水下传感器网络协作MIMO通信技术研究(导师看看)

CooperativeMIMOCommunicationforUnderwaterAcousticSensorNetworks(UASNs)WANGJian-Ping1,2,CHENWei1*(1,SchoolofInformationEngineer,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei,430070,China;2,SchoolofInformationEngineer,HenanInstituteofScienceAndTechnology,Xinxiang,Henan,453003,China)Abstract:Asanimportanttechnique,MIMOisusedtoimprovecommunicationperformanceofUnderwaterAcousticSensorNetworks(UASNs).However,thereexistsahugeobstacleonimplementationMIMOcommunicationforUASNs,whichrestrictsbyactualcommunicationconditionsinunderwaterenvironment.ThecommunicationbasedoncooperativeMIMOofferaninnovativeapproachforUASNs.Inthispaper,wedesigncooperativeMIMOCommunicationforUASNs,describethedeploymentmodel,thearchitectureofmulti-hopcommunication,themathematicalmodelofenergyconsumption,thenetworkperformancesimulation,optimizationalgorithm,thedevelopmentoftestplatformandtrialproductionofcooperativeMIMOnodeindetails.Throughthisstudy,weaimtoverifythefeasibility,rationalityandvalidityofthecooperativeMIMOtechnologyforUASNsinordertoprovideatheoreticalandtechnologicalsupportforthedeploymentofhigh-speedandreliableUASNs.KeyWords:UnderwaterAcousticSensorNetworks(UASNs),CooperativeCommunication,CooperativeMIMO,UnderwaterAcousticCommunication水下传感器网络协作MIMO通信技术研究1王建平1,2,陈伟1*（1,武汉理工大学信息工程学院湖北武汉430070;2,河南科技学院信息工程学院河南,新乡453003）摘要：MIMO是水下传感器网络(UnderwaterAcousticSensorNetworks,UASNs)性能改进的重要技术。然而受水下通信环境限制，UASNs网络MIMO通信的实施存在巨大障碍。协作MIMO为UASNs网络实施MIMO通信提供了新的研究途径。设计了一种水下传感器网络协作MIMO通信方法，阐述了网络的部署模型，多跳协作的通信架构，协作MIMO的能耗数学模型，网络性能仿真与优化算法，网络测试平台的开发和协作MIMO通信节点的试制等内容。通过研究，期望验证水下传感器网络协作MIMO的可行性、合理性及有效性，为部署高速可靠UASNs网络提供理论和技术支撑。关键词：水下传感器网络，协作通信，协作MIMO，水声通信1国家自然科学基金资助项目(31371525);2015年度河南省产学研合作项目(水下传感器网络协作MIMO部署方法及节点试制研究);新乡市科技发展计划资助项目(14GY23);王建平(1981-)，男，讲师，博士，主要从事传感器网络技术研究，(E-mail)[e-mail]通讯作者：陈伟(1963-)，男，教授，博士生导师，主要研究宽带无线通信与认知无线电技术，(E-mail)[e-mail]1.引言无线传感器网络是采用大量低功耗的廉价传感器节点以自组织的方式构成的无线网络。随着对无线传感器网络研究的深入发展，水下传感器网络的应用引起了学者们的广泛关注。水下传感器网络(UnderwaterAcousticSensorNetworks,UASNs)是由具有声学通信与计算能力的传感器节点构成的水下监测网络系统。水下传感器网络是基于无线传感器网络的新技术，它将供水下数据采集，处理和传输的大量传感器节点采用随机或者固定的方式部署在水下环境中，以实现特定的业务需求。基于水下传感器网络的海洋资源探测和监控、海底生物和环境监控、海底地震和海啸预报、航海导航、水下潜艇、鱼雷的跟踪和反跟踪等都是当前的热门研究领域。和无线传感器网络相同的是，水下传感器网络通常也采用低功耗的传感器节点进行部署，节点通常基于随机分布，数量居多，构成的自组网采用多跳中继方式进行数据传输，网络的拓扑结构异变等。和无线传感器网络不同的是，无线传感器网络在陆地环境下通常基于电磁波通信，而在水下传感器网络中，由于电磁波信号的衰减等问题及其严重，特别是在海洋环境下，海水的电离和海洋环境的时变，导致在远距离海洋环境下难以采用电磁波进行通信。为此，在水下传感器网络中，通常采用声呐进行通信，当前比较典型的水声通信载波频率是10KHz-40KHz范围内，这种水下使用的声呐通信速率大约为1500m/s[1]。和在陆地上部署的无线传感器网络相比，水下传感器网络的数据延迟更大，节点的部署方式更加困难，数据误码率极高，由于水声信道的带宽极其有限，对可靠高速的水下通信提出了新的要求[2]。MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)是一种改善无线通信质量的技术，它使用多天线技术，使信号通过发射端与接收端的多个天线发送和接收。通过MIMO技术，可以在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍提高系统的信道容量，同时降低信号干扰[3]。当前该技术已经成功的使用在移动通信等领域。研究表明，水下MIMO技术是可行的，可以极大的减少水下通信干扰，提高通信质量[4]。MIMO技术可以很好的利用水声信道复杂的散射特性而获得更高的信道容量增益，支持更高速率的水声通信。因此，MIMO已逐渐成为高速水声通信的首选方案。考虑到水下传感器网络通信延迟大，信道带宽小，声波信号的发射和散射及其信号干扰尤为严重等问题，如果实施MIMO技术，必将提高水下传感器网络的信号传输质量，提高通信可靠性，同时降低能耗，延长水下传感器网络的生存时间。水声换能器是实现水声信号收发的重要部件，可以量化水声换能器为水下传感器节点的天线。已有部分研究提出采用水声换能器阵列[5]构建MIMO节点，进行水下通信的报道。然而，这种研究需要更改当前水下传感器节点的硬件结构，在体积、电能、CPU性能均受限的水下传感器节点上配置水声换能器阵列，这对实现大量随机部署的水下传感器网络而言，在部署成本和节点制造上均存在困难。协作MIMO技术[6]是在不改变原有传感器节点硬件架构的基础上，通过设计相关的节点分簇和数据通信方法，将多个传感器节点逻辑上组织成一个多天线的MIMO虚节点[7]。这些构成MIMO虚节点的节点成为协作节点，整个网络基于多分簇和虚节点实现基于MIMO的通信，这样就可以将MIMO的分集等相关技术应用到整个水下传感器网络，以此来改善水下传感器网络的性能。本文基于作者实际主持的河南省2015年度产学研研究项目，提出了基于协作MIMO的水下传感器网络通信方法。全文组织如下：其中第1章，介绍了水下传感器网络、MIMO通信和协作MIMO通信的相关概念，第2章介绍了该领域的国内外研究现状。第3章阐述了基于协作MIMO的水下传感器网络研究内容，第4章是全文的小结。2.研究现状由于水下传感器网络的通信频率受限，水下环境的复杂多变和实际业务实时性的需求，例如水下高速通信，多媒体传输等，使得提高水下传感器网络性能的研究成为热点。陆地无线通信MIMO技术在水下通信中极有发展潜力，若能针对水声信道对其加以改进，充分发挥其优点，使之适合于水声信道传输，将使水下传感器网络技术得到较大的进展。水下传感器网络MIMO通信的相关研究当前已可见到。其主要关注水声信道的建模，节点的分簇，信道编码等。孙超[8]等人分析了MIMO声纳的概念和技术特点,详细阐述了密集式MIMO声纳和分布式MIMO声纳的结构和方法。GaultierReal[9]等人提出在浅水环境下采用极高频率实现MIMO水下通信的信道估计方法。张歆[10]等人对MIMO水声信道模型及信道容量进行了研究。借助于瑞利衰落统计模型和射线模型,建立了时变的MIMO水声信道模型，分析了多径时延以及发射、接收阵元数对时变水声信道容量的影响。王楠[11]等人提出了一种基于MIMO主动声纳的探测处理框架，从理论上证明了MIMO系统比传统相控阵系统具有更高的空间分辨能力。潘翔[12]等人提出了将MIMO和时反处理相结合的波导声呐处理框架，用于增强浅海小目标探测能力。金勇[13]等人提出了一种MIMO声纳系统的目标方位估计方法。姜煜[14]等人提出了一种发射端采用VBLAST编码，接收端采用带有二阶数字锁相环的自适应空时判决反馈均衡技术进行解调的水声MIMO高速通信技术。乔宏乐[15]等人研究了一种用于MIMO水声通信系统的空时分组扩展编码方案(STBSC)，利用正交扩频编码克服了水声信道中多径干扰对空时分组编码(STBC)信号正交性的破坏。Li-ChungKuo[16]等人提出了MIMO水下传感器网络分布式MAC协议的设计过程。LifengCai[17]等人提出基于主动时反的水声MIMO通信方法。采用空时聚焦特征，设计主动时反处理来实现水下MIMO通信。KaiTu[18]等人设计了协作MIMO-OFDM技术的水声接收机，实现了由于节点移动等引起信号多普勒频移难以处理问题，通过FFT技术设计了多路分支的前端接收机，以此来实现水下通信的信号量化。Sunwoo[19]则介绍了三种算法在水声MIMO-OFDM系统中的应用。Li-ChungKuo[20]等人提出了基于MIMO-ODFM技术的水下传感器网络跨层路由协议。王彪[21]等人针对水声MIMO-OFDM系统，利用水声多径信道冲激响应的稀疏特性，提出一种基于压缩采样匹配追踪(CompressiveSamplingMatchingPursuit，CoSaMP)的信道估计方法。这些研究给出了基于MIMO技术的水下传感器网络信道建模和量化、信道容量的分析、信道编码和相关路由协议的设计等分析，有力的证明了水下MIMO技术的优势和使用前景，但存在如下不足：（1）已有研究大多假设为多天线（水声换能器）的MIMO节点工作方式，对于协作MIMO技术的研究较少，这种假设和实际部署水下传感器网络存在较大差距；已有研究从多角度证明了水下传感器网络采用MIMO技术的优势，这些研究可为水下传感器网络部署MIMO技术提供技术支撑。但是这些研究大多基于多水声换能器（天线）阵列的节点进行，要求部署多水声换能器的MIMO节点。水下传感器节点体积微小、电量受限、CPU处理能力低下、存储容量极小。这些问题对实际水下传感器节点的制造、部署和节能等提出了新的要求。已有的这种基于多水声换能器的水下MIMO感测设备在部分实际探测等非实时领域的检测网络中可能使用，而对水下传感器网络没有代表性。如果在不改动原有硬件结构的基础上，采用软调度技术，设计基于协作MIMO的水下传感器网络，将是水下传感器网络通信的新趋势。但是从当前已有文献资料来看，涉及水下传感器网络的协作MIMO技术