多模式自適應水下無線通信網絡關鍵技術研究.pdf

1、進入21世紀以來，隨著世界經濟和軍事發(fā)展的需求，海洋資源開發(fā)、海洋能源利用等現(xiàn)代海洋高新技術的研究已成為世界新科技革命的主要領域之一，其中水下無線通信網絡關鍵技術與裝備已成為各海洋大國不遺余力進行研究的主要對象。水下無線通信網絡設備的發(fā)展對于建立水下立體通信網絡、水下無線預警網絡、水下無線導航網絡等系統(tǒng)具有重要意義。為滿足當前海洋探測、海洋軍事等領域對水下通信的要求，該通信網絡在感知環(huán)境因素，自適應調整通信模式的基礎上，既要能夠提供遠、

2、中、近程中低速實時數(shù)據(jù)和語音通信，又要能夠提供中、近程實時高速圖像數(shù)據(jù)傳輸及多媒體通信功能。因此，為適應以上需求，本文研究了多模式自適應水下無線通信網所涉及的一些關鍵技術和內容。主要內容包括：
　　 ⑴提出了基于軟件無線電技術的多模式自適應水下無線通信網絡的概念和相應的框架結構。并對其物理層、鏈路層和網絡傳輸層所涉及的相關協(xié)議進行了簡要分析。同時，針對水下無線通信網的安全需求，提出了水下無線通信網的安全體系結構框架，并進行了簡要

3、的分析。
　　 ⑵介紹了水下無線光通信信道以及水下無線水聲通信信道的特點和建模方法，研究了分別適應于深海信道的LDPC空時編碼方案，以及適應于淺海信道的TURBO空時編碼方案。為簡化接收端解碼的復雜度，研究了統(tǒng)一的自適應解碼方案。
　　 ⑶根據(jù)水下無線通信系統(tǒng)對調制解調方式的需求，通信節(jié)點首先根據(jù)數(shù)據(jù)量大小以及對速率和帶寬的要求，確定調制模式。同時，結合MAC層協(xié)議，研究創(chuàng)建了一種跨層的自適應調制解調系統(tǒng)框架，利用收發(fā)雙

4、方的握手信息攜帶當前信道狀態(tài)，由發(fā)射方根據(jù)馬爾科夫模型預計信道未來狀態(tài)，從而自適應選擇合適的調制制式，并利用握手信號通知接收方。為滿足水下通信對功率、頻率等資源的特殊要求，發(fā)射方根據(jù)握手信息，判斷雙方通信距離，并依據(jù)距離與信道信噪比的關系，根據(jù)注水原則，確定最優(yōu)資源分配方案。
　　 ⑷成簇策略是水下通信網拓撲的核心算法，由于我們關注的重點在于如何更大限度的節(jié)省能量，提高整個網絡的壽命，因此，我們將成員節(jié)點的剩余能量與整個簇的剩余

5、能量的加權平均值的比值作為選取簇頭的依據(jù)，提出了簇頭選擇算法。針對分簇的水下無線通信網絡拓撲結構，為有效降低沖突發(fā)生的概率，避免隱藏端問題，我們研究了簇內節(jié)點之間的基于時隙分配的EQE-MAC協(xié)議，當節(jié)點需要與簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互時，只有在屬于自己的通信時隙內才能進行通信，其余時間處于睡眠狀態(tài)。由于簇間通信時，難以進行準確的時隙分配，以及時隙同步，因此，我們研究了預約(Reservation)-監(jiān)聽(Monitor)-睡眠(Sleep)

6、方式，即RMS-MAC協(xié)議。同時，為保證重要數(shù)據(jù)的優(yōu)先發(fā)送，我們研究了基于優(yōu)先級的自適應訪問控制工作方式來支持猝發(fā)通信模式。由于我們假定簇內為一跳網絡，因此針對簇間存在移動節(jié)點的場景，我們提出了基于VBF的能量改進路由協(xié)議算法。整套網絡協(xié)議都是從能量均衡和能量節(jié)省的角度出發(fā)，使得整個網絡的節(jié)點能量分布更加平均，以便于延長整個網絡的生命周期。
　　 ⑸提出了以FPGA、DSP、以及ARM等可編程器件為主的基于軟件無線電技術的水下無