基于大传输时延的水声通信网络协议架构理论与关键技术

The rapid increase of and in the past years has consumed most of the network capacity, making the underwater acoustic network hard to satisfy the data rate requirements. The aforementioned phenomenon is induced by three reasons. The first reason is that the deterministic network cannot well adapt to the large propagation delay and uncertain delays in both time and spatial domains. The other reason comes from the fact that the narrow bandwidth and high BER cannot well support the linearly increased network capacity. The last reason is that the network power efficiency cannot well satisfy the requirements of mobile topology and unequal data rate. The fundamental method for solving the aforementioned problems is to optimize the management of network topology, sharing and cooperation of the time slots, and the equalization of network efficiency and traffic load. In this project, breakthrough in the critical technology of the future underwater acoustic network architecture will be achieved, with the cross-in-flight mode; the strategies of slot assignment, and load equalization being mainly focused. We will also build the platform of experimental verification for the proposed algorithms. The research results will also provide fundamental theories and critical technologies for optimizing the future underwater acoustic network architecture.

随着水声通信网络规模以及通信业务量的快速增长，网络的业务承载与服务能力瓶颈日趋凸显，其根源在于水声通信网络发展面临的三大矛盾，即：“高传输时延及其时空不确定性与网络高效性需求之间的矛盾”、“可用带宽窄以及高误码率与网络吞吐量之间的矛盾”与“网络拓扑动态性以及通信负载不均衡性与网络整体效能之间的矛盾”。解决上述矛盾的根本途径在于加强水声通信网络拓扑结构管理、加深分布式网络资源共享与协同力度、突破网络能效优化与负载合理适配的关键技术，从而优化未来水声通信网络架构，充分利用网络资源以及通信能力，合理实现未来水声通信网络高效可靠的数据传输。本项目重点研究交错式TDMA网络协议架构、网络资源优化分配以及水声通信网络负载均衡等关键理论与前沿技术，并搭建仿真试验验证平台。研究成果将为推动我国未来水声通信网络协议架构的优化以及关键技术的研发提供理论基础与技术支持。

本课题针对水下通信网络目前存在的三个主要矛盾：（1）大传输时延及其时空不确定性与网络高效性需求之间的矛盾；（2）可用带宽窄以及高误码率与网络吞吐量之间的矛盾；（3）网络拓扑动态性以及通信负载不均衡性与网络整体效能之间的矛盾展开深入研究。面向未来水声通信网络需求，研究网络协议架构、网络资源分配、网络能效优化等关键技术，实现水声通信网络性能的提升，以应对网络拓扑结构、信道传输时延以及通信负载方面的时空动态性、不确定性与不均衡性。主要工作和研究成果如下：.1）针对水声信道的大传输时延，根据网络拓扑结构的数学模型以及非时隙限制接收策略，结合网络调度信息，设计并实现的信道接入参数优化计算方法，实现数据报文跨时隙传输，从而进一步提升网络吞吐量性能；此外，信道接入参数优化计算方法采用分布式运行的方式，相比于中心式计算方法，时效性更高，节点信道接入更灵活，有效地提高节点应对拓扑结构变化的能力，降低数据报文传输碰撞的概率。.2）根据最优时隙表特性，结合网络节点非均衡负载的约束条件，构建调度目标函数，设计并实现非均衡负载条件下的最优时隙分配方案，从而有效地避免因网络资源分配不合理而导致的时隙浪费。.3）基于OMNeT++仿真软件搭建网络仿真实验平台，仿真实验结果表明利用水声信道的大传输时延，基于TDMA的环形拓扑网络存在最优时隙分配方案从而达到网络吞吐量理论上限值。此外，根据网络拓扑结构以及非时隙限制接收策略实现数据报文的跨时隙传输，从而提高水声通信网络的时隙资源利用率，使得网络吞吐量性能提升20%。最后，根据网络节点非均衡负载的约束条件，通过自适应匹配节点负载的时隙计算方法提升网络的吞吐量性能。.伴随着军事物联网的快速发展，本课题的研究成果相信会对未来水下环境中潜艇、无人潜航器等军事节点的网络通信提供相关的理论支撑，对空天地海一体化网络建设、天地融合移动接入、半实物仿真提供仿真实验数据等技术支持。