叢艷平，魏志強(qiáng)，楊 光，殷 波

（中國海洋大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，山東青島266100）

多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)框架研究＊

叢艷平，魏志強(qiáng)，楊 光，殷 波

（中國海洋大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，山東青島266100）

對當(dāng)前典型的水下無線通信網(wǎng)進(jìn)行分析，針對水聲、光、射頻3種通信模式在水下無線通信中的優(yōu)缺點(diǎn)，提出基于軟件無線電技術(shù)的多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的概念及其框架結(jié)構(gòu)，并對其中的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方式展開研究。結(jié)合MAC層協(xié)議，提出一種跨層的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)解決方案，即通過收發(fā)雙方的握手信息攜帶當(dāng)前信道狀態(tài)，由發(fā)射方根據(jù)握手信息，判斷雙方通信距離，預(yù)計(jì)信道未來狀態(tài)，結(jié)合需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，自適應(yīng)選擇合適的通信模式和調(diào)制方式，并利用握手信號通知接收方，從而實(shí)現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)或指令的快速可靠傳輸。

水下無線通信網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)；多模式；框架結(jié)構(gòu)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著世界經(jīng)濟(jì)和軍事發(fā)展的需求，海洋資源開發(fā)、海洋能源利用等現(xiàn)代海洋高新技術(shù)的研究已成為世界新科技革命的主要領(lǐng)域之一，其中水下無線通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)與裝備已成為各海洋大國不遺余力進(jìn)行研究的主要對象。

目前，國內(nèi)外紛紛從水聲通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等方面展開研究，其中尤其以兼具水下監(jiān)測功能的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究項(xiàng)目最為普遍。AOSNs［1－3］開始自1990年代初，是1個(gè)以AUV作為移動(dòng)傳感平臺的智能水下采集網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，其目的是為大面積的沿海海洋監(jiān)測測試各種尖端的方法和技術(shù)。AOSNs II［4－5］項(xiàng)目則側(cè)重于使用更多種不同類型的浮標(biāo)、潛標(biāo)、AUV、水下滑翔機(jī)等設(shè)備在水下組成一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)來控制水下設(shè)備進(jìn)行自適應(yīng)采集數(shù)據(jù)。DADS［6－7］是一個(gè)長期性、探索性研究項(xiàng)目，目的是研究開發(fā)一套可從多個(gè)平臺部署的，攜帶低功耗、低成本微型聲、電磁傳感器的水下節(jié)點(diǎn)，通過自組織技術(shù)組成一個(gè)水下無線網(wǎng)絡(luò)。SEAWEB項(xiàng)目［8－10］重點(diǎn)研究具有通信和導(dǎo)航功能的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，己經(jīng)進(jìn)行了很多次的海試。這些典型的水下無線網(wǎng)絡(luò)均以水聲通信為主。在水下射頻通信方面，國內(nèi)外還沒有進(jìn)行組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，但國外已有相關(guān)的設(shè)備。2006年6月，Wireless Fibre Systems發(fā)布了首款水下射頻調(diào)制解調(diào)器S1510，利用幾kHz以下的頻率，在水中以100bit／s的速度通信30m；2007年1月，發(fā)布了寬帶水下射頻調(diào)制解調(diào)器S5510，利用100～200kHz的頻率，在1m的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到了1～10Mbit／s；在10m的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到了100kbit／s。在水下無線光通信網(wǎng)絡(luò)方面的研究，無論是設(shè)備還是網(wǎng)絡(luò)都還處于起步階段。

