冲突避免的水声网络拓扑发现协议

当水声网络的所有节点完成在目标区域的部署后,每个节点除了自己的节点ID已知外,对新网络的信息一无所知,而这些信息是网络顺利运行的必要前提。因此,一个能够完成网络中所有节点和链路发现的网络拓扑发现协议是非常必要和重要的。水声拓扑发现协议完成的效率,往往依赖于信道接入策略的选择,但它不能完全使用已有的水声多路访问控制(multiple access control, MAC)协议,因为在网络建立的初始阶段拓扑未知,已有传统水声MAC协议不能完成拓扑发现,所以需要根据这一阶段的特殊状态来设计拓扑发现协议。基于此问题,提出了一种高效的冲突避免的水声网络拓扑发现(简称为CFVE)协议,该协议利用网络中节点ID的唯一性,在其特定时隙接入信道,节点无冲突地发现控制分组的交换,最终实现网络中所有链路和节点的发现。仿真结果表明, CFVE协议可以以较低的发现时延和能耗完成全网拓扑的发现,是一种适合于多跳水声网络的拓扑发现协议。     

基于OPNET的水声网络信道仿真研究

水声网络是实现海洋监测、数据采集以及战略通信等的重要手段,但其受水声信道特性制约严重。为此,从介绍水声信道的特性出发,采用Thorp经验公式模拟海水吸收特性,在此基础上对路径损耗进行仿真解算,并改进Wenz噪声模型使之更好地接近水声信道的特性。进而,通过改进OPNET平台内置的传播时延阶段、接收机功率阶段、背景噪声阶段设计水声信道OPNET模型,使其适合水声信道,基本实现对真实信道的近似模拟。最后,设计OPNET移动网络模型,将模拟的水声信道加进移动网络进行仿真,分析水声信道特性对网络性能的影响。     

基于OPNET的水声通信网络设计与仿真

水声通信网络是实现如海洋数据采集、离岸勘测与战术监测等水下系统无线信息传输的主要手段,但其性能受水声信道特性影响严重.为此,采用oPNET对水声通信网络节点模型与分层协议进行设计与实现,其特征包括基于CDMA的多用户检测以及RTS-CTS-DATA-ACK信道握手流程与网络分配向量(NAV)帧冲突处理机制等.同时建立并测试了一个包含1个主节点与5个传感器节点的水声通信网络,仿真结果表明主节点物理层采用多用户接收技术能够更好的克服冲突,减少数据包重发,从而获得更高水声通信网络的吞吐量,减少端对端传输延时与能量消耗.     

空分复用无线自组网跨层设计的NS2仿真研究

为了有效支持节点装备多天线的无线自组织网络的跨层协议设计。利用基于空分复用技术的物理层和接入层联合网络容量分析模型扩展NS2,构造了一个通用仿真平台,使其支持网络跨层空分复用接入协议。理论分析与仿真结果表明扩展后的NS2能够有效支持空分复用跨层协议设计。仿真证明对节点装备多天线的网络进行特别的跨层联合协议设计能够有效提高网络吞吐。     

水声跳频通信系统性能仿真研究

回顾了水声信道的特性,针对其复杂多变和强多途特点,建立了包括时变衰落、多途干扰和加性高斯白噪声干扰的水声信道模型.在此基础上设计了一种采用非相干FSK调制的水下跳频通信系统(FH/MFSK,描述了其仿真实现过程,给出了在不同水声信道条件下的系统性能仿真结果,并对其进行了详细分析,为水声信道中FH/MFSK系统设计的参数选取和性能优化奠定了基础.结果还表明FH/MFSK水下通信系统可以有效克服多途干扰,实现可靠的水下通信.     

基于链路质量的无线传感器网络路由量度研究

选择合适的路由量度对于提高无线传感器网络的路由效率而言至关重要.综述了现有无线网络几种典型的路由量度,并通过实验研究,发现了无线传感器网络的通信链路存在着高丢失率、非对称性等特点;进而分析了采用传统单一的路由量度方法在设计无线传感器网络路由协议时存在的不足;通过定义链路连接门限β,提出了一种基于Hops与ETX相结合的混合路由量度方法;将此路由量度方法应用于AODV协议中,仿真结果表明所提出的混合路由量度是一种高吞吐量,低丢失率的量度方法,能够为无线传感器网络高效路由协议的设计提供有价值的参考.     

