OFDM链路物理层和MAC层跨层水声通信网络研究

With the deepening development of the ocean, the requirements of the throughput and data transmission latency of the underwater acoustic networks become higher and higher. The characteristics of long propagation delay and fast time-varying of the underwater acoustic channel severely restrict the high efficiency data transmission of the underwater acoustic networks. The proposal aims at the problem of low throughput of the underwater network over fast time-varying acoustic channels, a PHY and MAC cross-layer design with OFDM links is going to be researched. In order to adapt to fast time-varying underwater channels, an adaptive OFDM modulation and demodulation scheme and channel evaluation metric with high consistency are proposed. The proposed methods could realize high speed, robust data transmission in physical layer and provides channel information to the MAC layer. A high efficiency underwater MAC protocol is going to be research to solve the low data transmission efficiency caused by long propagation delay. According to the channel information provided by physical layer, the MAC protocol also consider the automatic repeat request (ARQ) and back-off scheme to minimize the collision and data transmission latency. Based on the robust physical layer communication and high efficiency MAC layer data transmission, the cross-layer design optimizes each layer's protocol according to the channel information. Cross-layer design could effectively utilize the channel resource and increase the throughput of the network.

随着海洋开发的不断深入，对水声通信网络的吞吐量和数据传输时延等性能的要求也越来越高。水声信道的长多途时延和快速时变等特点严重限制了水声通信网络的高效率数据传输。本课题主要针对在快速时变信道下水声通信网络吞吐量低的问题，拟研究一种基于OFDM链路的物理层和MAC层跨层协议设计方法。为了适应快速时变的水声信道，研究一种OFDM自适应调制解调方法和具有一致性的信道性能评估准则，实现不同信道环境下的高速、稳健的物理层数据传输，并为MAC层提供信道信息。针对信道长多途时延带来的MAC协议效率低的问题，研究一种高效的水声MAC协议，并根据物理层提供的信道信息，设计相应的自动请求重传机制和退避算法以减小数据冲突和数据传输时延。在设计的稳健的物理层通信算法和高效的MAC协议基础上，通过跨层协议设计，根据信道信息，优化各层协议算法，从而充分利用信道资源，达到提高网络吞吐量的目的。

随着海洋开发的不断深入，对水声通信网络的吞吐量和数据传输时延等性能的要求也越来越高，水声通信网络高吞吐量和小的传输时延可以实现大量数据的快速传输，这对未来海洋信息战上的胜负起到关键的作用，本项目的研究具有重要的国防意义和应用价值。本课题主要针对在快速时变信道下水声通信网络吞吐量低的问题，研究了基于OFDM链路的物理层和MAC层跨层协议，主要研究内容及重要结果如下：（1）首先，对快速时变水声信道进行分析和建模，提出了一种基于大尺度衰落和小尺度衰落相结合的时变水声信道模型，并采用实际水声信道数据对该模型进行了验证，结果表明该模型与实际水声信道拟合度很高，为协议设计和仿真提供了基础。（2）其次，针对水声信道快速时变和长多途时延的特点，提出了一种物理层OFDM自适应调制编码技术和改进的基于CSMA/CA的MAC层协议，物理层自适应调制编码技术通过自适应调整调制阶数和编码速率实现不同速率的调制方案，可以有效对抗水声信道衰落，保证信道利用率最大化，提出的MAC协议不采用RTS/CTS握手信号进行信道预约，而是采用虚拟侦听的方法，侦听其他节点的数据帧判断信道是否忙碌，并且增加了两种NACK控制帧用于跨层协议设计，提出的MAC协议可以有效的减小水声信道长多途时延带来的信道利用率低的问题，同时通过虚拟载波侦听可以有效避免冲突，从而减小由于碰撞带来的能量损失。（3）最后，结合物理层自适应调制技术和MAC层协议，提出了一种物理层和MAC层的跨层水声协议，跨层协议设计通过估计信道、反馈信道参数，可以根据信道环境自适应调整调制参数，从而可以最大限度的利用信道，使网络吞吐量达到最大，同时可以降低端到端时延和能量消耗，优化网络性能。本项目的研究成果对于建立高速水下通信网络、实现水下信息一体化具有一定的支撑作用。