水声网络

摘要： 针对水声网络(UAN)媒体访问控制(MAC)协议采用RTS/CTS握手机制,导致信道利用率和网络吞吐量较低的问题,提出一套信道访问规则,基于该规则设计了节点状态感知的水声网络MAC(RP-MAC)协议。当接收节点不在收发状态,并且其他邻居节点也都不在接收状态时,发送节点才会尝试发送一到多个报文给接收节点。节点通过侦听和信道规则来感知邻居节点的状态,在降低冲突与重传的同时,避免了握手控制报文的交互。理论分析与仿真实验表明,与Slotted FAMA和R-MAC等传统水声网络MAC协议比较,RP-MAC协议在不降低包交付率的前提下,实现了水声网络的并发传输,显著提高了信道利用率和网络吞吐量,降低了能量消耗。

摘要： 针对水声网络(underwater acoustic networks,UANs)传统分层机制中节点层级与通向Sink节点的连通性无关,导致存在“通信空区”的路由问题,提出基于最小跳数的路由分层方案,解决了“通信空区”路由问题,提高了包的交付率。对基于最小跳数的路由分层方案进行了优化改进,进一步提出基于连通的节能路由分层方案。利用数学模型和MATLAB分析了最小跳数分层和基于连通的节能路由分层方案的能量消耗,验证了节能分层传输的低能耗性能。进一步利用NS3进行仿真实验,结果表明,节能的路由分层方案能够实现短距离多跳传输,在不降低交付率的同时节省了通信能耗,适用于水下大规模自组网络的可靠传输。

摘要： 无线通信网络在陆空域已取得成熟应用,而水声信道的长延时、强多途、多时变等特征导致水声通信网络研究滞后。在综合分析水声通信网络体系结构与信道特性基础上,对典型媒体访问控制(MAC)协议在水声移动通信网络的适用性进行了对比分析。针对水下多平台协同反潜作战需求,进行了水下小规模移动通信网络MAC协议的初步设计。

摘要： 随着水下传感设备的激增以及对能源节约的追求,低功耗水下物联网的概念得以提出。受基于射频的反向散射网络启发,低功耗水下物联网利用水声反向散射技术实现水下传感器节点低功耗、低成本通信,在如水下长期探测等水下领域有着广泛的应用前景。首先,介绍了低功耗水下物联网的原理与架构;然后,提出并分析了该架构的关键技术,如感知、通信、组网、资源分配、安全等;最后,探讨了低功耗水下物联网的未来研究方向。

摘要： 水声网络具有高延时、低带宽、能量有限、高节点移动性的独有特性,这使得水声网络中MAC协议的设计面临巨大的挑战.本文对水声网络中MAC协议进行综述性研究与分析,介绍水声网络的现状;分析水声网络中MAC协议设计主要面临的四种挑战;对于现有的水声网络中MAC协议进行分类分析,分析每类的水声网络MAC协议的优缺点;对未来水声网络中MAC协议设计进行展望.

摘要： 针对水声网络中信道时空变化的特点,提出了一种基于Q-Learning技术的高效水声网络协议.在该协议中,智能移动节点能够利用增强学习算法,自适应规划路径.仿真表明,该协议在能耗、端到端延迟等方面均取得较好性能.

摘要： 无线电信号与光信号在水下通信过程中衰减严重,因此,水下主要通过声信号来进行通信.水声网络具有高能耗、高拓扑移动性、低可用带宽等固有特性,这些特点给水下MAC协议的设计带来了一定的挑战.本文对水声网络MAC协议进行综述,介绍水声信道特点与衰减.除此之外,阐述水声网络中存在的隐藏终端、暴露终端等五种问题给MAC协议的设计所带来的困难;分析水声网络MAC协议的分类及相应的优缺点;比较近年来典型水声网络MAC协议的性能.目前有许多优秀MAC协议解决了隐藏终端等问题,但实际水下环境中存在的拓扑移动性和时间同步问题仍是水声网络MAC协议设计的难点,未来着力研究并解决实际水下环境中存在的拓扑移动性和时间同步问题.

