水声通信网综述

近年来,由于水下通信技术的发展和应用需求,国内外对水声通信网络进行了大量的研究工作,并且在方案验证、模拟仿真的基础上,开始了水声网络的海上实验。本文从水声通信网的发展过程和特点出发,系统介绍了水声通信网的体系结构和关键技术,并且详细介绍了各层的研究内容和研究现状,最后对水声通信网今后的研究方向和应用前景进行了展望。

Aloha-LPD:一种用于水声通信网的MAC协议

为了减小长传播延迟对水声通信网性能的影响,在传统Aloha协议的基础上,借鉴CSMA协议载波侦听的思想,提出了一种用于水声通信网的MAC协议Aloha-LPD.利用水声通信的长传播延迟,采用半双工的通信方式,增加节点等待ACK回复帧过程中接收数据帧的机制,使一个节点同时与多个节点无冲突地通信.通过OPNET建立仿真模型,分析结果表明,与传统Aloha协议和基于RTS/CTS握手的协议相比,Aloha-LPD协议能够提高网络吞吐量,减小网络的端到端延迟.水声传输信道的长延迟是水声通信网性能的一大瓶颈,但如果能合理利用,也能改善水声通信网的性能.

水声通信网中基于能量平衡的动态路由控制

针对水声传感器网中一些中继节点因过分使用而过早耗尽能量的问题,提出一种动态路由控制新方法.通过周期性预测出节点的信息产生率,并根据节点当前剩余能量,估计出采用不同路由时节点的生命值.以网络节点的最小生命值为目标函数,借助遗传算法周期性搜索出与最大目标函数值对应的路由,这样的路由就是能平衡各节点能量的最佳路由.仿真结果表明,该方法能避免生命值较小的节点承担过分的中继任务,延长节点生命.

一种用于水声通信网的TDMA方案

由于海洋中恶劣的传输条件,设计高可靠性、高吞吐量的水下通信网是一项具有很强的挑战性的工作。本文提出了一种适合水下环境中通信网使用的TDMA方案,该方案通过TDMA数据帧的交错布置减少信道的闲置时间,提高网络效率。仿真实验结果表明,该TDMA方案具有较高的网络性能。

浅海水声通信网的FH-CDMA方案研究

首先简要介绍了水声通信网的概念和设计要求 ,然后对水声通信网的多址技术进行了探讨 ,提出了一种稳健的、适用于浅海水声通信网的跳频码分多址 (FH CDMA)方案 .通过对浅海水声信道进行建模仿真 ,并在此基础上构建网络仿真系统 ,分析并比较了FH CDMA方案在不同传输条件下的水声信道中的性能 .仿真实验表明

水声通信网竞争式介质访问控制协议的研究

水声通信网介质访问控制(Media access control,MAC)协议决定了节点共享水声信道资源的方式,它直接影响到水声信道的利用率和网络的整体性能。本文简要介绍了Aloha、MACA-U和UW-CSMA/CA三种竞争式MAC协议的基本原理,并基于NS2仿真平台,在集中式单跳网络和分布式多跳网络两种拓扑结构中对Aloha、MACA-U和UW-CS/MACA三种竞争式MAC协议的吞吐量、平均端对端时延、冲突率和协议开销等性能进行对比,并分析数据包长度对三种协议性能的影响,为实用MAC协议的设计提供了有效的参考数据和策略。

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。

水声通信网层次路由算法

针对水声通信网中由于节点能耗不均衡而影响网络生命周期的问题,基于无线传感网络的层次路由算法,提出了一种适用于水下环境的水声通信网层次路由算法.该算法采用分轮的思想,使用改进的复杂网络社团结构检测谱方法的相关算法.通过网络初始化等措施构建水声通信网的图结构,并利用Laplacian阵与聚类算法得到簇结构,进而实现网络中数据的正常传输.仿真实验表明,在水声通信网的特殊条件下,该算法相对于传统的LEACH协议能取得较好的效果,在网络稳定传输数据的情况下,网络各轮的存活节点数均优于LEACH.

一种用于水声通信网的多址接入协议

由于传输介质的不同,使得水声通信具有一些有别于电磁波通信的特点。本文针对水声信号传播时延长带来的效率低的问题,为水下环境中的通信网提出了一种新型的冲突避免多址接入协议,该协议通过减少不必要RTS/CTS握手次数,降低了这种预约形式所造成的资源浪费,提高了网络效率。仿真结果显示,该协议在水声环境下,能获得较好的网络性能。

基于OPNET的水声通信网MAC层协议的研究

MAC(Multiple Access)协议是水声通信网络的重要研究内容,利用OPNET网络仿真软件对ALOHA协议和MACAW协议下水声通信网络的性能进行仿真研究,分析比较这两种协议在不同业务量下的网络性能。仿真结果表明,在水声通信网络中,MACAW协议的性能优于ALOHA,但两者均可应用于低数据业务量网络中。

一种用于水声通信网的全动态TDMA协议

为了解决一定应用场合下水声通信网的通信效率和能量节省之间的矛盾,针对特定的网络拓扑结构,提出了一种全动态时隙调度的时分多址MAC协议FD-TDMA.该协议采用了动态往返调度方式、混合回复策略和保守的睡眠机制,网络各节点根据本节点及相邻节点的收发情况和已知的网络拓扑信息,动态并实时地更新自己在接收状态、睡眠状态和等待状态停留的时间,适时地进入自己的发送时隙.通过OPNET仿真表明:FD-TDMA协议与同样带有睡眠和混合回复机制的固定时隙TDMA协议相比,通信效率和能量效用均有显著的提高;并且该协议性能稳定,能适应不同的业务负载和网络规模.