控制网络节点可重构协议栈的仿真研究

针对控制网络中协议异构性以及通信环境不确定性的问题,提出可重构协议栈体系结构。基于MATLAB环境下的Stateflow和Simevents工具箱,设计了一套通用的协议元件库,支持协议栈静态重构和动态重构性能的仿真研究。进一步,研究了与Simulink工具箱的接口,实现协议栈与控制对象模型的联合仿真。该方法为研究协议栈对网络控制系统的影响提供了一个良好的平台,发展和完善了协议栈可重构理论。     

基于DIS的水声对抗声学仿真系统设计

在分析了攻击武器、对抗装备、海洋声环境等水声对抗参与实体的声学特性、战技术性能及作战过程的基础上，设计了一套水声对抗声学仿真系统方案，建立了水声对抗参与实体之间的数据交互及时序控制关系，利用系统仿真、网络通信、计算机仿真及虚拟现实等技术建立了分布交互式的水声对抗声学仿真系统，利用校核、验证与确认（VV＆A）技术对建立的模型进行了充分的校验。该系统的显著特点是在声信号的层次上实现了水声对抗双方的建模与仿真，可用于水声对抗系统的研制、性能检测、效能评估和技术改进，同时也可用于水声对抗过程的模拟训练，具有广阔的应用前景。     

水声环境参数盲估计的仿真研究

针对水声环境参数传统获取方法的缺点及其在非常时期或非合作海域不易获取的情况,提出了水声环境参数盲估计的概念及理论模型,通过对目标函数的选取,采用遗传算法对多个水声环境参数和未知目标的空间位置进行全局寻优,并依此对基于不同信噪比观测数据的水声环境参数盲估计进行了计算机仿真。水声环境参数盲估计的仿真算例表明,水声环境参数盲估计技术是可行和有效的。     

基于水声物理场的鱼雷制导半实物仿真方法及应用

由于鱼雷作战检测、目标分类与导引水声物理环境的复杂性，鱼雷制导系统半实物仿真成为实验室中鱼雷设计与评估性能的重要手段。给出了一种基于水声物理场模拟的制导半实物仿真系统构成方法及其工作原理，讨论了主要包括水声仿真模型、自导信号处理仿真系统设计、时变窄带水声信号实时生成等几个关键技术问题，同时给出了消声环境下尺度目标模拟的模型及方法，相应的半实物仿真试验结果证明该仿真方法在鱼雷制导系统仿真与测试试验中是有效的。     

单锚节点水声网络高精度低开销初始化方法

网络初始化是网络协议正常运行的基础,共包括自定位及时间同步两部分。针对水声网络特点,提出一种仅采用单锚节点的参考节点自选则自定位算法,该算法仅采用一个锚节点,通过最优化选择参考节点,减小参考节点拓扑结构及网络测距误差对定位精度的影响,既有效解决了水声网络中锚节点少的问题,且提高了定位精度;在此基础上提出一种快速初始化方法,该方法将自定位与时间同步协同完成,使得网络可在较少的信息交互下快速实现初始化过程,减小通信开销及初始化时延,网络布放后可快速进入正常运行,提高网络工作效率。通过仿真得出,本文提出的方法较现有初始化方法锚节点需求少,定位精度高,初始化时延短、通信开销小,可以很好地应用于水声网络中。     

基于反馈信道状态信息的水声自适应OFDMA

在时变水声信道中, 为了提高自适应正交频分多址(orthogonal frequency division multiple access, OFDMA)在时延反馈信道状态信息(channel state information, CSI)条件下的资源分配性能, 提出多节点反馈CSI的时隙复用接入方法, 降低反馈时延; 提出载波时-频相关系数和载波时-频均值两种反馈CSI表征参数, 通过实验数据分析了两种反馈CSI参数及其对水声自适应OFDMA性能的影响; 提出多节点公平的自适应载波、比特、功率联合分配算法, 在最大功率和节点吞吐量约束条件下最小化系统误比特率。仿真和湖上实验数据的结果显示, 所构建的水声自适应OFDMA系统在多种反馈CSI条件下误比特率均低于交织载波分配, 表明其在实际的水声信道应用中具有良好性能。     

