生物友好的認知水聲網路頻譜管理與路由機制研究

《生物友好的認知水聲網路頻譜管理與路由機制研究》是依託天津大學，由金志剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：生物友好的認知水聲網路頻譜管理與路由機制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：金志剛
• 依託單位：天津大學

項目摘要

水聲信道環境噪聲高、頻寬窄、傳輸時延長，且人工系統和自然水聲系統存在頻譜干擾和衝突。項目將分析UWSN協作認知機制、MAC機制及路由機制的相互作用機理，揭示相關算法在認知UWSN中聯合使用的性能。基於認知理論，研究水聲信道及水生生物頻譜多節點協作感知機制。對節點信道占用和變化、水聲生物信道使用等重要特性進行特徵提取與預報，構建適用於認知水下網路的多用戶接入機制及算法。套用網路效用最大化理論對水聲認知網路進行建模和問題分解，提出多系統接入博弈機制和算法。設計融合方向性傳輸的MAC層時、空復用最大化接入算法，形成高效可靠的頻譜管理和MAC接入新機制。研究考慮方向性傳輸的網路連通性模型及相應的路由空洞和障礙物避免策略。藉助計算幾何、隨機圖論對網路時空變化的拓撲結構、間歇連通模型等進行分析。在生物友好條件下，提出3D高效路由算法。項目將在認知水下網路機制設計與算法上獲得理論進展並進行實驗驗證。

結題摘要

針對水下聲感測網路面臨的水聲信道環境噪聲高、頻寬窄、傳輸時延長等約束條件，而且人工聲學系統與水下生物水聲系統存在頻譜干擾和衝突等問題，本項目設計與實現了UWSN協作認知機制、頻譜決策機制、水下信道MAC機制及路由機制，並且進行了聯合設計與跨層最佳化。基於認知理論與稀疏信道分析與相關技術，率先提出了面向信道容量最佳化的生物友好頻譜協作感知機制。通過認知與生物友好機制，實現了高效的頻譜決策與功率控制，並且提供了跨層服務接口。設計了對節點信道占用和變化、水聲生物信道使用等重要特性進行特徵提取與預報算法，構建了適用於認知水下網路的多用戶接入機制及算法。設計與實現了融合方向性傳輸的MAC層時、空復用最大化接入算法，形成高效可靠的頻譜管理和MAC接入新機制。研究考慮方向性傳輸的網路連通性模型及相應的路由空洞和障礙物避免策略。並且提出了AUV/Glider等水下移動節點構成的異構水下網路的MAC機制與路由機制。項目還提出了MAC與時間同步一體的高效新機制，並且進一步融合了節點定位機制，有效實現了一體化的通信與定位。進一步，基於Q-learning等機器學習方法，在生物友好條件下，提出了3D高效路由算法。為了對有關算法與協定性能進行驗證與改進，項目還改進了基於NS-2的水下網路仿真系統。項目形成了頻譜決策、信道接入機制、時間同步與節點定位、路由機制等水下感測器網路關鍵技術與總體方案，並且構建了仿真與實驗平台。