水声通信无线自组织网络延迟传输调度算法

针对水声通信现有的CSMA协议网络吞吐量较低,利用时间和空间重用,增加并发传输的机会来补偿长传播延迟,提出一种延迟传输调度算法,通过检测相邻节点传播延迟及其预期信息进行传输调度,降低节点暴露冲突的可能性,提高水声通信无线自组织网络吞吐量。通过仿真对比分析,该算法可以显著提高整体吞吐量,有效地处理由物理位置和传播延迟引起的空间不公平性。     

基于ALOHA多址协议的水声传感器网络仿真研究

在水声信道长时延扩展、强多径干扰、强烈随机时-空-频变等恶劣传输条件下设计水声传感器网络多址协议是一项挑战性极大的任务.本文对ALOHA多址协议下水声传感器网络的性能进行仿真研究,首先利用网络仿真软件Opnet建立了ALOHA水声传感器网络模型,并分析了节点数目、数据包产生的平均间隔、数据包帧长等网络参数对网络性能的影响.仿真实验结果表明:根据负载、节点数等网络参数对数据包帧长进行适当设置,将可优化ALOHA网络的吞吐性能.     

不确定传播时延下的水声网络保护间隔设定

水下声波的传播时延及波动远大于无线电波,许多借鉴陆地无线电波通信网络原理设计的水声传感器网络协议未能充分考虑和利用水声传播及其时延变化特性.据此给出了时分多址协议中相继传输数据包的冲突模型,分析了保护间隔与簇头节点和传感器节点距离之间的关系,并给出了保护间隔的设置方法.理论分析和仿真表明,提出的保护间隔设定方法改善了传统保护间隔设置偏向保守的缺点,可有效提升水声传感器网络的性能和效率.     

基于LabVIEW的水声通信网络节点技术研究

随着军事和民用领域对水声通信和水声通信网需求不断加大,分布式水声通信技术的构建与应用成为水声通信研究的热点.采用LabVIEW虚拟仪器编程软件与美国NI的CompactRIO硬件模块,构建4FKS-FH水声通信调制解调器(MODEM),并设计了自动增益控制、同步跟踪以及信道编码:交织与卷积码等模块.通过多次水池及海试试验,验证了该水声MODEM性能的有效与可靠性,为构建更为复杂的多节点水声通信网络提供坚实的基础.     

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.     

水下声学无线传感器网络的设计和性能分析

为了分析水下声学无线传感器网络在受到干扰情况下的性能,介绍了影响网络性能的相关干扰因素,设计了物理层水声通信干扰模型,建立了基于频率相关的路径损耗和Ricean衰减的信道模型,研究了可作为网络连通标志的覆盖范围、端到端帧误差概率、功率和带宽需求之间的关系,分析了节点受同层其他节点通信干扰下的网络性能。通过仿真实验验证了所设计模型的可行性。实验数据表明,通过优化通信工作功率和节点密度,能够确保网络正常运行,提高网络的可靠性。     

水声通信信道中的OPNET建模与仿真

针对水声通信网络信道的实现开销大、复杂性高的特点,提出了一种能够仿真分析水声通信网络的有效方法.该方法分别使用OPNET中的Propagation-Delay-Stage,Receiver-Power-Stage和Background-Noise-Stage三个工具来仿真水声信道中的传播延迟、发射机功率和水声噪声(水声噪声包括紊流、船运、风波和热噪声).其中,Propagation-Delay-Stage采用MacKenzie速度模型;Receiver-Power-Stage中有Thorp,Schulkin&Marsh和Francois&Garrison 3种传播损失模型.在该方法中,首先仿真比较了取不同传播损失模型时的水声信道,然后根据仿真结果选择一个合适的水声信道,并采用MACAW协议来仿真水声通信网络.最后,通过仿真实验对整个水声通信网络的吞吐量、误码率、丢包率进行了分析.实验结果表明,采用该方法能够有效地仿真水声通信网络.     

