水下动态多节点自动接入与组网基础研究

The underwater acoustic networks with mobile nodes play an increasingly important role in numerous applications such as ocean environment surveillance and exploration. However, the characteristics of the underwater acoustic links such as long propagation time, low data rate, high outage probability and time-varying nature of network topology bring challenges to underwater acoustic networking. Aiming at overcoming those difficulties, we shall study the link connectivity, link reliability and network capacity based on a three-dimensional network architecture involving ocean-bottom sensor nodes, autonomous underwater vehicles and surface nodes. The ultimate goal of our research is to solve the fundamental problem of networking in dynamic underwater acoustic networks. The main research topics are as follows: (1) dynamic network modeling and capacity computation facing access of mobile nodes (2) multiple access and link maintenance mechanism of dynamic underwater acoustic networks (3) topology control and routing strategies of clustering DTN three-dimensional underwater acoustic networks. In this project we aim to research new networking technologies of dynamic three-dimensional networks, and try to develop a set of protocol stacks. In addition, we will set up a practical validation platform and provide open testbed for future related research.

引入移动节点的水声网络在海洋监测、海洋开发等方面具有广阔应用前景，但水声链路的长时延、低速率、高中断概率特性以及网络拓扑的时变性给水声组网通信带来重大挑战。针对这些挑战，本项目拟开展包含水底传感节点、水中航行器节点、水面汇聚节点在内的立体网络架构研究，从网络覆盖、链路连通、可靠路径三方面着手，重点解决能量与传输手段受限条件下移动节点可靠接入及水声动态组网的基础问题，主要研究内容有：1）面向水下移动节点接入的动态网络建模与容量计算；2）动态水声网络多址接入与链路保持机制；3）分簇DTN立体水声网络拓扑控制与路由策略。项目立足于研发动态立体水声网络的新型组网技术，力图获得具有自主知识产权的协议体系，并搭建实际验证系统，为后续相关研究提供开放测试平台。

水声网络在海洋监测、海洋开发等方面具有广阔应用前景，但水声链路的长时延、低速率、高中断概率特性以及网络拓扑的时变性给水声组网通信带来重大挑战。针对这些挑战，本项目主要开展了水声网络建模、水声网络媒介接入协议、水声CDMA技术、水声机会路由协议等方面的研究工作，并搭建了水声通信网络平台以进行仿真与实验验证。主要成果包括：基于链路协议模型，推导了在水下任意发射节点的椭球邻域内找到其对应接收节点的概率、基于中继节点的发送包成功传输的概率；针对水声传输的误包率较高、反馈重传机制效率低的问题，提出了跨层和前向差错控制方案，即在传输层采用无码率喷泉码实现对正确数据包的机会接收，在物理层采比特级前向差错控制增强链路可靠性；通过实测发现了水声传播双尺度时延变化特性，仿真实验研究了这种时延动态特性对媒介接入控制的影响，基于吸收马尔可夫链模型推导了基于自适应时隙长度和媒介接入控制协议吞吐量的闭式表达式；针对基于正交频分复用（OFDM）技术的水下移动通信对多普勒和信道估计的需求，提出了一种基于PN序列的多普勒和信道估计方法; 将OFDM技术与扩频技术结合，提出了一种载波交织的基于完全互补序列的水声MC-CDMA通信系统（MIC-CDMA/CCS）；依据不同的应用场景，提出了改进的CW-ALOHA媒质接入协议、适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法、用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议等；提出了水面无线辅助的机会路由协议、距离向量机会路由协议、基于休眠调度的用户与网络协作机制；引入微服务架构设计思想实现了水声网络协议实验平台-MicroUAN, 该平台采用消息队列Rabbit MQ作为微服务间通信组件，并提供了基于层次状态机的协议微服务编程框架。