学校编码：10384 分类号 密级 学号：22320141151380 UDC
硕
士
学
位
论
文
水声协作通信网络中信道
-
网络联合编译码
技术研究
Study on Joint Channel-Network Encoding and Decoding
for Underwater Acoustic Cooperative Networks
金晓婷
指导教师姓名：陈友淦助理教授
专
业
名
称
：海
洋
物
理
论文提交日期：
2017
年
5
月
论文答辩时间：
2017
年
5
月
学位授予日期：
2017
年
月
答辩委员会主席：
评
阅
人：
2017
年
5
月
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声明人（签名）：
年
月
日
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声明人（签名）：
年
月
日
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摘要 I
摘
要
随着海洋生态保护、资源开发、灾害预防和国防安全等领域应用需求的增加 和范围的扩大，水声通信从点对点通信转向网络化发展。协作通信技术通过节点 间的信道共享获得分集增益，有效地抵抗多径衰落，提高通信系统性能，在水声 通信网络中有良好的应用前景，因此，研究水声协作通信网络具有重要意义。 针对水声信道时变、窄带、高噪和强多途等特性，论文在水声协作通信网络 中，结合跨层设计理念和迭代处理思想，提出基于 LDPC（Low Density Parity Check）码的信道-网路联合编码方案及对应的联合迭代译码算法，通过节点间的 协作，对水声物理层、网络层传输技术进行综合优化，保证水声数据传输的可靠 性，降低节点能量消耗。论文的主要研究工作如下： 1、分析国内外水声协作通信与组网的研究现状，介绍了LDPC码与网络编 码的基本原理和性能，确定中继节点采用异或（XOR）网络编码方案； 2、在水声协作通信网络中提出一种基于LDPC码的信道-网络联合编译码方 案及对应的联合迭代译码算法，中继节点采用异或网络编码进行协作数据传输， 目的节点对接到的数据进行联合迭代译码处理；仿真表明，与传统信道编码方案 和传统中继解码转发协作方案相比，所提方案能有效降低水声通信系统的误码率； 3、在两源单中继水声协作通信网络模型基础上，研究联合译码迭代次数以 及节点间功率分配对联合编译码方案的影响；仿真表明，通过选择适当的联合迭 代次数和功率分配因子可以提高水声协作通信系统性能； 4、将信道-网络联合编译码方案进一步扩展应用到水声多跳协作通信网络中， 同时结合水声通信能量消耗模型，推导了能量消耗与跳数和传输次数的关系，采 用数值仿真分析了最优跳数、每跳传输次数选择与系统性能的关系； 5、采用 NI USB-4431采集卡构建了基于LabVIEW 的水声协作通信系统， 在实验室水槽环境中，验证了所提方案的可行性与可靠性；同时对水槽实验测试 数据进行分析表明，通过优化接收信噪比估计可以进一步降低误码率，提高联合 迭代译码性能。 关键词：水声协作通信；LDPC码；联合迭代译码；功率分配；多跳协作网络厦门大学博硕士论文摘要库
Abstract
II
Abstract
The research of underwater acoustic communication (UAC) is changing from point-to-point data transmission technology to network because of its widespread applications such as marine ecological protection, resource exploration, disaster forecasting, national defense and security. Cooperative communication technology can achieve diversity gain through the cooperation of nodes which is an effective way to combat multipath fading. It has been studied extensively as a promising technique for improving the performance of wireless networks. Due to the harsh underwater environment, designing a tansmission protocol that is suitable for the doubly selective underwater acoustic channel and has reduced power consumptionis very challenging in underwater acoustic cooperative networks.
The performance of UAC is limited by the characteristics of narrowband, high noise and multi-path fading of underwater acoustic channel. Based on the concept of cross-layer design and iterative processing, we propose joint channel-network encoding and decoding scheme with LDPC (Low Density Parity Check) codes, as well as the joint iterative decoding algorithm. We investigate the optimal design of joint the physical and network layer, through the cooperation of nodes, to reduce the bit error rate (BER) of the UAC and it can improve the reliability of UAC system. The major work of this dissertation is as the following:
1. The research status in the field of underwater acoustic cooperative networks in domestic and abroad is summarized. We introduce the performance of LDPC codes and network coding. In the dissertation, the XOR network coding is adopted in the relay.