摘要： 针对水声网络中信道时空变化的特点,提出了一种基于Q-Learning技术的高效水声网络协议。在该协议中,智能移动节点能够利用增强学习算法,自适应规划路径。仿真表明,该协议在能耗、端到端延迟等方面均取得较好性能。

摘要： 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.

摘要： 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.

摘要： 海洋声传播对空间参数的变化十分敏感,信道冲激响应随空间的变化使水声信道的传输能力受到很大限制.本文研究分布式多跳水声网络中不同链路间信道响应的相关性,采用BELLHOP射线理论模型估计信道冲激响应,仿真计算分布式多跳水声网络中不同链路间信道响应的相关性,得出了分布式多跳环境下水声网络不同链路间信道保持着弱相关性的结论,为水声网络组网协议设计提供新思路.

摘要： 本研究采用基于DOA的水声网络目标定位方法,首先利用MUSIC算法进行测向,再利用最小二乘法进行融合以定位.在此基础上,提出了一种改进算法,即基于角度修正的DOA目标定位方法.这种方法与基本的DOA定位方法比较,取得了更好的定位效果.在海洋的复杂环境中,将有力改善目标的定位精度。

摘要： 结合水声网络分级结构特点以及软件定义网络的基本思想,提出了软件定义水声网络的初步设想.根据DIFANE流管理架构,定义了水声通信网络中的移动权威交换机和固定权威交换机,引入网络转换和权力移交思想,采用切片策略来解决多个控制器同时管理一台交换机或多台交换机的情况.研究内容可为未来的水声网络建设提供技术支持.

摘要： 水声网络的研究成果必须要经过外场试验验证,而湖、海试的成本昂贵,人力物力代价大.开发了一种水声网络半物理仿真系统,利用Bellhop射线跟踪模型计算声场传播损失,得到空间中任意位置对应的信道冲激响应函数,并结合实际情况建立了水声网络共享信道.设计了半物理仿真系统的硬件平台,可支持12个节点工作,并可根据需要进行环境配置,完成数据记录、输入输出控制、显控界面等功能.

摘要： 本文提出并实现了软件水声调制解调器(Software UnderwaterAcoustic Modem，SoftUAM)的概念，试图为水声网络研究提供一个补充试验平台。它用软件实现水声调制解调器的功能，配合声卡、扬声器和麦克风，可以在计算机间进行声波无线通信。配备水声换能器和功放后也可在水中进行声波通信。SoftUAM提供了非常方便的二次开发接口，使用者可将其作为一千Modem来使用而无须关注其内部运作。以SoftUAM为基础，本文进行了水声组网协议的研究和设计，并使用计算机等设备实施了模拟四节点网络的空气声组网实验。初步使用结果证明，SoftUAM可以作为一种便捷、有效、低成本的水声通信及水声网络的补充研究手段，具有良好的应用潜力和前景。

摘要： 水声网络的研究近年已成为热点，但是水声网络的研究却面临着设备与试验成本高的难题。为此我们已经开发出一套纯软件实现的水声调制解调器，称为SoftUAM。本文介绍了延时模拟的基本原理，浅谈了延时模拟层的实现和SoftUAM的改进。

摘要： 基于浅海水声信道的恶劣传输条件，针对一类网络负载较低、站位一维分布的海洋环境监测典刑应用，本文采用实现方便的ALOHA随机接入及基于距离信息的路由技术提出一种实现简单、方便的水声环境监测网络技术方案，并设计了基于DSP和单片机的网络节点实现方案，最后通过湖试初步验证了该网络的性能。

摘要： 近年来，水声网络渐渐成为研究热点。在电量有限的条件下，为降低网络节点功耗，延长网络节点寿命，控制电路的休眠与唤醒方式成为焦点。本文提出了一种以持续T秒的1个单频信号作为唤醒信号的实时值守电路算法，并利用计算机声卡、音箱和麦克风在空气中对此算法进行了实验，取得了良好的检测效果。