由此可見，憑借傳輸距離遠(yuǎn)、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，水聲通信仍然牢牢占據(jù)著水下無線通信技術(shù)的主導(dǎo)地位。但是，聲波仍然具有速度慢，高延時(shí)，帶寬窄，多途效應(yīng)明顯等缺陷。而電磁波在海水中傳播時(shí)，其能量會急劇衰減，而且頻率愈高，衰減愈快，這使得水下無線射頻通信方式在各類小型探測儀器設(shè)備上的使用變得非常困難。與聲、射頻信號相比，光波頻率更高，其承載信息的能力也更強(qiáng)，更易于實(shí)現(xiàn)水下大容量的數(shù)據(jù)傳輸；再有，無線光學(xué)通信具有不易受海水溫度和鹽度變化影響等特點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)；而且，光波相較于聲波而言，具有更好的方向性。然而，光束在海水中的傳輸遠(yuǎn)比在大氣中所受影響復(fù)雜得多，要受海水中所含水介質(zhì)，溶解物質(zhì)和懸浮物等物質(zhì)成分的影響，而且傳輸距離較聲波而言要短得多。顯然，目前基于單一傳輸介質(zhì)、單一調(diào)制制式的水下通信系統(tǒng)已無法滿足當(dāng)前人們對水下快速通信的需求。針對這種情況，本文提出多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的概念和框架結(jié)構(gòu)。

1 多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的概念

所謂多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)，指的是利用軟件無線電技術(shù)，在統(tǒng)一的硬件平臺上，利用軟件方式，綜合傳感器感知的外界環(huán)境，根據(jù)信道情況、數(shù)據(jù)量傳輸?shù)拇笮?、以及可靠通信的距離，由水下無線通信節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇合適的通信模式（如水聲、無線光通信等）、調(diào)制解調(diào)制式（如MFSK、MPSK、QAM等），進(jìn)行合理的資源分配，建立通信鏈接，實(shí)現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)或指令的可靠傳輸。

圖1 多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Adaptive multi－mode underwater wireless communication networks

多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)見圖1。網(wǎng)絡(luò)由靜態(tài)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，包含水聲和光學(xué)2種通信模式。水下靜態(tài)節(jié)點(diǎn)彼此之間組成1個(gè)稀疏無線通信網(wǎng)絡(luò)，為保證網(wǎng)絡(luò)的健壯性、可擴(kuò)展性、易管理性，以分簇方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)由各種攜帶多種傳感器的水下潛器組成，具備部署、重新配置、回收網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，以及資源勘探、環(huán)境監(jiān)測等功能。同時(shí)，水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)彼此之間可相互鏈接成一個(gè)動(dòng)態(tài)自組織子網(wǎng)，用于擴(kuò)大水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。由于光通信適用于中短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，且定向性好，因此只有在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間，以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)節(jié)點(diǎn)之間有大量數(shù)據(jù)需要單向高速傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)利用水聲通信裝置實(shí)現(xiàn)定位，然后自動(dòng)選擇光通信模式進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的傳送。而在命令傳送、網(wǎng)絡(luò)初始化、建立路由、長距離或少量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇水聲通信方式。

2 多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)框架研究

為適應(yīng)多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)對能量、存儲及軟件穩(wěn)定性的要求，將現(xiàn)有OSI 7層網(wǎng)絡(luò)模型簡化為4層，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層，同時(shí)輔以貫穿4層的任務(wù)管理平臺、安全管理平臺以及能量管理平臺實(shí)現(xiàn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理見圖2。物理層 即水下無線通信系統(tǒng)，包括3個(gè)基本部分：發(fā)射系統(tǒng)、水下信道和接收系統(tǒng)。水下無線通信的原理是將待傳送的信號經(jīng)過編碼、調(diào)制后，送入發(fā)射裝置，將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號或光信號，送入信道；在接收端接收系統(tǒng)將光信號或聲信號轉(zhuǎn)變成電信號，然后進(jìn)行后續(xù)處理，最后由解碼器解調(diào)出原來的信號。物理層主要研究水下水聲及無線光通信信道建模、信道編解碼、多模式調(diào)制與解調(diào)、自適應(yīng)資源管理及分配、水聲及無線光信號的發(fā)送／接收等內(nèi)容。物理層必須能夠自適應(yīng)水下環(huán)境的變化。

圖2 多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Model of adaptive multi－mode underwater wireless communication networks

