doi10.6043j.issn.0438-0479.201709025

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1、doi:10.6043/j.issn.0438-0479.201709025多跳水声协作网络中的隐蔽通信与能量消耗优化陈友淦，刘均慧，许肖梅*（厦门大学海洋与地球学院，水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建厦门361102）摘要:多跳水声协作网络可提高数据传输速率、降低系统整体能量消耗，但隐蔽性却大大降低。以在多跳水声协作网络中进行隐蔽通信为目标，研究相同检测概率情况下如何选择最优跳数使系统功耗最小的方法。根据多跳水声协作网络隐蔽通信系统的检测概率计算模型和该系统的能量消耗计算模型，在兼顾检测概率与能量消耗的条件下，推导了系统最佳跳数的取值范围，

2、并仿真分析了不同目标信噪比、工作距离等因素对系统跳数优化选择的影响。仿真结果表明，在给定的仿真条件下，多跳水声协作网络隐蔽通信系统的跳数取2~6之间，可满足检测概率小于0.5的隐蔽通信要求，同时系统能量消耗相对较低。关键词:水声通信；协作通信；隐蔽通信；能量优化；检测;概率中图分类号：TN929.3文献标志码：A1313收稿日期：2017-09-24录用日期：2017-11-17基金项目：国家重点研发计划(2016YFC1400200)；国家自然科学基金(41476026，41676024，41376040)；厦门大学大学生创新创业训练计划(2016Y

3、1114)*通信作者：xmxu@xmu.edu.cn近年来，由于可实现大面积覆盖、提高数据传输速率等优势，水声协作通信技术发展迅猛[1-3]。与无线电磁波信道相比，水声信道具有载波频率低、带宽窄、波速低、多途延时长及多普勒频移相对较大等特点[1]。Stojanovic[2]研究表明，通过短距离多跳实现中远程水声数据传输的水声协作通信系统，比直接进行远程水声通信更节约系统整体能量消耗；此外，由于传输距离的缩短，可适当提高工作频率、拓宽水声通信系统可用带宽，有利于提高水声通信速率。对于给定水下通信距离，存在一个最佳通信频率，使得系统的能量消耗最小。对于多跳

4、水声协作通信网络，Kam等[3]从系统能量消耗优化角度研究了如何选择最优工作频率和布放节点位置的问题，同时指出：在由信源节点、中继节点、目的节点分布成一条直线的串行水声多跳系统中，当中继节点与信源节点和目的节点等距时，系统的整体能耗最小、性能最佳。然而，由于军事指挥、控制及通信、沿海监测和海底作战等特殊应用场景的需求发展，对水声协作通信系统的隐蔽性要求越来越高[4]。13目前，关于隐蔽水声通信的研究，主要集中在直序扩频水声通信的隐蔽性分析方面[5-6]，较少涉及水声协作通信网络的隐蔽通信研究[4]。相比之下，隐蔽射频通信和隐蔽雷达系统的研究则相对成熟，

5、包括常规扩频、混沌电路和混沌调制，以及敏捷波形设计等[7-8]。Weeks等[7-8]提出低概率检测（lowprobabilityofdetection，LPD）等作为点对点无线电磁波通信系统隐蔽性和隐身性的量化指标；LPD定义为在给定的恒虚警率（constantfalsealarmrate，CFAR）条件下，“通用”能量检测器/截获接收机无法在相应范围内检测到检测概率高于0.5的通信信号；然而，由于受到发射机特性、检测器参数、接收机行为和信道等多种因素的影响，LPD的测量值变化很大。Zheng等[4]研究表明，由于在水声协作通信网络系统中，通信接收机

6、的高接收性能是通过中继节点形成空间分集增益获得的，而从隐蔽性角度看，截获接收机也将同样获得空间分集增益，则其LPD性能指标比点对点水声通信系统差。因此，如何在维持水声协作通信系统高数据率、大覆盖范围、低系统能量消耗等优势的同时，兼顾满足隐蔽通信LPD指标，具有重要研究意义。本研究拟对多跳水声协作网络隐蔽通信的检测概率及系统能量消耗进行联合优化研究，通过研究不同目标信噪比、通信距离、截获接收机位置等因素对系统检测概率和能量消耗的影响，进行多跳水声协作通信网络的最优跳数选择分析。1系统模型与检测概率计算1.1多跳水声协作网络隐蔽通信系统模型如图1所示，在所

7、考虑的多跳水声协作网络隐蔽通信系统中，信源节点(Transmitter，Tx)、中继节点(Relay，Rk，k=0,1,2,…,K,当k=0时中继节点即为信源节点)和目的节点(Destination，Ds)分布在一条直线上，且K个中继节点（Rk）均匀分布在信源节点(Tx)和目的节点（Ds）之间，截获接收机（Ix）分布在Tx和Ds的中垂线上。假设通过发送功率控制等措施，可让每个Rk只接收来自前一个Rk-1的信号并且向下一个Rk+1发送信号。13图1多跳水声协作网络隐蔽通信系统模型（K取偶数为例）Fig.1Muti-hopunderwateracousti

8、ccooperativenetworkcovertcommunicationsystemmod