摘要： 本文针对水声网络的能量有限的难题,提出了改进的LEACH分簇算法。与原有的LEACH算法相比,分簇结果更加理想。仿真结果证明,随着时间的递推,传输所消耗的能量得到了有效的降低。

摘要： 20多年来,水声网络的发展在国外取得了长足的进步,一些先进的海军强国已经拥有了实用的水声网络.随着网络中心战逐渐向海战场的延伸,水声网络将在水下战中占据重要的地位.为促进水声网络在我国的研究,从水声对抗的角度出发,分析水声网络在水声对抗中的作用.

摘要： 本发明涉及一种基于复杂网络理论的水声传感器网络信任模型更新方法，其步骤包括：首先，通过定义水下感知节点之间的连接概率，反映水下环境对节点通信的影响；其次，复杂网络理论，定义关键节点，提升网络应对不同攻击的能力；最后基于强化学习中的Q‑learning算法，设计信任模型更新方法。本发明解决了现有水声传感器网络中信任模型无法根据水下环境或攻击者手段变化自适应做出更新的问题，提高了水声传感器网络信任模型的实际应用价值。

摘要： 本发明涉及一种适用于中心式水声多跳网络的路由协议，该协议通过Sink节点广播路由广播矢量使得网络中其他节点建立和维护到Sink节点的路由，所述路由协议为：Sink节点向所述固定节点和移动节点周期性的广播路由矢量报文，接收到该路由矢量报文的固定节点和移动节点依据路由矢量报文更新维护其到达所述Sink节点的多跳路由；当有固定节点或移动节点有数据发送时，直接利用该节点上存储的多跳路由进行发送；如果有数据发送的移动节点没有存储到sink节点的路由时，该移动节点采用AODV重建策略寻找到达所述sink节点的路径；其中，所述路由矢量报文包含：Sink节点ID，Sink节点广播ID及到所述Sink节点的路由长度；所述固定节点和移动节点为普通节点。

摘要： 本发明公开了一种基于改进门控网络和残差网络的水声通信信号调制方式识别方法，该识别方法包括：接收水声信号；对门控循环神经网络进行改进，以提取水声信号的时间特征；对残差神经网络进行改进，同时引入自注意力机制进行加权再处理，得到水声信号空间特征；基于水声信号时间特征和空间特征之间的相关性，使用自适应融合策略用于得到的水声信号时间特征和得到的空间特征进行融合；将融合后的特征送入全连接神经网络进行网络训练；待识别水声信号进行特征提取和融合后，输入至训练好的全连接神经网络进行识别，最后输出识别结果。本发明最终实现了抗干扰强、准确率高的水声通信调制方式智能识别。

摘要： 本发明涉及一种基于复杂网络理论的水声传感器网络信任模型更新方法，其步骤包括：首先，通过定义水下感知节点之间的连接概率，反映水下环境对节点通信的影响；其次，复杂网络理论，定义关键节点，提升网络应对不同攻击的能力；最后基于强化学习中的Q‑learning算法，设计信任模型更新方法。本发明解决了现有水声传感器网络中信任模型无法根据水下环境或攻击者手段变化自适应做出更新的问题，提高了水声传感器网络信任模型的实际应用价值。

摘要： 本发明提供一种降低网络剩余能量的水声传感器网络路由协议，包括：路由建立阶段模式：在已有网络拓扑结构的基础上，根据每一节点的剩余能量、链路能量消耗代价、转发能量消耗代价和最优路由能量消耗代价，并结合节点到主节点的跳数分布式动态确定各个节点的最优转发节点。信息传输阶段模式：节点采集到信息后，将信息转发给自己的最优转发节点，持续进行上述过程，直到信息达到主节点。路由信息维护阶段模式。路由建立阶段模式、信息传输阶段模式以及路由信息维护阶段模式交叉共存运行，分别实现路由信息建立、维护修复和信息传输。该路由协议均衡同步各节点能量消耗，降低因能耗不均衡导致部分节点过早失效而引发的剩余能量浪费问题。

