团队科研成果分享

2022.09.26-2022.10.02

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研究背景

近年来，由于人们对深海交互信息的兴趣日益浓厚，水声通信网络(UACNs)得到了广泛的应用。与传统的无线电无线网络相比，UACNs具有复杂动态的三维网络拓扑结构和较长的信号传播时延等特点。因此，为了适应复杂的UACNs结构，目前对UACNs的研究通常在数据通信中采用动态路由的方法。然而，这些方法很难满足具有高流量需求的UACNs场景。这是因为动态路由方法，例如机会路由，通常需要外部竞争成本来控制路由路径，这将导致网络吞吐量下降。 

因此，本文着重于为具有高流量需求的水下应用场景实现高速声学通信，并提出了一种基于多通道全双工通信技术(FD)的水下数据传输方法。该方法采用水下正交频分多址(OFDM)技术，利用无碰撞信道在多跳路由中中继数据，实现数据的同时传输和接收。与具有动态路由的传统UACNs通信方法不同，该方法在逐跳路径上传输数据时采用静态路由，以实现稳定和不间断的FD通信。该方法还包括基于定向转发的路由请求方法和基于消除的信道评估方案，目的是降低路由探索的开销，实现无碰撞的FD通信。

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关键技术

本文提出了一种新的高速声学数据传输方法，以满足UACNs中数据传输量大的水下物联网(IoUT)场景的需求。本文采用全双工(FD)声通信和正交频分多址(OFDM)技术实现多跳水声通信网络的数据的同时传输和接收，本文称之为基于空间/频分的多跳水声通信网络全双工数据传输方法(SF-FTU)。在多跳UACNs中，FD技术的不间断传输和接收提高了网络性能，但要确保实际使用，还面临着一些技术挑战。为此，本文重点研究了路径的建立和通道的分配问题，目标是在多跳UACNs中实现无碰撞、高速的FD通信。

该方法的创新和贡献如下：

1) 提出了一种基于声学OFDM和FD通信技术的高速声学数据传输方法SF-FTU。该方法针对高流量IoUT应用场景，提出了一种设计高效多跳UACNs的新方法。

2) 为优化SF-FTU的路由发现开销，本文提出了一种控制消息泛洪方案，即基于定向泛洪的路由请求(DRR)。这限制了控制流量在水下空间的泛洪角度，支持了UACNs中按需路由方法的可行性。

3) 提出了一种用于SF-FTU无碰撞访问控制的信道分配方案，即基于消除的路径评估方案(EPE)。EPE的设计目的是通过多跳路径实现FD同时发送和接收，基于OFDM为每个节点分配不同的通道。

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算法介绍

1. 系统模型

 图1 网络架构

SF-FTU的网络结构如图1所示。水下空间中分布着三种类型的节点：移动节点(MNs)，如自主水下航行器；转发节点(FNs)和汇聚节点(SNs)。所有节点都知道自己在UACNs区域的三维坐标，并配备了一个具有多通道的FD声学调制解调器，节点可以通过不同的OFDM通道同时发送和接收声信号。

MNs负责在海底收集数据。他们移动到数据收集位置并发现到SNs的多跳路由。当FNs发现多跳路由时，属于该路由的节点通过与不同OFDM信道的连续FD通信，将从海底收集的数据转发到海面。SNs从多跳路径收集数据并通过无线电信道将它们中继到陆地站。

2. 基于空间/频分的全双工数据传输方法 

图2 连续FD传输实例

1）多跳全双工数据传输的路由发现：实现连续逐跳FD通信需要在数据传输过程中不少于4个无碰撞通道。因为连续的传输和接收需要三个与三个连续链路相关联的不同通道，以及一个用于通信控制消息的通道。图2举例说明了一个案例。当FN1通过通道4向FN2发送数据时，FN3不应使用通道4进行传输，因为它会触发对FN2的同频干扰；FN2也不应使用通道4进行传输，因为它会触发对其数据接收的自干扰。

图3 通过转发角泛洪RREQ的示例

2）基于定向泛洪的路由请求：在UWANs具有较长的信号传播延迟的情况下，双向控制消息在三维空间的泛洪可能会消耗大量的网络资源，难以应用于实际的路由发现。因此，SF-FTU采用DRR来减少路由发现带来的通信开销，为多跳UWANs的FD数据传输建立可行路径。图3说明了一个MN将路由请求(RREQ)泛洪到它的邻居的例子。

图4 候选转发通道的选择

3）基于消除的路径评估：SNs收到由多条路由发出的不同RREQ后，通过无线电信号相互通信，通过比较信道容量选择最优的多跳路径。EPE的工作原理如下：如图4所示，当一个RREQ被泛洪到一个SN时，这个SN会比较RREQ中记录的信道容量评估(CCL)信息，选择CCL高的通道作为候选转发通道。然后，对每个FN的剩余通道按CCLs排序，SN选择剩余通道中总CCLs最低的FN作为候选转发器，这样的过程是为了为其他并行FD通信节省信道资源。

