水声网络协议的跨层设计及其应用研究

Underwater Acoustic Networks (UANs) are of growing research interests nowadays. Compared with radio signals,sound signals have a much larger propagation delay, which makes the channel is idle most of the time, while the signal is vulnerable to collisions in the communication time. An urgent need to improve the efficiency of the UANs. This project propose a new dual-channel cross-layer architecture for UANs, which is able to highly promote the overall system performance and the efficiency of resource utilities, and present three kinds of cross-layer applications under this model, based on different optimization objective: Joint Design of MAC & Network Location; Extract the network information in the process of multiple access to the auxiliary routing table update to optimize the link scheduling; Modulation & Coding Self-adaption. A test system prototype built on NI Compact RIO and LabVIEW will be designed and implemented for experiment on networking, location, communication and data forward. The objective of this project is to build four nodes self-organizing ad-hoc network, covering the 6km × 6km region, the minimum transfer rate of up to 400bit/s, and achieve three kinds of cross-layer applications in Xiamen waters. The implementation of this project will lay the foundation for further build Distributed Underwater Acoustic Marine Environment Monitoring Network.

网络协议是目前水声网络通信领域研究的关键问题。相对于无线电信号，水声信号的传播时延很大，这使得信道的大量时间处于闲置状态，而传输时又容易发生碰撞，网络的效率亟需提高。本课题提出一种双通道的水声网络跨层模型，可以有效提高系统的资源利用率，提升网络的整体性能，并引入了3种该模型下可用的跨层应用方案，包括：媒体接入控制与网络测距的联合设计；多址接入过程中的网络信息提取，辅助路由表信息更新，优化链路调度；调制、编码方式的自适应。以NI CompactRIO和LabVIEW作为开发平台，实现用于水下组网实验的水声网络节点样机，可进行小型水声网络的组网、测距、通信、转发等功能的各项实验工作。本项目构建4个节点的自组织Ad-hoc网，可覆盖6km×6km区域，最低传输速率达到400bit/s，实现3种跨层应用方案，在厦门海域测试。本项目的实施将为进一步构建分布式海洋环境水声监测网奠定基础。

随着世界各国对海洋权益的日益重视、海洋经济热潮的兴起和无线电网络技术研究的迅猛发展，水下通信及其组网的水声网络已经成为水声技术中新的研究热点。跨层设计是水声网络技术中急需解决的关键技术之一，可以使系统在恶劣海洋环境中能更有效地利用稀少的可用资源。对于能量、资源严重受限的水声网络，跨层设计研究具有重要的理论与现实意义。实践证明，水声信道对整个通信系统有决定性的影响，所以项目中加强了水声信道变化对声信号传播的影响的研究。另外，考虑到水下传感器网络是水声网络协议的主要应用场景，为了解决水下通信节点的能耗受限问题，对水下传感器网络MAC协议能耗进行了优化研究。.项目主要完成了以下四个方面工作：1、提出一种独立的控制通道、数据通道的双通道的水声网络跨层模型，可有效提高系统资源的利用率，提升水声网络的整体性能。在该模型下，根据不同的优化需求设计了三种跨层应用方案：节点调制、编码方式的自适应方案；多址接入过程与节点测距的联合设计方案；多址接入过程中网络信息的提取方案。2、以NI CompactRIO和LabVIEW作为开发平台，设计并实现了用于水下组网实验的水声网络节点样机。在厦门五缘湾海域进行了现场实验，完成组网、测距、通信、转发等网络各项功能的实验测试。实验结果显示，水声网络通过跨层设计使性能得到提高，获得较好的实验结果。3、对通信节点运动情况下的信道变化和不同通信距离情况下信道的变化进行研究，用反卷积方法对接收到的水声信号进行处理，以提高信号检测概率和通信节点物理层的稳健性。4、考虑到网络的延迟和吞吐量等网络性能，以及水下传感器网络的能量限制，提出MAC层的能耗优化方案，对水声网络协议进行仿真，结果显示，与未经优化的MAC协议相比，在不降低网络性能的基础上能耗减少约90%，大幅度提高网络生存时间。.项目预期目标基本完成。