基于时域干扰对齐的水声网络MAC协议理论与技术研究

Long transmission delay and the temporal and spatial dynamic characteristics of underwater acoustic channels are the key challenges in the research of MAC protocol for underwater acoustic networks. In recent years, noticing the positive aspect of long transmission delay, the newly invented idea of time domain interference alignment can opportunistically promoting concurrent transmissions by finding excellent information transmission schedules, thus opens up a new promising way for the research of the MAC protocol for underwater acoustic networks. However, the research on the interference alignment in time domain is still limited, and many important properties have not been considered in the models in the researches. Based on the good research background and experience in the relevant research directions, we plan to study the theory and technology of MAC protocol based on time domain interference alignment and network coding. The main contents include: 1) foundational problems of the time domain interference alignment based information transmission scheduling method considering some new characteristics; 2) MAC protocol for underwater acoustic networks based on time domain interference alignment; 3) efficient packet scheduling method under the constraint of the dynamic scheduling plan determined by MAC for coexisting dynamic information traffics; 4) network coding based information transmission technology providing required different reliability level under the situations of high bit error rate and link correlation. Our results will collaboratively answer the questions in information transmission in underwater acoustic networks: when and to whom to transmit the information, what are better to transmit, and how to transmit, and thus provide heterogeneous reliability level information transmission service for coexisting dynamic information traffics in underwater acoustic networks.

水声信道的长传输时延和时空动态性是水声网络MAC协议研究面临的关键挑战。近年出现的时域干扰对齐思想发现了长传输时延的正面影响，能通过良好的信息传输调度方案促进并发传输，为水声网络MAC协议研究开辟了新思路。但已有对时域干扰对齐的研究很有限，许多重要网络特性尚未考虑。结合我们在相关方向的良好研究基础，我们计划基于时域干扰对齐思想和网络编码开展水声网络MAC协议的理论基础和技术研究。主要内容包括：1)考虑多项新特性的时域干扰对齐信息传输调度方法的基础性问题；2)基于时域干扰对齐的水声网络MAC协议；3)动态传输调度计划限制下节点内共存动态多业务的优化调度方法；4)高误码率和链路相关情况下基于网络编码的可靠度差异化信息传输技术。上述四项内容的成果将协同回答水声网络中何时在哪条链路上传输、传输哪些信息、怎样传输等问题，从而在水声网络中对动态多业务提供可靠度差异化的高效信息传输服务。

水声信道的长传输时延和时空动态性是水声网络MAC协议研究面临的关键挑战。近年出现的时域干扰对齐思想发现了长传输时延的正面影响，发现能通过精心设计信息传输调度方案促进并发传输，为水声网络MAC协议研究开辟了新思路。本项目研究工作中主要面向水声网络研究了基于时域干扰对齐思想的信息调度理论基础、MAC协议和应用技术，完成的主要工作包括：考虑多信道、传输方向性等多项新特性情形，研发得出了时域干扰对齐问题的一些性质；针对实际应用场景中信息传输调度任务的实践性特点，利用强化学习、深度学习等方法研究提出了若干时域干扰对齐信息传输调度MAC协议；针对多类信息传输业务在线动态变化情形，基于KM算法思想等提出了信息传输业务的优化调度算法，分析论证了算法的性能特点；考虑场景中链路之间信息传输的相关性情形，从网络编码高效传输、网络拓扑优化、数据源头数据量控制、隐私保护可信传输等方面研究了信息传输相关技术，以建设水声网络技术的较完整体系，促进水声网络应用。上述成果努力协调统一，基本回答了何时在哪条链路上传输、传输哪些信息、怎样传输等网络信息传输中的基本问题。. 研发工作中开发了相关仿真测试软件，搭建了水声通信及网络开发实验系统，并与福建省发改委数字福建海洋监测物联网实验室联合在校内湖泊里搭建了中型水声网络实验系统，这些为本项目成果的测试验证提供了基础条件，也为后续深化和拓展该领域相关研究工作奠定了良好基础。. 项目很好地完成了预计学术成果计划。至今已取得成果包括：发表和录用相关论文20篇，其中SCI期刊论文16篇，IEEE Transactions系列期刊7篇；申请发明专利11项，已授权1项；获软件著作权5项。以部分成果为依托，负责人参与“海洋探测无人系统协同关键技术及其应用推广”获福建省科技进步三等奖1项。支持了课题组负责人入选闽江学者、市杰出青年等人才荣誉。