节点预约方式的水声通信网MAC协议设计

针对广泛应用于水声通信网的MACAW(medium access with collision auoidance for wireless)协议在多跳通信延时严重的问题,在传统握手协议的基础上,提出了节点预约的方法.该方法通过多跳转发的握手信号CTS预约处于通信链路上的下级节点,并通过复用上级节点的握手信号CTS(clear to send)及数据信号DATA,形成一种流水线式的传输协议.仿真结果表明:在多跳网络通信中,该协议与传统的MACAW相比,在能耗变化较小的情况下,时延性能有较大幅度的提高,适用于移动节点通信、灾难预警、战时侦测等需要快速反应的水声通信应用场景.

水声通信网及其多址接入技术

随着世界各国海洋开发步伐的加快,对水下传感器网络、水下监视系统、水声预警网络的需求愈来愈迫切,海洋水声通信网络的研究成了世界范围内的研究热点。水声通信网研究面临的主要困难是:海洋声信道的长延时、可用频带有限、严重的时变多途影响、功耗限制、网络安全性等。在分析水下无线通信的特殊环境后,针对水声通信网的多址接入技术进行了研究,选择适合的传输方式及相关协议构建基于OFDM与CDMA技术结合的水下通信网多载波CDMA系统;在matlab上实现多载波CDMA技术的水声通信网络节点对节点的数据传送,并得出了该系统的仿真结果:在帧长一定的情况下,随着信噪比的增大,系统的误码率会减小。在信噪比一定的情况下,子载波数目的进一步增大不会带来系统误码率的改善反而会使系统复杂性增加,降低系统的平均吞吐量,因此子载波数的选择应该在系统复杂性和效率之间折衷考虑。当水声信道上的信噪比一定时,可以通过控制数据帧的长度和子载波的个数来实现较高的网络平均吞吐量。

基于自适应变速因子的水声通信网MAC退避算法

为提高水声通信网络(UWSN)吞吐量并减少时延,从通信节点MAC层角度,提出一种基于自适应变速因子的水声通信网介质访问控制算法AVAB。通过更新变速因子,计算数据帧碰撞后增大竞争窗口的倍乘因子以及数据帧成功发送后减少竞争窗口的倍除因子,降低数据二次发送碰撞概率。OPNET仿真结果表明,AVAB算法能够降低网络的丢包率和延时,提高网络吞吐量。

水声通信网路由协议比较研究

为了提高水下组网的速度和稳定性,分别对两种适合水声通信网的随选式路由协议进行了分析研究,给出了相关的计算公式和性能特点,并指出了今后水声通信网路由算法的研究方向.对发展水声通信网具有指导意义.

区域性海洋观测水声通信网数据链路层研究

简要介绍了水声通信网的研究现状以及常用的组网方式,比较了几种可实际应用的数据链路层协议,在此基础上提出了一种适用于区域性海洋观测的混合型网络协议,进行了仿真研究。该协议通过记录网络中数据包的发送频率来动态地调整所使用的MAC(Media Access Control)协议,当频率较高时选择查询方式的MAC协议,减少数据包的冲突;当频率较低时选择MACAW(Media Access with Collision Avoidance for Wireless),避免查询信号带来的额外开销。仿真结果表明,对于区域性海洋观测,这种包产生速率低,但可能出现短时间通信量大的应用情况,该协议可以有效地降低每bit的能耗,适用于长时间海洋观测。

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。

水声通信网络技术研究

随着水下通信技术的不断发展,声波成为实现水下无线传输的主要方式。人们基于水声通信技术建设了水声网络系统,在海洋环境监测、水下目标监测、水下集群指挥调度中有着广泛的应用。简要的介绍了当前国内外水声通信网的研究现状,对水声移动自组织网络路由协议进行研究,与蜂窝网进行比较。最后总结出设计高效路由协议需要注意的问题并针对网络质量,能量均衡,拓扑结构,安全等问题,归纳出三种技术手段进行优化,改善了网络的性能,并对水声通信网的发展进行展望。

时间反转镜在水声通信网上行通信中的应用

基于声信道物理属性,提出利用位于不同水平距离、深度的用户间声信道弱相关特性,将单阵元虚拟式时间反转镜(VTRM)应用于水声通信网的上行通信,可以聚焦期望用户信息、屏蔽非期望用户信息,并可抑制码间干扰、提高信噪比.仿真研究表明,当各用户信道间互相关性弱时,单阵元VTRM可有效分离各用户信息,有助于实现网络化水声通信.

一种联合优化的水声通信网路由算法设计

针对传统的无线网络路由建立算法在水下小型网络中时延及能耗代价高的问题,提出了改进的DSDV(Destination Sequenced Distance Vector)路由过程,并在此基础上设计出与拓扑结构、MAC层联合优化的算法。该算法建立了以改进的DSDV路由建立时间、能耗及路由信息的完整性为代价函数,以MAC层的包长度、包间隔、拓扑结构中的点和边数等为矢量参数的数学模型,并结合无向图的广度优先搜索算法及最短路径算法,提出了在上述矢量参数条件下代价函数的最优化设计,形成一套适用于小规模区域性观测应用背景的水声通信网的路由建立方法。仿真结果表明,在相同的物理层条件下,联合优化的算法与未优化的DSDV相比,在相同的时间内建立完整的全网路由的概率最大可提高30%。