基于编码感知的完全无碰撞协作MAC协议

针对NCAC-MAC协议在选择中继节点时存在碰撞和中继节点中待转发数据帧的目的节点使用随机线性网络编码的解码方法可能不能对编码帧进行成功解码的问题,提出一种基于编码感知的完全无碰撞协作MAC协议(NCAC-WTC).该协议主要提出两个改进机制:一是完全无碰撞中继节点选择机制,使用目的节点最终选择唯一中继节点,保证中继候选节点在竞争中继节点及编码重传的过程中做到完全无碰撞;另一个是自适应解码机制,使目的节点能根据链路信息自适应地选择解码方法对编码数据帧进行解码,提高目的节点对编码数据帧的解码效率和成功率.仿真结果表明:与NCAC-MAC和Phoenix等已有协议相比,NCACWTC协议有效地减小了平均端到端时延,提高了网络吞吐量和数据帧投递成功率,且使数据帧投递成功率稳定在95.5%.     

机会网络中自适应摆渡路由协议

针对传统摆渡路由无法在节点运动环境下工作的问题,提出一种融合副本路由的自适应摆渡路由协议.根据节点的移动模型,计算节点间的相遇期望,评价网络的连通性.在网络不连通的时段,通过使者访问节点完成数据的传递.利用中心领导者实现多个使者间的通信,提高路由性能.仿真结果显示,与传统的副本路由相比,该协议可以使传输成功率提高15％,使端到端延时降低50％.通过仿真评价了使者数目和节点移动模型对协议的影响.     

基于冲突解决的功率控制MAC协议

功率控制策略可以降低网络能耗,提高信道利用率,然而也会引入更多的隐藏终端,使网络冲突加剧。为了利用功率控制的优势,同时减少网络冲突,文章提出一种应用于无线自组网采用功率控制的介质访问控制(media access control,MAC)协议——反馈功率控制(reactive power control,RPC)协议。在RPC协议中,数据传输过程中的各帧均采用最优发送功率,以降低能耗,提高网络信道利用率,同时,当冲突发生时,协议根据干扰节点是否欲与被干扰节点通信将冲突划分为2类,据此协调节点的数据传输过程,提高网络通信的并行程度,减少数据的重传。仿真实验表明,RPC协议在网络吞吐量方面比SHUSH协议有所提高,同时也减少了网络端到端延迟。     

Modeling and Simulation of P-Aloha,CSMA/CA and MACAW Protocols for Underwater Acoustic Channel

Medium access control( MAC) protocol of underwater acoustic communication network is a key technology for underwater acoustic networks( UANs). Most of the MAC protocols for wireless terrestrial communication networks have been designed with negligible propagation delay. If it is deployed directly in an underwater environment,the UANs will perform inefficiently. In this paper,the characteristics of underwater acoustic channel are modeled and simulated by using the OPNET simulation tool,which are the speed of sound, propagation loss, and four sources for ambient noise: the turbulence,shipping,wind driven waves and thermal noise. The performance of pure Aloha( P-Aloha),carrier sense multiple access with collision avoidance( CSMA / CA) and multiple access collision avoidance for wireless local area network( MACAW) protocols in underwater acoustic channel environment are evaluated. The different performance of protocols in underwater environment is compared in the simulation.     

多径传播的水声信号模拟研究

对海洋水声信道特性进行了分析，阐述了中远距离浅海声环境多径效应的形成机理，构造了适合于计算机实时模拟的水声数据信号数学模型。用计算机模拟实现了通过调节发射信号载波频率及多径效应干扰程度等参数来调整水声信号。     

基于距离门限的水声网络自适应路由协议

针对水声传感器网络长时延和高能耗的问题,提出了基于距离门限的自适应路由协议ARBDT (Adaptive Routing Protocol Based on Distance Threshold)。该协议采用单路径逐跳信息传输方式,节省了路由开销;同时根据网络密集程度自适应地调整距离门限,抑制了冗余节点的回应,降低了控制包冲突的概率,使发送节点能快速获取转发节点。仿真结果表明,与SBR（Sector Based Routing）协议相比,ARBDT协议能缩短时延,降低网络能耗,从而获得更好的性能。     