2. In underwater acoustic cooperative networks, we propose joint channel-network encoding and decoding scheme with LDPC codes and joint iterative decoding algorithm. The relay node adopts the XOR network coding for cooperative data transmission, and the destination node adopts joint iterative decoding for received data. The simulation results show that the proposed scheme can effectively reduce the BER and improve the throughput of the UAC system compared with the channel coding scheme and the
Abstract
III decode and forward cooperative scheme.
3. Based on the two-source single-relay UAC cooperative network model, we study the joint decoding iterations and the power allocation among nodes for the proposed scheme. The experiment results show that it can improve the BER performance of UAC system by choosing the appropriate number of iterations and power allocation factor.
4. The joint channel-network encoding and decoding scheme is further applied to the underwater acoustic multi-hop cooperative networks. Based on the energy consumption model of UAC, the energy consumption of the number of hops and transmissions in each hop is derived. The number of hops and the number of transmissions in each hop are analyzed by numerical simulation.
5. In thewater tank experiment, the feasibility and reliability of the proposed scheme are verified. And the analytical results show that the BER of decoding can be reduced by optimizing the received signal-to-noise ratio estimation, and the performance of the joint iterative decoding can be also improved.
Key words: Underwater Acoustic Communication; LDPC Codes; Joint Iterative
Decoding; Power Allocation; Multi-hop Cooperative Networks
目录 IV
目录
摘 要 ... I Abstract ... II 第一章 绪论 ... 1 1.1 引言 ... 1 1.2 国内外研究现状 ... 1 1.2.1 水声通信与组网 ... 1 1.2.2 水声协作通信网络 ... 3 1.2.3 信道编码和网络编码联合设计 ... 5 1.3 论文主要内容 ... 7 第二章 水声信道特性与信道模型 ... 8 2.1 水声信道特点 ... 8 2.1.1 海水中的声速 ... 8 2.1.2 水声传播损失及海洋噪声 ... 9 2.1.3 水声信道的衰落特性 ... 12 2.2 水声信道模型 ... 13 2.3 本章小结 ... 15 第三章 水声协作通信网络中基于LDPC码的信道-网络联合编译码方案设计 . 16 3.1 LDPC码与网络编码技术 ... 16 3.1.1 LDPC码在水声通信中的应用 ... 16 3.1.2 网络编码技术 ... 19 3.2 LDPC码与网络编码的联合编译码方案 ... 21 3.2.1 水声协作通信网络模型 ... 21 3.2.2 信道-网络联合编码方案 ... 