數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層在實(shí)現(xiàn)對信道進(jìn)行自適應(yīng)訪問控制的同時(shí)，還要負(fù)責(zé)包解析、地址確認(rèn)、以及循環(huán)冗余校驗(yàn)，以保證傳輸數(shù)據(jù)的完整性。水下環(huán)境動(dòng)態(tài)變化、區(qū)域性、及低功耗的要求，對于融合水聲及無線光通信方式的水下無線通信網(wǎng)絡(luò)，需要針對水聲及無線光通信的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的MAC協(xié)議來解決不同類型節(jié)點(diǎn)的接入、信道分配問題。水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的任意兩節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行通信前，首先應(yīng)該確認(rèn)對方已處于準(zhǔn)備好狀態(tài)，其次要通過必要的信息交換對鏈路的進(jìn)行初始化，并建立鏈接，同時(shí)信息傳送過程中要能維護(hù)該連接。如果出現(xiàn)差錯(cuò)，要能夠自動(dòng)重新初始化，建立鏈接。傳送結(jié)束后要自動(dòng)釋放鏈接。水下無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)尋址和信道的訪問控制，保證網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間能有效通信，盡量避免發(fā)生沖突和碰撞，并要節(jié)省能量。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層 水下多模式自適應(yīng)無線通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由和可靠傳輸。對于路由而言，水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的三維移動(dòng)性和稀疏網(wǎng)的特點(diǎn)是需要著重考慮的問題。對于融合水聲、無線光通信模式的水下光通信網(wǎng)，采用單一方式的路由不能滿足需求，不僅僅要考慮參與通信的雙方點(diǎn)對點(diǎn)通信問題，還要考慮多個(gè)水下運(yùn)載平臺同時(shí)在水下工作時(shí)，如何自動(dòng)構(gòu)建路由將探測到的數(shù)據(jù)傳到指揮中心，同時(shí)將指揮中心的指令發(fā)送給指定的水下運(yùn)載平臺。因此，需要設(shè)計(jì)1種高效、低能耗、高安全的路由協(xié)議，滿足既定的需求，保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效性，延長生命周期。應(yīng)用層 應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用所需的功能，如將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理及其他應(yīng)用任務(wù)。

3 多模式自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)機(jī)制

如前所述，水下無線聲、光、射頻信道的狀態(tài)受環(huán)境因素變化影響很大，例如水中的有機(jī)物、無機(jī)物顆粒，溫度，鹽度，密度，水深，內(nèi)波，水團(tuán)，海面及海底的反射等等，因此，建立1種能夠感知信道環(huán)境，根據(jù)通信距離、數(shù)據(jù)量，自適應(yīng)選擇通信模式（無線光通信或無線水聲通信）和調(diào)制制式的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)對于水下無線通信而言會有很大的幫助。

在該機(jī)制中，對于淺海中距離或遠(yuǎn)距離的無線通信系統(tǒng)，由于距離遠(yuǎn)，需要采用水聲MFSK調(diào)制通信模式，這主要是由于相對于其他調(diào)制制式而言，MFSK比較穩(wěn)定健壯，但是，MFSK的低帶寬利用率與水聲有限帶寬的限制使其不適合高速水聲通信。為了提高通信速率，在垂直和短距離的水下無線信道中，可以考慮使用MPSK和QAM技術(shù)。在水下無線高速通信中，存在碼元持續(xù)時(shí)間短，碼間干擾嚴(yán)重等問題，而OFDM技術(shù)由于使用并行傳輸，在相同數(shù)據(jù)率的條件下增大了碼元持續(xù)時(shí)間，在接收端，通過簡單的一階頻域信道均衡即可實(shí)現(xiàn)無ISI接收，因此，可利用OFDM外加MPSK或QAM技術(shù)來充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢。對于無線光通信而言，盡管OOK、PPM、PIM等調(diào)制技術(shù)相對MPSK、QAM要簡單，但為節(jié)省系統(tǒng)資源，簡化調(diào)制制式，對于短距離大數(shù)據(jù)量高速率高帶寬數(shù)據(jù)傳輸而言，選用OFDM外加MPSK或QAM方式對水下無線光通信信號進(jìn)行調(diào)制，即對水聲或無線光通信模式的選擇，是基于通信距離和數(shù)據(jù)量的大小來確定的，短距離大數(shù)據(jù)量選用無線光通信模式，短距離小數(shù)據(jù)量（如指令、控制信號、鏈路及路由交換等數(shù)據(jù)包）選用水聲通信模式，中遠(yuǎn)距離通信選用水聲通信模式。

