清华大学博士生开题报告

水下传感网协作通信关键问题研究博士生：王萍导师：李安国教授指导老师：张林副教授日期：2010年10月16日清华大学博士生开题报告第一部分·选题背景2海洋——“蓝色聚宝盆”„海洋覆盖地球表面70%以上„海底资源极其丰富„水下传感网第一部分·选题背景3应用前景海底灾难预警生态信息监测水文环境数据收集航海导航第一部分·选题背景4相关研究及项目„国际上‹AOSN（1993）‹SeaWeb（1998）‹NEPTUE(1998)‹APENA（2003日本）‹ESONET（2004欧洲）‹PLUSN（2005）‹MaRS（2007~2013）‹VENUS（2008~加拿大）‹OOI（2010新一代海洋观测计划）„Workshop‹ACMWUWNet(2006)„国内‹我国在“八五”期间开始水声通信的研究‹“分布式海洋水声通信技术研究”等‹“深海光纤水声传感网络技术研究”（清华大学自主科研计划课题项目）第一部分·选题背景5水下通信方式„声波是当前水下无线通信的主要手段‹电磁波：衰减快‹光波：散射严重„水下声波传播速度约为1500m/s第一部分·选题背景6水声通信的特殊挑战：环境差传输损耗吸收损耗衰减快()()A,dkdfdfα=()()10logA,10log10logdfkddfα=+⋅[E.Sozer2000]E.Sozer,M.StojanovicandJ.Proakis,UnderwaterAcousticNetworks,IEEEJournalofOceanicEngineering,vol.25,No.1,January2000,pp.72-83.第一部分·选题背景710log()5018log()Nff=−水声通信的特殊挑战：环境差高噪声[1][1]M.Stojanovic,“OntheRelationshipBetweenCapacityandDistanceinanUnderwaterAcousticCommunicationChannel,ACMSIGMOBILEMobileComputingandCommunicationsReview(MC2R),vol.11,Issue4,October2007,pp.34-43.‹生物噪声‹行船噪声‹风吹海面噪声‹热噪声第一部分·选题背景8水声通信的特殊挑战：环境差多径强烈[1]M.StojanovicandJ.Presig,``UnderwaterAcousticCommunicationChannels:PropagationModelsandStatisticalCharacterization,IEEECommunicationsMagazine,January2009,pp.84-89水声信道近似为瑞利衰落信道[1]第一部分·选题背景9水下通信的特殊挑战：代价高水下声学换能器UWM2000@LinkQuest‹通信开销大‹设备昂贵，服役期不易更换UWM200能耗00.511.522.5发送能耗接收能耗睡眠能耗能耗（W）2W@1.2km第一部分·选题背景10误码率BERη≤„增大发射功率301024eifPthendBγ−≤=载波频率：10kHz;可用带宽为：5kHz第一部分·选题背景11常见提高通信距离的方法（2）„水声多跳通信[1]N-1()()10logA,10log10logdfkddfα=+⋅[1]M.Stojanovic,“CapacityofaRelayAcousticLink,inProc.IEEEOceans'07Conference,Vancouver,Canada,October2007.第一部分·选题背景12常见提高通信距离的方法（3）„水下协作通信[1]误码率信噪比直接传输多跳传输多跳协作传输[1]C.CarbonelliandU.Mitra,“CooperativeMultihopCommunicationforUnderwaterAcousticetworks,”WUWNet’06,Sep.2006,LosAngeles,CA,USA.ds21N-1N第一部分·选题背景13研究框架水声协作通信与组网可靠性能耗水下多中继协作水下通信实验平台单源单宿单中继协作通信中继策略研究中继节点数和网络性能的关系研究水下跨层协作通信第二部分·主要研究内容14系统模型UrbashiMitra,USC,WUWNet2009[2]„两跳协作网络模型[1][1]E.C.vanderMeulen,“Three-terminalcommunicationchannels,”Adv.Appl.Prob.,vol.3,pp.120–154,1971.[2]C.ChoudhuriandU.Mitra,“CapacityboundsandpowerallocationforunderwateracousticrelaychannelswithISI”,WUWNet’09,Nov.3,Berkeley,California,USA.源协作节点目的节点第二部分·主要研究内容15两种协作策略„放大转发（Amplify-and-Forward,AF）‹AF首次被应用于水下协作网络[J.W.H08]„解码转发（Decode-and-Forward,DF）‹DF首次被用于水下协作网络[U.M.2009]第二部分·主要研究内容16AF和DF误码率分析()()()()()R*DRSDRDDFbPPPPPP=+译码错误译码错误译码正确链路译码错误链路译码错误„DF策略下,协作系统的误码率为„AF策略下,协作系统的误码率为()()AD=FbPPP=译码错误目的端的输出信噪比小于门限值„结论：在能耗允许范围内，通过协作通信可以提升网络的可靠性第二部分·主要研究内容1712121,,,1SDSRRDρρρρ===+≥1210.3ρρ==1211ρρ==120.31ρρ==平均误码率S和R间平均信噪比AF优于DFDF优于AF协作通信提升了通信的可靠性第二部分·主要研究内容