22 3.2.2 信道-网络联合译码方案 ... 24 3.3 水声协作通信系统中信道-网络联合编译码方案的性能分析 ... 27 3.3.1 误比特率分析 ... 29 3.3.2 目的节点不同联合迭代次数影响 ... 32 3.3.3 源节点与中继节点间不同功率分配方案的影响 ... 33 3.4 本章小结 ... 43 第四章 信道-网络联合编译码方案在水声多跳协作通信网络中的性能分析 ... 44 4.1 水声多跳协作通信网络模型 ... 44 4.1.1 水声多跳协作通信网络模型基本假设 ... 44 4.1.2 协作节点位置可变的性能分析影响 ... 45 4.2 水声多跳协作通信网络能量消耗与传输次数、跳数分析 ... 47 4.2.1 水声多跳协作通信网络能量消耗模型 ... 47 4.2.2水声多跳协作通信网络能量消耗与传输次数、跳数关系 ... 49 4.2.3 信道-网络联合编译码方案在水声多跳协作系统中的仿真分析 .... 51厦门大学博硕士论文摘要库
目录 V 4.3 本章小结 ... 53 第五章 水槽实验验证与数据分析 ... 54 5.1 水槽实验构建与参数配置 ... 54 5.1.1 水槽实验布置与系统参数设置 ... 54 5.1.2 发射功率控制与信噪比参数调试 ... 56 5.2 水槽实验数据分析 ... 57 5.2.1 水槽测试结果分析 ... 57 5.2.2 实测数据接收信噪比优化对信道-网络联合译码性能的影响 ... 61 5.3 本章小结 ... 64 第六章 总结与展望 ... 65 6.1 论文的主要工作与创新点 ... 65 6.2 未来工作展望 ... 66 参考文献 ... 67 攻读硕士学位期间获得的成果 ... 73 致谢 ... 74
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Catalog VI
Catalog
Abstrat in Chinese... I Abstract in English ... II Chapter 1 Introduction ... 1 1.1 Foreword ... 11.2 Research Progress Overview in Home and Abroad ... 1
1.2.1 Progress of Underwater Acoustic Communication and Networks ... 1
1.2.2 Progress of Underwater Acoustic Coperative Networks ... 3
1.2.3 Research on Joint Channel-network Coding ... 5
1.3 Main research contents ... 7
Chapter 2 Characteristics of Underwater Acoustic Channel and Its Model ... 8
2.1 Characteristics of Underwater Acoustic Channel ... 8
2.1.1 Sound Speed in Ocean ... 8
2.1.2 Transmission Loss and Oceanic Noise ... 9
2.1.3 Channel Selective Fading ... 12
2.2 Underwater Acoustic Channel Models ... 13
2.3 Summary ... 15
Chapter 3 Joint Channel-Network Encoding and Decoding with LDPC for Underwater Acoustic Cooperative Networks ... 16
3.1 LDPC Codes and Network Coding Technology ... 16
3.1.1 Application of LDPC in UAC ... 16
3.1.2 Network Coding Technolog ... 19
3.2 Joint LDPC and Network Coding Encoding and Decoding Scheme ... 21
3.2.1 Underwater Acoustic Cooperative Network Model ... 21
3.2.2 Joint Channel-Network Encoding Scheme ... 22
3.2.2 Joint Channel-Network Decoding Scheme ... 24
3.3 Performances of Joint Channel-Network Encoding and Decoding Scheme in Underwater Acoustic Cooperative Communication System ... 27
3.3.1 Performanc of Bit Error Rate ... 29