3.1 自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)機(jī)制

如圖3所示，自適應(yīng)通信機(jī)制的建立，可以通過來自接收端的反饋，來跟蹤信道的變化情況，使得系統(tǒng)在通信過程中根據(jù)測試的信道特性自適應(yīng)地確定調(diào)制方式、頻帶、比特功率分配等，從而實(shí)現(xiàn)在不同距離、不同信道環(huán)境下以逼近最高數(shù)據(jù)率傳輸。由于海洋無線信道是空－時(shí)－頻隨機(jī)變化的信道，且信道中可利用帶寬受傳播損失的嚴(yán)重限制，傳播損失隨著頻率和傳播距離的增加而不斷增加，為降低頻繁反饋帶來的能量損耗，可以結(jié)合MAC層協(xié)議，利用接收端和發(fā)送端在鏈路建立及維護(hù)過程中的請求、應(yīng)答以及錯(cuò)誤重傳等握手信息來攜帶必要的信道狀態(tài)反饋信息。

圖3 自適應(yīng)通信Fig.3 Adaptive communication

發(fā)送端與接收端根據(jù)約定，將信道信噪比分為M個(gè)不同等級，每個(gè)等級對應(yīng)一定范圍的信噪比值。信道狀態(tài)交互過程如下：

（1）發(fā)送端在請求鏈路鏈接時(shí)首先通過水聲模式以MFSK調(diào)制方式發(fā)送RTS信號（內(nèi)含訓(xùn)練字，用來測試信道狀態(tài)），接收端第1次收到來自該源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為是RTS信號，使用MFSK制式解調(diào)，同時(shí)以MFSK制式向發(fā)送端發(fā)出CTS包，包中仍包含有訓(xùn)練字，以及接收端所測試的信道信噪比等級和誤碼率。發(fā)送端收到CTS包后，判斷通信距離，并結(jié)合需要傳送的數(shù)據(jù)量大小設(shè)定通信模式，同時(shí)估計(jì)未來信道狀態(tài)，設(shè)定調(diào)制制式。

（2）發(fā)送端仍以原調(diào)制模式和制式發(fā)送M－RTS信號，指明調(diào)制模式和調(diào)制類型，接收端接收M－RTS信號后，按最新約定模式和制式向發(fā)送端發(fā)送M－CTS信號，表明接收端準(zhǔn)備好。

（3）發(fā)送端收到M－CTS信號后，以約定模式和調(diào)制制式發(fā)送數(shù)據(jù)包。

（4）接收端在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)，計(jì)算信噪比和誤碼率。當(dāng)信噪比、誤碼率超過某一閾值時(shí)，向發(fā)送端發(fā)送MARQ信號，并在M－ARQ信號中附加累計(jì)的信噪比等級值以及訓(xùn)練字。

（5）發(fā)送端收到M－ARQ信號后，根據(jù)附加的信噪比等級值以及訓(xùn)練字估算未來信噪比值，并據(jù)此重新設(shè)定調(diào)制制式。

（6）跳轉(zhuǎn)至第2步重復(fù)執(zhí)行發(fā)送－接收過程，當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢，接收端均正確接收后，接收端用水聲模式的MFSK調(diào)制制式發(fā)送ACK信號，通知發(fā)送端及其他鄰居節(jié)點(diǎn)接收完畢，此次發(fā)送－接收過程結(jié)束。

3.2 信道估計(jì)

利用握手信號來反饋信道狀態(tài)，主要目的根據(jù)信噪比（SNR）與誤碼率之間的關(guān)系來確定調(diào)制制式。假設(shè)Xn為SNR時(shí)間序列的第n個(gè)采樣值，根據(jù)給定時(shí)間序列｛xn，xn－1，xn－2，…｝的采樣值，依據(jù)預(yù)測算法，估計(jì)出SNR在時(shí)間n＋M的估計(jì)值＾xn＋M，M＝1，2，…，當(dāng)滿足預(yù)測誤碼率小于某一閾值時(shí)，根據(jù)預(yù)測SNR值與最小SNR閾值向量的對應(yīng)關(guān)系，來確定應(yīng)該使用相應(yīng)的調(diào)制方式，即：

