水声网络中基于数字喷泉码数据传输技术的多目标优化研究

Underwater acoustic sensor network is a new method in getting information, which can transport and manage information in a specific range. By storaging the terminal data in distributing way, the information transmission interaction ability is improved. However, because the employment of acoustic wave as the communication media in underwater environment, underwater acoustic communication is suffered from some serious problems such as long delay、high error rate、narrow band and so on. What's more, the finite energy of nodes prevents underwater acoustic sensor network from developing on a large scale and long term. Advanced network coding and adaptable protocol can solve this problem effectively. As a burgeoning network coding, fountain codes shows its advantages of rateless feature and full use of information between nodes by effectively solving the problems such as loss of information、communication failure caused by the demise of some nodes and unreliable link transmission. This project is aimed at researching fountain codes data transmission technology in underwater acoustic environment, optimizing the transmission performance from several aspects as time delay、energy efficiency and reliability by improving fountain codes algorithm. Besides, reasonable designs of network transmission protocols that are suitable for fountain codes and dynamic network topology can better underwater network communication performance and improve information transmission ability under the background of adverse underwater acoustic sensor network as well.

水声传感器网络作为水下环境中一种新型的信息获取方式，能够在一定范围内实现信息的传输和处理，将终端信息数据进行分布存储，提高了信息传输的交互能力。但水声网络由于使用声波作为通信媒介使得水声通信具有长延时、高误码率、窄带宽等诸多劣势，此外节点的能量有限性进一步限制了水声传感器网络的规模化与长久化发展。先进的数字喷泉码及与其相适应的协议能够有效解决这一问题，作为一种新兴的网络编码，数字喷泉码以其无码率特性在数据传输中具有明显优势，通过对节点间信息的充分利用，有效解决了由于部分节点消亡、链路不可靠传输造成的信息丢失、通信失败等问题。本项目旨在研究水声环境中数字喷泉码数据传输技术，通过改进其编译码算法从时延、能量效率、可靠性等几个层面对传输性能进行优化。此外，合理设计与数字喷泉码相适应的网络传输协议以及动态网络拓扑结构能有效改善水下网络通信性能，提高信息在条件恶劣的水声通信网络中的传输能力。

水声传感器网络作为一种水下无线网络，在离岸勘探、生态系统监测、灾害预警、辅助导航以及战场侦查等领域都有广阔的应用前景。目前，声波仍然是水下无线通信的主要媒介。由于水声信道独特的特性（如长时延、窄带、强多途、高路径损失以及强多普勒等），使其成为了目前最为复杂的几种无线信道之一，水声通信也因此在有效性和可靠性方面面临着巨大的挑战。喷泉码的无码率特性使其能够在无反馈或极少反馈的情况下实现可靠通信，这一特性对于高误码率的水声信道来说非常有价值。.本项目从喷泉码编译码算法、基于喷泉码的水下传输协议、水下动态拓扑算法及水下数据链路层协议等几个方面出发，针对喷泉码在水声传感器网络中应用进行多目标优化研究。具体研究成果主要如下：1）针对喷泉码算法在水下传输时存在编译码复杂度高和译码延时长等问题提出联合编译码算法；为降低通信过程中的传输冗余，提出兼具低冗余传输特性和抗截获能力的喷泉码算法；为保证重要信息的可靠传输，提出了具有不等差错保护的喷泉码编码算法；2）提出一种水声信道下基于喷泉码的相关链提取传输协议，充分利用接收端停止集中剩余信息有效降低了数据的传输冗余；将喷泉码与网络编码结合提出了基于喷泉码和网络编码的水下融合编码传输协议；3）提出水下动态网络拓扑算法延长了水声网络节点生存周期；提出适应多种网络拓扑结构的水下数据链路层协议。最后搭建水声传感器网络信息传输模型，并探讨系统参数对其性能的影响。.研究过程中，模拟了点对点传输和多信源、多跳传输两种水声传感器网络通信仿真场景。并且在这些场景下对所提出的喷泉码编译码算法、通信协议等进行了仿真试验，研究结论和成果具有理论依据和试验支撑。取得成果：出版专著1部；在国内外高水平期刊和会议上发表论文共12篇，其中被SCI检索3篇，被EI检索6篇。此外，培养博士生2名，硕士生7名。