基于协作频谱感知的水声传感器网络链路接入跨层设计关键技术研究

With the accelerated pace of the world ocean development, underwater acoustic sensor networks for marine environmental monitoring has been widespread concern. Media access is one of the hot and difficult because of limited energy , interference-limited , bandwidth-constrained , and long propagation delay and other issues. How to design a media access protocol with efficient , reliable , and energy-efficiency is a challenge you must face in the process of establishing underwater acoustic sensor network. The project jointly design physical layer transmission scheme and media access protocol based on cross-layer idea and spectrum sensing. With the consider of energy efficiency,a cluster and double layer structure for underwater acoustic sensor network media access protocol has been established, a kind of OFDM modulation scheme with non-continuous subchannel mapped is used within the cluster and a kind of hopping frequency transmission scheme with the concept of time - spectrum block inter cluster. Joining collaboration technology and compressed sensing methods, idle time - spectrum block resources are awared. Through modeling the interference graph,channel allocation problem is equivalent to coloring problem and get sub optimal results by heuristic method. Finally, the research program is verify by a protocol verification platform and to evaluate system performance in the actual sea trials.

随着世界各国海洋开发步伐的加快，用于海洋环境监测的水声传感器网络受到了广泛的关注，链路接入是其中的研究热点和难点，面临能量受限、干扰受限、带宽受限以及传播延时长等问题，如何设计高效、可靠以及满足能耗有效性的链路接入协议成为建立水声传感器网络过程中所必须面对的挑战。本课题采用跨层设计思路，基于无线认知网络的频谱感知理论，联合设计物理层传输方案和链路接入协议。基于能耗有效性考虑，建立了分簇双层的水声传感器网路链路接入协议结构，并在簇内使用非连续子信道映射的OFDM调制方案，簇间基于"时间-频谱块"概念设计跳频传输方案；联合协作技术和压缩感知方法，感知"空闲时间-频谱块"资源；对干扰图进行建模，将信道分配问题等价为着色问题，采用启发式方法求解次优结果。最后通过建立协议验证平台对研究方案进行验证，在实际海试中评估系统性能。

随着世界各国海洋开发步伐的加快，用于海洋环境监测的水声传感器网络受到了广泛的关注，链路接入是其中的研究热点和难点，面临能量受限、干扰受限、带宽受限以及传播延时长等问题，如何设计高效、可靠以及满足能耗有效性的链路接入协议成为建立水声传感器网络过程中所必须面临的挑战。本课题采用跨层设计思路，基于无线认知网络的频谱感知理论，联合设计物理层传输方案和链路接入协议。首先建立分簇双层的链路接入协议结构，提出基于分簇的簇内链路接入协议——CUMAC和簇间多信道链路接入协议——GCMAC；相应地，正交频分复用和时频编码两种调制技术为簇内和簇间接入提供物理通路。其次，为了有效地利用有限的信道资源，基于认知无线水声网络的理论框架，将网络内的信道资源视为频谱感知对象，为水下认知网络节点提供一种基于接收者视觉的动态借用频谱决策机制——RvDB；基于分布式压缩感知理论提出一种簇间数据压缩传输和重构方案——BUTM-DCS，在保证重构精度的前提下通过压缩簇间数据传输量来提高频谱利用率。最后，基于STM32微处理器和DSP6748信号处理芯片建立协议实验平台。本项目提出的实时移动OFDM系统经过平均水深为17米的厦门港和平均水深为50米的台湾海峡多次海试实验，表明：水平距离27公里通信速率为100bit/s时，时频编码调制误码率在10-2以下，是一种极其鲁棒的远程簇间链路物理层通道；移动速度3m/s时，移动OFDM系统能够提供实时语音通信，为簇内链路建立多样化的物理层通道；OPENT仿真结果和部分海试实验表明：链路协议（CUMAC和GCMAC）和频谱利用算法(RvDB和BUTM-DCS)能够有效提高链路接入的可靠性，提升信道资源的利用率。本项目的研究成果为建立链路接入层和物理层提供一种新的参考，进一步推动水声传感器网络实用化的进程。