3.3.2 Effects of Iterations at the Destination Node ... 32
3.3.3 Effects of Power Allocation ... 33
3.4 Summary ... 43
Chapter 4 Research on Joint Channel-Network Encoding and Decoding Scheme in Underwater Acoustic Multi-Hop Cooperative Networks ... 44
4.1 Underwater Acoustic Multi-Hop Cooperative Networks Model ... 44
4.1.1 Basic Assumptions for UWA Multi-Hop Cooperative Networks ... 44
4.1.2 Effects of Variable Location of Cooperative Node Location ... 45 4.2 Analysis of Energy Consumption of Transmissions and Hops in UWA
Catalog
VII
Multi-Hop Cooperative Networks ... 47
4.2.1 Energy Consumption Model of UWA Multi-Hop Networks ... 47
4.2.2 Effects of Transmissions and Hops in UWA Multi-Hop Networks ... 49
4.2.3 Simulation Analysis in UWA Multi-Hop Networks... 51
4.3 Summary ... 53
Chapter 5 Experimental Verification and Analysis ... 54
5.1 Experimental Environment and Hardware Configuration ... 54
5.1.1 Experiment Arrangement and Parameter Design ... 54
5.1.2 Transmission Power Control ... 56
5.2 Experimental Data Analysis ... 57
5.2.1 Analysis of Experiment in Water-tank ... 57
5.2.2 Optimizing the Received SNR Estimation ... 61
5.3 Summary ... 64
Chapter 6 Summary and Forecast ... 65
6.1 Main Work of the Dissertation and Contributions ... 65
6.2 Future Works ... 66
References ... 67
Research Achievements in the Period of Master Education ... 73
Acknowledgements ... 74
第一章 绪论 1
第一章
绪论
1.1
引言
海洋中蕴含着极其丰富的自然资源，探索、开发海洋资源是缓解资源短缺的 有效途径之一。同时，为维护领土主权和海洋权益，世界各国海上军事装备竞争 的日益激烈，需要收集水下目标信息、实现各个作战平台之间有效、保密的双向 通信技术。陆上无线通信的载体主要是短波（电磁波、光波等），但是它们在水 中的传播范围有限，在海洋中能够实现中远距离信息传输的最佳载体是声波[1]。 声信号在水下传播主要受到声波传播特性和水声信道特性的制约，水声通信 及组网要取得突破性进展，必须结合窄带、大延迟、强多途、高噪声和多普勒效 应等水声信道特性解决通信中的两个方面问题：首先是物理层中点对点的可靠通 信问题；其次是在网络层中研究高效节能的水声网络协议。信道编码技术可以提 高通信的可靠性，协作通信技术有助于抗多途衰落、降低节点能量消耗，提高通 信网络鲁棒性。将协作通信技术与信道编码技术相结合，可以实现编码协作技术， 提高水声通信系统性能[2][3]。 本文基于信道编码技术和协作技术在水下通信中的作用和优势，利用跨层设 计理念与迭代处理思想，通过水声网络中节点间的协作，对水声物理、网络层传 输技术的进行综合设计和优化，提高资源利用率和保证传输的可靠性，将信道编 码与网络编码技术相结合进行研究。1.2
国内外研究现状
陆上无线电通信技术与计算机技术的发展，为水声通信研究提供了基础条 件与支持，水声通信尤其是水声网络的研究成为当前各国的研究热点之一。本节 较系统、全面地总结水声协作网络的研究现状、分析信道编码和网络编码联合设 计在水声网络中应用情况。 1.2.1 水声通信与组网 水声通信技术的研究起源于对潜艇通信的需求。第一个具有实际意义的水声 语音通信系统是 1945年美国海军水声实验室采用单边带幅度调制技术研制出世 界上第一个水下电话[4]。电子技术和信息科学的发展进一步促进了水下通信技术厦门大学博硕士论文摘要库