向量中每一個(gè)元素對應(yīng)的是確保誤碼率小于預(yù)定閾值的調(diào)制方式所需的最小信噪比。常用的SNR預(yù)測器有以下幾種。

（1）16階線性預(yù)測濾波器（LPF）。它將SNR系列建模為一個(gè)輸入為白噪聲的16極點(diǎn)濾波器的輸出。濾波器系數(shù)根據(jù)Yule－Walker方程得到。這個(gè)預(yù)測器很簡單，但隱含的假設(shè)是預(yù)測的時(shí)間序列具有固定統(tǒng)計(jì)特性。此外，Yule－Walker方程考慮到信號估計(jì)的相關(guān)性，降低了子采樣信號，使未來預(yù)測的噪聲隨m的增大而增大。

（2）二次線性濾波器。它使用5抽頭的遞歸最小二乘算法計(jì)算它的抽頭。與LPF算法不同，它沒有隱含假設(shè)信號的固定性，它的改變不是來自濾波器抽頭，而是根據(jù)先前預(yù)測時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤。

（3）卡爾曼濾波器。它假定SNR時(shí)間序列具有局部恒定一階導(dǎo)數(shù)，例如：

其中，Ts是SNR序列的采樣間隔。

卡爾曼濾波作為1個(gè)噪聲方差估計(jì)的輸入，在某些情況下會使得濾波器持續(xù)信任測量SNR值（例如，1個(gè)濾波器在任意時(shí)間總是復(fù)制以前已知的SNR值）。（4）基于1個(gè)滯后行為的預(yù)測器。它定義了向上、向下2套閾值，第1種包含的SNR值用來作為切換到具有更高頻譜效率調(diào)制方式的閾值；第2種包含的SNR值用來作為切換到更穩(wěn)定調(diào)制方式的閾值。例如：下面這些閾值被設(shè)置為，θup＝1.25θ，θdown＝1.1θ，其中θ包含了在這節(jié)開始時(shí)介紹的向量θdB中元素的線性值。這些值將增加系統(tǒng)的雜散信噪比變化的適應(yīng)能力，同時(shí)仍然允許調(diào)制方案能夠足夠迅速變化。

（5）馬爾科夫預(yù)測器。馬爾科夫模型包含了許多狀態(tài)作為向量θdB加1中的元素，S（t）被稱為馬爾可夫鏈的狀態(tài)序列。那么，當(dāng)且僅當(dāng)θdB（i－1）＜SNR（t）≤θdB（t）時(shí)，s（t）＝i其中θdB（0）＝0。馬爾可夫鏈執(zhí)行的預(yù)測是基于函數(shù)最大化的，當(dāng)時(shí)，它的值等于與相對應(yīng)的調(diào)制率，其他情況下，它的值為0（在這種情況下，認(rèn)為調(diào)制不能被信道所支持，因此，發(fā)射將會出現(xiàn)錯(cuò)誤）。是自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)吞吐率的1種定義方式，在這里，所定義的吞吐量是基于包錯(cuò)誤率而言的，，其中，BER（γ）是實(shí)際信噪比等于γ時(shí)，與狀態(tài)有關(guān)的調(diào)制方式的比特誤碼率，并且1個(gè)獨(dú)立的比特誤碼率模型可以被用來計(jì)算1個(gè)數(shù)據(jù)包正確的概率。可以先給定1個(gè)先驗(yàn)狀態(tài)i，在所有可能的狀態(tài)中，下個(gè)狀態(tài)。被選中，那么，所期望的最大吞吐量為。以此來替代上面的定義，可以得到，其中預(yù)測狀態(tài)的概率小于等于從馬爾可夫鏈轉(zhuǎn)移概率矩陣中獲得的實(shí)際狀態(tài)概率。