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实验结果

为了验证本文所提方案的性能，本文首先通过分析来自控制消息交换的路由发现的能量成本和网络流量来评估DRR的性能，比较了采用基于深度的泛洪方法与DRR，该方法只向放置在较浅位置的相邻FNs中继消息，控制包的大小设置为512位。然后，通过比较网络服务质量（QoS）指标（数据包传递率、端到端延迟和网络比特率），本文评估了EPE的效率和总体网络性能。仿真是在网络密度、流量大小和干扰范围的不同情况下进行的，它们分别与FN的数量、MN的分组生成率和传输范围等参数有关。

1. 仿真设置

本文通过对多跳UWANs的MATLAB仿真分析了所提出的SF-FTU的通信性能。网络参数如表1所示。

表1 仿真参数

2. 性能分析

1) 能源成本比较：

图5 能源成本比较

图5比较了能源成本随模拟时间的变化情况。基于深度的泛洪方法的能量消耗在30秒后达到最大值22.5J ，并在50秒后恢复到稳定值9.2J，这意味着RREQ被泛洪了50秒。在我们的模拟环境中，理论上MN和SN之间的控制消息的定向握手通常消耗大概10秒，但是基于深度方法的RREQ被淹没的时间要长得多，这表明水下空间中基于泛洪的路由的正常开销。并且在提出的DRR中，能量成本在30秒后由于泛洪空间减少而达到平衡，最大值为14.3J，这展示了DRR在减少路由发现开销方面的效率。

2) 两种方法的网络流量比较：

图6 网络流量比较

图6展示了两种方法的网络流量比较。使用DRR的数据流量在20秒后开始产生，控制流量在30秒后停止产生，这解释了图5中能量成本的变化。基于深度的方法的数据流量是在30秒后产生的，这是合理的，因为SN能够比DRR收集更多的RREQ，所以SN所选择的路径可能更有效，但物理距离更长，这肯定会花费更多的路由开销。总体而言，与基于深度的泛洪方法相比，DRR的控制流量减少了55%左右，显著降低了控制开销。

3) 数据包投递率比较：

图7 数据包投递率比较

图7显示了总体包传递率(PDR)的变化。图7(a)和图7(c)显示了相似的PDR增加的结果，因为FNs的连通性随着网络密度和每个节点的通信范围而提高。此外，图7(b)中的PDR随着网络流量的增加而降低，因为流量的增加会触发信号干扰，从而带来更频繁的信道争用。总体而言，尽管路由发现需要外部通信开销，SF-FTU和启发式方法的PDR性能优于基于向量和机会的方法，这证明了具有固定多跳路径和集中信道分配的FD通信在UACNs中具有更好的实用性。

4）端到端时延比较：

 图8 端到端时延比较

在图8中，SF-FTU和启发式方法比基于向量和机会的方法表现出更优越的性能。这是因为后者必须在每个FN中产生一定的信道争用延迟来转发数据包，而前者在交换RREP/RREQ时产生延迟，但后续的FD通信持续执行，并受益于整体的端到端延迟。

5）比特率比较：

 图9 比特率比较

逐跳比特率在图9中通过将最大比特率(MBR)和保证比特率(GBR)进行比较。在图9(a)中，SF-FTU通过FNs的数量最快达到最高的MBR(大约1.2 kbps)，这表明EPE在不断增长的网络密度中能够高效地找到最优的FD路径。在图9(b) 中，SF-FTU和启发式方法产生了相似的MBR，最高网络流量为每秒1.2个数据包，与基于向量和机会的方法相比提高了大约30%。此外，SF-FTU的MBR略高于启发式方法，但SF-FTU的GBR比启发式方法提高了25%，这证明了SF-FTU在稳定的网络吞吐量下处理高流量数据流的能力。如图9(c)所示，当传输范围从280m变为320m时，比特率的值减小。其原因是路径建立导致传输范围内的跳数减少，但逐跳距离也增加了，因此逐跳比特率随着信号传播延迟的增加而降低。总的来说，SF-FTU在所有情况下都表现出最高的比特率，这证明了其在高流量和时间很关键的IoUT场景中实现高效FD通信的能力。

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总结

近年来出现的水下多跳声学通信方法对IoUT应用场景表现出了很大的适应性，但由于它们通常采用基于争用的数据转发和动态转发路径，以适应复杂多变的网络拓扑，因此它们在总体吞吐量方面的性能有限。为此，本文以实现高速多跳UWANs为目标，提出了一种多通道FD通信方法SF-FTU。SF-FTU基于水下OFDM技术，近年来的研究成果证明了该技术的可行性。SF-FTU采用固定的数据转发路径，通过FD通信技术实现将大流量数据连续的传到海面。SF-FTU还应用DRR来建立可以减少通信开销的路径，并应用名为EPE的信道分配方法，用于在路径上的每个链路中实现无冲突和同时的FD传输和接收。UACNs的仿真结果表明本文提出的SF-FTU具有良好的通信性能。

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