18AF和DF能耗分析1d2d3d0SttcrcEEEE=++„直接传输时，系统的平均总能耗为„协作传输时，系统的平均总能耗为()()()11221DFtctcrettcrEEEEPEEE=+++−+()122AFtctcrtcrEEEEEE=++++„结论：在一定的误码率要求下，协作通信可以降低系统的能耗第二部分·主要研究内容19协作节点位置和网络能耗的关系1(1)()2dkfρρα−≥231,dddBERρη==≤„结论1：当协作节点位于SD链路的中点位置，所需的能耗最小„结论2：在满足一定的误码率要求下，当且仅当不等式成立时，协作通信的能耗小于直接传输的能耗1234567891000.20.40.60.811.21.41.61.82RatioofSRtoSDCommunicationrange(km)UpperboundLowerbound1ρ1ρ第二部分·主要研究内容20同步AF/DF在水声信道的实现过程1d2d3d第二部分·主要研究内容21适用于水下的异步DF、AF协作策略„核心思想：异步协作‹优点¾平均误码率保持不变¾不要求时间同步¾异步DF不会冲突‹不足¾水下AF在目的节点处，有可能出现冲突第二部分·主要研究内容22异步协作策略和同步协作策略时延性能比较归一化后的SR端到端的延迟1ρ同步AF/DF异步DF异步AF第二部分·主要研究内容23已有工作小结水声协作通信与组网可靠性能耗水下多中继协作水下通信实验平台单源单宿单中继协作通信中继策略研究中继节点数和网络性能的关系研究水下跨层协作通信„在能耗范围内，协作可以提升网络的可靠性„在误码率要求下，协作可以降低系统的能耗„协作节点位于SD链路中点时的能耗最小„协作节点的位置决定了网络的能耗第二部分·主要研究内容24工作展望（1）：多节点协作ds21N-1N„分析多节点协作的误码率„分析多节点协作的能耗„研究误码率和能耗的优化问题第二部分·主要研究内容25工作展望（2）：水下传感网跨层协作通信协作模式启动协作数据收集中继法则选择中继通知转发(AFV.S.DF)接收发送直接发送多跳路径选择多路径路由节点选择OR数据数据通知协作信息物理层MAC路由层合作伙伴选择合作时机选择合作方式选择第二部分·主要研究内容26工作展望（3）：搭建水下通信系统验证平台„目标：验证理论研究成果„设备：笔记本电脑、信号发生器、频谱仪、水声换能器„拟实现的通信场景‹任一节点的数据可以发送到网络中的任一个节点；‹每个节点都有监测功能，一旦监测到障碍物时，则把该消息广播到全网水听器水下扬声器第三部分·研究安排27潜在的创新点„分析单中继协作系统的误码率和能耗„设计适合水下协作通信的协作策略„分析多点协作系统的误码率和能耗„研究水下跨层协作通信网络‹“是否协作”‹“什么情况协作”‹“如何协作”„搭建水下协作通信实验平台，验证和促进理论研究第三部分·研究安排28已有成果„发表文章‹P.Wang,L.Zhang,B.Krishnamachari,VictorO.K.Li,ShortPaper:Token-basedDataCollectionProtocolsforMulti-HopUnderwaterAcousticSensorNetworks,thefourthACMWorkshoponUnderwaterNetworks2009(WUWNet'09InconjunctionwithACMSenSys2009),Nov.3,Berkeley,California,USA.„拟投文章‹P.Wang,L.Zhang,VictorO.K.Li,“OnthestudyofCooperativeStrategiesforUnderwaterNetworks”.第三部分·研究安排29未来研究工作计划„2010年10月——2011年5月‹文献调研‹分析多协作网络的误码率和能耗‹研究水下跨层协作通信„2011年6月——2011年12月‹了解常用水听器，水下调制解调器的性能参数，并完成相关测试‹软件编写，实现各个子功能‹搭建水下协作通信系统的验证系统„2012年1月——2012年5月‹整理工作，撰写毕业论文第三部分·研究安排30部分参考文献„[I.F.A2005]I.F.Akyildiz,D.Pompili,andT.Melodia,“UnderwaterAcousticSensorNetworks:ResearchChallenges,”AdHocNetworks,Vol.3,No.3,pp.257–279,May2005.„[E.S.2000]E.Sozer,M.Stojanovic,andJ.Proakis,“UnderwaterAcousticNetworks,”IEEEJ.OceanicEngineering,Vol.25,No.1,Jan.2000,pp.72-83.„[J.H.C2005]J.Kong,J.-H.Cui,D.Wu,andM.Gerla,“BuildingUnder-WaterAd-hocNetworksandSensorNetworksforLargeScaleReal-timeAquaticApplications,”IEEEMilcom2005,Atlantic,NJ,USA,October17--21,2005.„[Z.P.2007]Z.Peng,J.H.Cui,B.Wang,K.Ball,andL.Freitag，“AnUnderwaterSensorNetworkTestbed:Design,Implementation,andMeasurement”，InProceedingsofSecondACMInternationalWorkshoponUnderWaterNetworks(WUWNet'07),Montreal,Canada,September14,2007„[J.P.2006]J.Partan,J.Kurose,B.N.Levine:Asurveyofpractic