基于优化Raptor码的水下传感器网络可靠传输机制

针对水声通信带宽低、时延长、误码率高、多普勒效应显著等特征,分析了传统可靠传输机制在水下传感器网络应用的局限性,提出了基于数字喷泉码-优化Raptor码的水下传感器网络可靠传输机制.采用反馈控制对Raptor码内码的鲁棒孤子分布和多项式描述的Shokrollahi度分布进行优化设计,降低了编码包平均度.进一步对Raptor码的内码—弱化的LT码(Luby transform codes)的编解码进行优化,实现了快速的编解码.基于优化Raptor 码的可靠传输机制采用反馈控制,动态评估信道删除概率,从而提高编解码和通信效率.通过Aqua-Sim仿真工具对提出的可靠传输机制与基于编码的多跳协同可靠数据传输(coding based multi-hop coordinated reliable data transfer,CCRDT)机制进行仿真对比.结果表明,所提出的可靠传输机制明显降低了传输开销,提高了数据吞吐量.     

基于水声的水下无线通信研究

介绍在水声随机多途径传输的信道中,基于水声的水下无线通信的方法及其实现。海洋环境的水声信道不仅是一个极其复杂的时-空-频变随机多途径传输信道,尚有环境噪声高、带宽窄、载波频率低、传输延时大等因素制约数据传输速率。介绍的通信方法及支持实现的关键技术,都对这些方面的影响予以考虑。做出的语音、图像以及数据3种不同的应用系统,多数已通过海上实验,效果良好,可实际应用。并指出国际上技术先进的国家致力这领域研究的也仅在最近才有极少数取得重大突破,该结果展示它与国际近于同水平同步地进展。     

多输入多输出浅海水声信道响应的盲估计

提出一种在频率域实现的MIMO（multi—inputs multi—outputs）盲解卷积算法，可以在较低信噪比下求解得到浅海水声信道冲激响应的逆滤波器响应，不受时间域的原始信道阶数很长且稀疏的影响，经过求逆后得到原始MIM0浅海水声信道的冲激响应．最后采用合理的声场仿真模型验证了算法的有效性．     

水声软频率复用网络的干扰缓解与资源分配

为降低基于频率复用水声网络系统的小区间干扰,以及提高系统平均吞吐量,提出了一种基于时延差的软频率复用(T-soft frequency reuse,T-SFR)系统,对小区间的干扰抑制和小区内的自适应资源分配两个问题进行优化.在小区间,提出了T-SFR利用不同信道之间的时延差进行干扰缓解,并基于水声信道的路径损耗进行频带分配.在小区内,针对水声信道的时变特性带来的反馈信道状态信息(channel state information,CSI)延迟的影响,建立了一种线性有限状态马尔可夫链(linear fi-nite state Markov chain,LFSMC)预测器,以获得更准确的CSI用于自适应资源分配.仿真结果表明:与传统的频率复用方案相比,提出的T-SFR方案可以保证小区边缘节点对信干噪比(signal to interference noise ratio,SINR)的要求,有效缓解小区边缘节点的干扰;在建立LFSMC预测器获取更准确CSI的基础上,时变水声网络的每个小区内以及整个系统都能够获取更优的平均吞吐量.     

适用于高阶QAM信号的水声信道修正盲均衡算法

针对水声信道的相位旋转问题,提出了适用于高阶QAM(quadrature amplitude modulation)信号的改进的修正常数模算法（improved modified constant modulus algorithm, IMCMA）。在不增大计算量的前提下,对修正常数模算法（MCMA）的权值迭代函数进行修改,从而修正误差控制函数,改善相位补偿能力。在具有多普勒相位旋转的典型两径水声信道环境中进行计算机仿真。结果表明,IMCMA算法相比MCMA算法加快了收敛速度,改善了稳态误差性能;同时又具有和LMS(least mean square)算法相当的相位补偿能力和收敛性能。IMCMA算法可为高速水声通信提供一种非常实用的均衡方法。