动态波束控制赋能水下声学网络高效邻居发现：一种基于多并行收发器的空间-时间-频率复用协议

《Sensors》：Dynamic Beam Control-Based Neighbor Discovery Protocol for Underwater Acoustic Networks with Multi-Parallel Transceiver Jianjun Zhang, Lin Zhou, Haijun Wang, Zhiyong Zeng and Qing Hu

本研究针对水下声学网络（UANs）邻居节点发现面临的高传播延迟、有限频谱资源与干扰严重等挑战，提出了一种创新的动态波束控制多并行收发器邻居发现协议（DBCB）。该协议通过结合定向通信、多波束并行传输、自适应功率控制及空间-时间-频率维度资源优化，实现了节点的高效、快速与可靠发现，并通过消声水池实验验证了其稳定性与高能效，为复杂水下环境中无人集群快速组网与通信初始化提供了高效解决方案。

　　

1. 引言

水下声学网络（UANs）是海洋环境监测、勘探及自主水下航行器（AUV）协同等应用的关键基础设施。邻居节点发现是网络高效组建的前提，但由于水下信号传播衰减、噪声干扰、多径效应等独特挑战，传统全向通信机制常面临发现延迟长、成功率低的问题。一些基于时隙分配的媒体接入控制（MAC）协议仅优化了时间维度，忽略了空间和频率资源的协同利用，导致资源浪费。而定向通信技术，通过波束成形和扇区化通信，能将声能聚焦于目标方向，提高信噪比（SNR）并抑制非目标方向干扰，被视为提升UANs容量和可靠性的关键技术。然而，现有研究多集中于通信过程本身，针对定向传输条件下的节点发现系统建模与协议设计关注较少，尤其是在如何将空间感知信息（如到达方向DOA、距离）系统性地整合到节点发现与网络初始化过程中，仍需深入探索。本研究提出的动态波束控制多并行收发器邻居发现协议（DBCB），旨在通过动态匹配发射波束、优化时空频资源分配，克服上述挑战。

2. 水下声学链路模型

为评估协议性能，本研究建立了一个综合考量传播损耗、阵列方向性和多径效应的水下声学信道模型。模型包含大尺度衰减、空间选择性阵列增益以及小尺度多径与散射效应三个主要部分。在浅水环境中，对于频率为f的信号，其在距离d上的传播损耗A(d, f)通常表示为：

A(d, f) = k·10log₁₀(d) + d·α(f)

其中，k为几何扩展因子（实践中常取1.5），α(f)为与频率相关的吸收系数（单位dB），其经验模型为：

α(f) = 0.1 * f²/(1 + f²) + 40 * f²/(4100 + f²)，这里f的单位是kHz。

多径传播是水下声信道的常见现象。设d_n为第n条传播路径的长度，则综合考虑各路径贡献的信道传递函数H(d, f)可表达为：

H(d, f) = Σ_n=1^N[Φ_n/ √A(d_n, f)] * e^{-j[2πf·τ_n(d) + φ_n]}

其中，Φ_n为第n条路径的相移，τ_n(d)为路径时延，φ_n为附加相位。该模型为后续协议性能的仿真验证奠定了基础。

3. 动态波束控制邻居发现协议（DBCB）原理

DBCB协议的核心在于利用多并行收发器硬件，通过动态波束控制与资源调度，实现高效邻居发现。其主要流程与关键创新点如下：

• •
  初始化与粗粒度参数捕获：协议开始时，主节点进行全向广播，快速捕获邻居节点的粗粒度参数信息，如大致方位和信号强度。
• •
  定向多波束验证与资源分配：在获得粗粒度参数后，主节点动态分配正交频段，用于进行方向性的多波束验证。这一过程将节点发现任务在空间和频率维度上进行了解耦与复用。
• •
  自适应波束对准与功率控制：协议通过来自节点的实时反馈，持续优化波束对准。同时，引入自适应功率控制机制，该机制基于节点距离和方位角动态调整发射功率。对于长时间未被发现的节点，其接收增益会自动调整。这种机制使协议能在保持低功耗的同时，增强抗干扰能力。
• •
  空间感知与定位集成：DBCB协议的一个突出特点是能够通过信号解调获取邻居的先验信息，并利用其检测能力得到信号的到达方向（DOA）和信源距离，从而实现对邻居节点的定位。通过整合信号检测与方位估计，系统可以动态调度波束资源以实现精确对准，这不仅加快了邻居发现进程，也提高了拓扑稳定性和网络整体性能。

4. 性能评估

研究通过仿真与消声水池实验对DBCB协议的性能进行了全面评估。仿真结果表明，与基于定向收发（DTR）和随机双向（RTW）的同类邻居发现协议相比，DBCB协议在平均发现率上分别提升了7.84%和28.17%，在平均发现延迟上分别降低了28.13%和59.06%。消声水池实验进一步证实，多波束并行传输能有效提高水下节点发现效率，且仿真结果与实验数据吻合，证明了系统的稳定性和高效性。这些结果为未来的现场试验提供了可靠数据。

5. 结论与展望

本研究提出的动态波束控制多并行收发器邻居发现协议（DBCB），通过有机融合定向通信、时空频复用、正交频分复用（OFDM）技术以及定位与方位估计功能，为复杂海洋环境下的水下声学通信网络提供了一套高效、可靠的邻居发现机制。该协议特别适用于水下无人平台集群的快速组网和高效通信初始化场景。其主要贡献包括：利用定向通信实现并行多波束发现，减少干扰并提高成功率；采用基于节点距离和方位角的自适应功率控制，增强低功耗和抗干扰韧性；通过集成信号检测与方位估计实现动态波束资源调度与精确对准，提升拓扑稳定性；最后通过实验验证了协议的高效性、鲁棒性和可行性。未来的研究方向可包括在更复杂的真实海洋环境中进行大规模现场试验，以及进一步探索该协议与上层路由、任务调度等网络功能的协同优化。