报道的最高水声通信速率乘距离指标。综合来看，本项目通过理论与实践相结合的手段，推动了空海地跨介质一体化组网的深入研究和示范应用。本项目组已经完成了计划书中的全部研究内容。发表标注资助号的论文43篇（SCI收录33篇，EI收录10篇）；申请国家发明专利10项（其中7项已授权），授权实用新型专利4项，申请软件著作权1项；提交年度进展报告3份，中期报告1份；培养博士后1名，博士生5名，硕士生13名；项目负责人获2022年度国家杰出青年科学基金资助。