第一章 绪论 2 的发展，特别是数字调制技术的引入。水声数字通信的主要优势：一是可以采用 编码技术不仅提高了传输的可靠性还增强了数据传输的保密性；二是可以采用数 字信号调制技术提高系统抗干扰能力，处理方式也比较方便、灵活[5]。除了幅移 键控、频移键控和相移键控调制等数字调制技术外，单载波调制和正交频分复用 调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术也被应用到了水声 通信中，OFDM技术频带利用率高，频域均衡计算量小且具有良好的抗多途扩展 性能[6]。单载波调制中发射端不依赖信道状态信息，发射机工作效率高[7][8]。二者 结合实现优势互补[9]，也是目前水声通信体制的研究热点。此外，时间反转[10]和 MIMO[11]等技术也被用于水声通信中用来提高水声通信性能。特别是，我国研发 的“蛟龙号”应用了具有世界先进水平的高速水声通信技术，水声通信的研究取 得一定的成绩。 图1.1 蛟龙号载人潜水器 Fig. 1.1 Jiaolong submersible
随着认识、开发和保护海洋的深入，为应对不同应用场景以及日益增大的数 据量，对水下观测网络及水声传感网络等的需求愈来愈迫切，水下通信的研究从 传统独立的点与点通信向网络化研究转变[12]。马航失联客机MH370黑匣子搜索 工作，水下潜艇的军事竟备等都引发了对水声通信与水声网络的关注。水声通信 网络包括移动（和Unmanned Underwater Vehicle，UUV和Autonomous Underwater Vehicle，AUV）和固定节点，以及位于船上或岸上的中心节点，控制、测量、语 音等数据可以在节点间传输。发展海洋信息技术、尤其是网络化的水声通信技术， 实时、方便、可靠地获取并传输水下信息数据，是世界各国关注和研究的重点[13]。 2014年我国在西太平洋布放的400多件观测设备（十余套潜标），收集有关温度、
第一章 绪论
3
盐度、洋流等数据。美国通过“深海快速通信系统”（Communications at Speed and Depth，CSD）将位于海底的核潜艇与美国国防部的全球信息网络连结起来，首 次实现潜艇与陆空的双向通信交流[14]。2016 年 6 月美国历经十年构建的海底观 测网络——海洋观测计划(Ocean Observatories Initiative，OOI)的大部分数据形成 实时流[15]，对水下数据采集网络化传输具有巨大的实际意义。
(a) (b)
图1.2 OOI计划的节点及阵列分布:(a)OOI节点分布图；(b)部分电缆阵列
Fig. 1.2 Nodes and the cabled array of the OOI Network: (a) OOI node distribution;(b) Partial cable array
1.2.2 水声协作通信网络
声波经过水声信道，受到多途、衰落、多普勒效应等影响，使得信号产生畸 变、引起码间干扰，限制了水下数据的传输速率与可靠性。协作通信技术是基于 多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术研究过程中，由 Sendonaris 等人提出，研究了无线协作分集系统的中断概率和网络容量等性[16]。 在协作通信系统中，各节点在进行数据传输时不仅包括自身信息也包括其他节点 的信息，使得节点在通信过程中不仅利用了自身的信道，也利用参与协作节点的 信道，达到资源共享。因此，可以利用协作通信技术获取分集增益提高通信系统 抗衰落与鲁棒性的性能[17]。 2006 年，Cecilia 等人[18]将协作通信引入水声通信系统，针对线性和网格两 种拓扑结构的多跳协作通信，证明了引入协作技术能提高水声系统增益和能量的
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第一章 绪论 4 有效性，随后研究人员展开了对水声协作技术的研究[19]-[42]。目前，水声协作通 信研究的方向主要包括水声协作通信的性能分析、中转发策略与传输协议、中继 节点选择策略等方面。 (1) 协作传输的性能分析： 该方面的研究主要从信道容量、中断概率和最大传输速率等角度对协作传输 的性能进行了分析。文献[19]研究了基于放大转发（Amplify and Forward，AF） 中继转发策略的协作 OFDM-UWA 系统的各态历经信道容量，文中只考虑基于 Thorp公式的路径损耗效应，忽略了衰落效应。文献[20]基于AF协议从信息论方 面分析了多载波协作UWA系统的信息理论性能并推导了中断概率。进一步，文 献[21]研究了基于解码转发(Decode-Forward，DF)中继转发策略的水声协作传输 系统的性能，推导了利用中继协作技术该系统所能获得的最大速率和信道容量， 并研究了环境温度、载波频率等参数对水声信道容量的影响。文献[20][21]尚未 考虑码间干扰（Inter Symbol Interference，ISI）的影响，而文献[22]则研究了存在 符号间干扰情况下单载波协作水声通信系统的性能，在稀疏频率选择性Rician信 道和非白色相关高斯环境噪声的假设下，分别推导了在发射端是否可获取信道状 态信息情况下通信的最大速率上限表达式。 (2) 中继转发策略与传输协议： 在中继转发策略方面主要研究分析AF协议与DF协议在水下通信系统中的 性能[19]-[23]。结合传统协作转发策略，文献[24]-[29]研究了适合水声通信系统的中 继选择策略，例如波形协作传输模式[24]、编码协作、异步传输等。将中继转发策 略与信道编码技术结合设计实现编码协作通信，可显著提高通信网络的覆盖范围、 吞吐量，给水声通信网络的设计提供了新方向，受到研究人员的青睐[25][26]。在水 下中继协作通信中，传输时延长，传输速率低、实现精确的中继同步非常困难， 因此，文献[27]-[29]认为异步传输有助于水下信号传输，其性能由于同步传输， 并提出水下放大转发和水下解码转发两种水下异步转发策略，可以提高数据传输 速率，降低水下数据传输时延。在传输协议方面，主要研究了适用于水下数据的 重传技术——自动重复应答（Automatic Repeat Request，ARQ）协议，特别是中 继重传技术。由于协作节点位于源节点和目的节点之间，由于距离的原因，源节 点到协作节点和协作节点到目的节点的链路的可靠性更强，通过协作重传可以提
第一章 绪论 5 高水声通信系统的性能[30]，结合水声信道特点和系统的传输时延限制，研究适用 于水下传输协议，如混合协作重传协议[31]、动态编码协作重传协议[32][33]。 (3) 中继节点选择策略： 该方面的研究主要基于不同的优化标准选择最优中继节点布局，例如，信噪 比（SNR）[34][37]、传输延迟[36][38]、能量消耗[39][40]、误差性能(服务质量)[34][40]等。 由于水下节点主要为电池供电，能量供应受限，因此，降低节点能量消耗，延长 水声网络生命周期是当前的研究热点之一。水声协作通信中基于功率优化分配的 最优中继节点选择受到研究人员的关注[41][42]。文献[43]采用contextual bandit方法， 用中继节点的环境信息来替代瞬时或者统计的信道状态信息实现中继节点的选 择，通过研究分析表明该方案可简化中继节点的选择方案，并增大成功协作传输 的可能性，在复杂可变的水下环境中获得稳定的性能。 1.2.3 信道编码和网络编码联合设计 网络编码技术打破传统的数据存储转发的传输模式，中间节点对接收到的信 息进行处理（线性或非线性等）后再转发，即通过网络中的节点对信息的再处理， 增加各节点单次传输的信息量，有效利用系统带宽并提高网络系统吞吐量，是一 种融合了路由和编码的信息交换技术。2000年，R. Ahlswede[44]等人以蝶型网络 为例提出了网络编码，并应用于线性多跳网络[45]。图1.3是一种典型的网络编码 蝶形图。近年来，网络编码在协作网络中的研究模型主要包括：单源单中继网络 [46]-[48]、单源多中继网络[26][50]-[52]、多源单中继网络[53]和多源多中继网络[54][55]。 图1.3 典型的网络编码蝶形图
Fig. 1.3 Typical network coding butterfly chart
第一章 绪论 6 考虑到网络编码技术在无线通信中优势与复杂多变的水声通信环境，在水声 协作通信系统中采用网络编码技术，通过水下中继节点处理转发，提高通信系统 性能。文献[56]给出了水声网络的几种网络编码的方案并分析了各自方案的性能 增益。水声通信网络中的网络编码技术研究内容主要包括：传输可靠性[57]-[59]、 网络吞吐量[60]-[62]、能量消耗[55]以及信道的利用率[26]等方面。 水声协作网络的研究方向之一是将协作技术与传统编码技术的结合，提高数 据传输的可靠性。近年来主要的研究进展为：在文献[25]基础上，文献[55]提出基 Reed-Solomon 码与软判决译码的分布式编码方案，两种方案均实现良好的分集 复用权衡，并推导了系统端到端误码性能。文献[26]提出基于OFDM的动态编码 协作方案，中继节点持续监听直到解出正确信息，然后产生一个与信源相同或者 不同的数据包转发给目的节点，并在海试实验中验证该方案的可行性。文献[63] 中将LDPC码应用于水声协作OFDM系统，提出空间相接的信道-网络编码方案， 并分析了该方案的误码率、能量消耗。网络编码与信道纠错编码技术结合不仅能 增加吞吐，还能提高抗噪能力，降低系统误比特率。文献[64]在协作通信网络中 提出了一种双层 LDPC 编码方案，使得目的节点进行联合译码时可以获得逼近 信道容量限的性能。目前，水声网络中信道-网络编码联合设计比较少，主要是物 理层网络编码技术，但是该方案对同步的严格要求限制了它在水声通信的应用。 图1.4 采用信道-网络联合设计的水声协作通信网络应用场景
Fig. 1.4 Joint design of channel-network for underwater acoustic communication
根据上面所阐述的研究背景与研究现状，相对于陆上无线电协作通信的研究，
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