基于水下云边协同架构的珊瑚礁监测新机制

珊瑚礁是极具研究价值的海洋生态系统, 水声传感器网络(underwater acoustic sensor networks, UASNs)是监测与保护珊瑚礁系统的有效手段。然而, 随着水下传感设备的大规模应用, 感知数据的类型及数量大幅增加, 传统UASNs架构将原始数据直接上传至水面数据中心的集中处理方式给网络能耗和通信效率带来严峻挑战。本文构建了一种基于边缘计算的水下端边云系统架构, 并提出一种适用于该架构的两级协同珊瑚礁系统监测机制。该架构将复杂处理任务从远程云中心分散至边缘端, 减轻了云端处理负荷。该机制由两级监测环节组成, 同时包含了端侧图像处理和端边协同数据检测策略, 实现了机器学习任务的边缘侧执行和数据的原位处理。实验结果表明, 本文研究能够明显减少网络数据流量, 有效降低网络能耗及传输时延, 显著延长网络生命周期。     

太赫兹无线局域网媒体访问控制协议的优化设计

针对太赫兹无线局域网络,为满足网络中对数据传输性能的要求,提出一种媒体访问控制(medium access control,MAC)层协议超帧结构,在新超帧结构的基础上,进一步提出3种优化机制,分别是自适应动态调整竞争接入时段的长度、合并申请量的免申请预分配时隙和删除冗余控制字段。通过采用OPNET仿真软件,对新提出的优化后的MAC层协议进行了仿真验证,并将仿真结果与现有的能够应用于太赫兹超高速无线网络的高吞吐量低时延MAC(high throughput low delay MAC,HLMAC)协议和IEEE 802.15.3c标准协议进行了比较。仿真结果表明,所提的MAC协议相较于HLMAC协议和IEEE 802.15.3c标准协议在网络吞吐量方面的性能得到了约3.45%和11.11%的优化提升,在平均接入时延方面的性能提升了约28%和50%,而在数据帧的传送成功率方面的性能也得到了约3.3%和10.6%的提升效果。     

高吞吐量低时延太赫兹超高速无线网络MAC接入协议

针对现有能够应用于太赫兹超高速无线网络的能量和频谱感知的媒介接入控制(energy and spectrum aware media access control, ES MAC)及IEEE802.15.3c协议存在的时隙申请量未及时更新、超帧结构不合理及分配时隙时未合并同一对节点之间的时隙请求等问题,提出了一种高吞吐量低时延MAC(high throughput low delay MAC,HLMAC)协议。通过设计一种新的超帧结构,使节点及时得到时隙分配信息,大大降低数据接入时延;通过更新时隙请求量和合并同一对节点的时隙请求,增加了数据发送量,提高了网络吞吐量。理论分析表明了HLMAC协议的有效性,仿真结果显示它比ES MAC协议增加了65.7%的网络吞吐量,同时降低了30%的接入时延。     

8APSK_TCM编码调制方法在水声传输中的应用

论述了应用于水声信道的网格编码调制技术，分析了影响其性能的主要因素为有效编码长度，最小乘积距离；在此基础上，提出了基于水声信道的8APSK_TCM鳊码调制方法，并在给定的水声信道下进行了仿真，仿真结果表明：8APSK_TCM模式相对于标准的TCM模式在信噪比相同的情况下，降低了系统的误码率，改善了水声通信系统的可靠性。     

虚拟时间反转镜Pattern时延差编码水声通信

提出虚拟时间反转镜(VTRM)算法,并基于Pattern时延差编码(PDS)水声通信体制,研究了VTRM在水声通信中的应用。PDS水声通信体制利用Pattern码元出现在码元窗的时延差值进行时延编码,具有稳健的通信性能。虚拟时间反转镜技术具有空间聚焦和信道均衡的性质,将其应用于PDS体制水声通信中,较时间反转镜(TRM)简单易行却又具有TRM的性质。计算机仿真结果表明,VTRM有效地抑制了水声信道严重的多途扩展对Pattern波形的畸变,提高了通信质量。     

自组织时分多址数据链网络的仿真框架

数据链协议的性能分析是无线网络设计及参数选取中的重要环节，基于网络仿真工具OPNET构建了自组织时分多址（S-TDMA）数据链网络的仿真框架，并用于模拟航空移动通信的数据广播应用。该仿真框架为协议详细配置了物理层、链路层及应用层模型，可以设置不同的信道特性以及应用场景，便于仿真分析端到端延时、吞吐量、预约冲突率等协议性能，从而选择最佳的网络运行方案。