4 結(jié)語

在水下應(yīng)用中，水聲通信具有距離遠(yuǎn)，技術(shù)成熟度高等特點(diǎn)，但同時(shí)也面臨速率低、可用帶寬小、易受多途影響等問題；而水下無線光通信具有速率高、可用帶寬大等優(yōu)勢，但傳輸距離小。因此，如何將兩種無線傳輸技術(shù)充分融合、技術(shù)互補(bǔ)，構(gòu)建水下無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于大批量數(shù)據(jù)的高速傳送，以適應(yīng)當(dāng)前對水下環(huán)境在線實(shí)時(shí)監(jiān)測、勘探等需求，是目前研究的重點(diǎn)問題之一。為此，本文提出了多模式自適應(yīng)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的概念及框架，并對框架各層協(xié)議進(jìn)行了簡要分析。下一步的工作將對該網(wǎng)絡(luò)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)展開進(jìn)一步的研究。

［1］ Curtin T，Bellingham J，Catipovic J，et al.Autonomous oceanographic sampling networks［J］.Oceanography，1993，6（3）：86－94.

［2］ Bellingham J G，Schmidt H，Chryssostomidis C.AOSN MURI：Real－time oceanography with autonomous ocean sampling networks：A center for excellence［R］.MIT：MIT AOSN MURI Annual Report，1998.

［3］ Roy M Turner，Elise H Turner.A Two－level，protocol－based approach to controlling autonomous oceanographic sampling networks［J］.Oceanic Engineering，2001，26（4）：654－666.

［4］ Ramp S R，Davis R E，Leonard N E，et al.Preparing to predict：the second autonomous ocean sampling network（AOSN－II）experiment in the Monterey Bay［J］.Deep Sea Research Part II：Topical Studies in Oceanography，2009，56（3－5）：68－86.

［5］ Fiorelli E，Bhatta P，Leonard N E，et al.Adaptive sampling using feedback control of an autonomous underwater glider fleet［C］.∥Proceedings 13th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology.Durham NH：International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology，2003：1－16.

［6］ Thomas N Roy.Deployable autonomous distributed system：future naval capability in underseawarfare［C］.∥Biennial Review 2003，San Diego：SSC San Diego，2003：181－185.

［7］ Mark D Hatch，Joan L Kaina，Mark Owen，et al.Data fusion methodologies in the deployable autonomous distributed systems project［C］.∥1998International Conference on Multisoure－Mul－tisensor Data Fusion，Las Vegas：International Conference on Multisoure－Multisensor Data Fusion，1998：470－477.

［8］ Rice J A，Creber R K，F(xiàn)letcher C L，et al.Seaweb undersea acoustic nets［C］.∥Biennial Review 2001，San Diego：SSC San Diego，2001，234－250.

［9］ Joseph A Rice.Enabling undersea forceNet with seaweb acoustic networks［C］.∥Biennial Review 2003，San Diego：SSC San Die－go，2003，174－180.

［10］ Joe Rice.Underwater acoustic communications and networks for the US navy＇s seaweb program［C］.∥2008Second International Conference on Sensor Technologies and Applications，Cap Esterel，F(xiàn)rance：International Conference on Sensor Technologies and Applications，2008：715－722.

Framework of Adaptive Multi－Mode Underwater Wireless Communication Networks Research

CONG Yan－Ping，WEI Zhi－Qiang，YANG Guang，YIN Bo
（Computer Science and Technology，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

This article analyzed the current typical underwater wireless communication networks，discussed with the advantages and disadvantages among the several kinds of communication modes in underwater wireless communication，such as the acoustic，optical and radio，proposed the concept and framework of SDR－based，multi－mode adaptive underwater wireless communication networks，and researched the adaptive modulation／demodulation method.Combination of MAC layer protocol，it proposed a crosslayer adaptive modulation／demodulation solution，namely through the current channel state carried by the hands information，the transmiter selectted the appropriate communication mode and adaptive modulation.Based on judging the distance between the transmitter and receiver，was the future forcastted state with channel.Considering the needed data volume，it noticed the receiver by handshake signal.Thus，it will realize rapid and reliable transmission of data or instructions within the communication network.

underwater wireless communication networks；adaptive；muli－mode；framework architecture

TN915.02

A

1672－5174（2012）05－115－05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60970130）資助

2011－09－20；

2011－12－10

叢艷平（1973－），男，工程師。E－mail：congyp＠ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 陳呈超