摘要： 本发明涉及一种适用于中心式水声多跳网络的路由协议，该协议通过Sink节点广播路由广播矢量使得网络中其他节点建立和维护到Sink节点的路由，所述路由协议为：Sink节点向所述固定节点和移动节点周期性的广播路由矢量报文，接收到该路由矢量报文的固定节点和移动节点依据路由矢量报文更新维护其到达所述Sink节点的多跳路由；当有固定节点或移动节点有数据发送时，直接利用该节点上存储的多跳路由进行发送；如果有数据发送的移动节点没有存储到sink节点的路由时，该移动节点采用AODV重建策略寻找到达所述sink节点的路径；其中，所述路由矢量报文包含：Sink节点ID，Sink节点广播ID及到所述Sink节点的路由长度；所述固定节点和移动节点为普通节点。

摘要： 本发明公开了水声通信网络中基于会话间网络编码的路由方法，本方法直接利用数据包的传输建立并选择路由，节点在收到数据包时首先判断是否需要解码，然后遍历邻居节点列表，对于每个候选邻居节点遍历路由表，判断当前的包和路由表中已有的数据包流之间是否存在会话间网络编码的机会，并计算当前节点到候选节点的发送次数，由发送次数确定当前候选节点为下一跳时，传输到目的节点还需耗费的能量，将该能量的最小值对应的候选节点作为最优的下一跳节点。实验表明，本发明通过将会话间网络编码和路由相结合，可以降低数据包的发送次数，从而降低能量消耗和时延，并且使得网络的吞吐量大大提高。

摘要： 本发明涉及一种水声网络的数据传输系统，包括若干个独立的水下节点，每一水下节点与至少另一水下节点对等连接，且包括发射光学天线、接收光学天线、光源、光调制器、光接收机、水声换能器/接收换能器、数字信号处理器，以及设有旋转装置、用于完成光源和光接收机之间对准的定位模块；发射光学天线、光源、光调制器、数字信号处理器依次信号连接，接收光学天线、光接收机、数字信号处理器依次信号连接，数字信号处理器还分别与定位模块、水声换能器/接收换能器信号连接；光源为蓝绿激光源。本发明还涉及水声网络的数据传输方法。本发明降低了数据在传播过程中的碰撞机率，提高了通信链路建立的成功率，节约了网络带宽，提高了网络吞吐量。

摘要： 一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机，发射部分设有同步信号模块、控制字头、扩频调制模块、信息码元、数据调制模块、信息帧时间反转模块、组帧模块、功率放大器和发射换能器，同步信号模块接组帧模块，控制字头经过扩频调制模块接组帧模块，信息码元经数据调制模块接组帧模块，信息帧时间反转模块接组帧模块，组帧模块经功率放大器接发射换能器；接收部分设有接收换能器、前置模块、模数转换器、同步模块、帧拆解、控制字头解码、数据解码器和信息帧时间反转，收换能器经前置模块接模数转换器，模数转换器分别接同步模块和帧拆解，同步模块接帧拆解，帧拆解接控制字头解码、数据解码器和信息帧时间反转，控制字头解码接数据解码器。

摘要： 一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机，发射部分设有同步信号模块、控制字头、扩频调制模块、信息码元、数据调制模块、信息帧时间反转模块、组帧模块、功率放大器和发射换能器，同步信号模块接组帧模块，控制字头经过扩频调制模块接组帧模块，信息码元经数据调制模块接组帧模块，信息帧时间反转模块接组帧模块，组帧模块经功率放大器接发射换能器；接收部分设有接收换能器、前置模块、模数转换器、同步模块、帧拆解、控制字头解码、数据解码器和信息帧时间反转，收换能器经前置模块接模数转换器，模数转换器分别接同步模块和帧拆解，同步模块接帧拆解，帧拆解接控制字头解码、数据解码器和信息帧时间反转，控制字头解码接数据解码器。