水聲通信網絡的資源分配發展綜述

代 君，韓 松，趙海紅，李鑫濱

（燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

海洋覆蓋地球表面積的71%，不僅蘊藏了豐富的海底寶藏，儲備了巨大的動力能源，還滿足了人類生存所需的供給空間。因此，維護海洋權益、保證海上安全、開發海洋資源、發展藍色經濟成為21世紀海洋強國創新發展的共識[1]。我國一貫重視海洋事業發展，在十八大報告中首次提出了提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設“海洋強國”的戰略；在十九大報告中又再次指出要堅持陸海統籌，加快建設海洋強國，把推進地方級“智慧海洋”建設作為實現我國海洋強國建設實施的長遠戰略抓手。

在未知、多變的海洋環境中，水聲通信網絡[2]（Underwater Acoustic Communication Network，UACN）能夠有效地對水下環境信息進行監測、傳輸和處理，實現水陸一體化信息集成與融合，是人類認識、開發、利用海洋的重要工具。與相對成熟的水下有纜通信網絡相比，UACN不依賴于特定通信設施，具有自組織能力強、隱蔽性好、造價低、收發簡單、操作靈活等優勢，在海洋立體觀測、海洋災害預警、海洋固碳等領域得到了廣泛應用[3-4]。隨著“智慧海洋”建設的不斷發展，水下信息交互需求日益激增，而水下節點的發射功率、轉發中繼、通信信道等通信資源嚴重受限，且不合理的資源分配結果將增強網絡中各節點間的通信干擾和能量消耗，嚴重影響UACN在水下應用中的作業性能[5]。因此，針對復雜的UACN，如何對受限的通信網絡資源進行合理分配，在節能的同時對網絡進行有效的干擾管理，提高網絡數據傳輸可靠性，以支持相關水下智能應用數據的長期有效傳輸，逐漸成為了UACN領域的研究熱點之一。

本文首先對 UACN系統進行了簡要介紹，然后從能效管理和干擾管理入手對 UACN資源分配技術進行了簡要分類，并重點指出了其發展現狀和面臨的挑戰，為我國 UACN領域的研究提供了借鑒和參考。

1 UACN系統簡介

電磁波、光波、聲波是無線通信網絡中常見的3種通信方式。在未知、多變的海洋環境中，海水是水下無線通信設備進行數據傳輸時均會通過的特殊介質。然而，電磁波在水中衰減很快，即使在30～300 Hz的低頻段內也只能穿透100 m左右的海水，且通信速率低。水下光通信具有低功耗、小型化、高速率等優點，存在波長為450～570 nm的藍綠光窗口，其通信損耗比相鄰頻段低 3～4個數量級，使100 m以內的水下高速光通信成為可能，但其僅對水下短距離通信具有較高的研究價值。水聲通信具有帶寬有限、時延長、能耗高、衰落強等固有特性，且受海洋環境和噪聲的影響，水聲信道往往伴隨著多徑效應，多普勒頻移、頻率色散及其狀態強時變等現象。可以說，水聲信道是自然界中最復雜、最嚴酷的無線信道之一[6]。但是，水聲通信是目前唯一能在水下實現遠距離信息傳輸的無線通信方式。因此，水聲通信是大范圍水下組網信息傳輸方式的主要方式。

UACN系統在實現海洋認知“數字化”、“透明化”中起著重要作用，是人類更好地經略海洋的有利工具。該系統是采用覆蓋空、天、岸、海及水下的綜合性通信節點組成的動態異構復雜系統，可以對海洋應用數據信息進行有效感知、處理和傳輸，具有跨時空，跨介質的結構屬性。同時，隨著科學技術的發展，能量收割（Energy Harvesting，EH）技術[7]被提出應用于UACN，即每個節點均配備了能量收割裝置以有效解決網絡能量供給問題。但是，由于該技術目前對硬件成本及技術要求較高，現階段基于EH的UACN還未得到廣泛應用，使得解決能量受限問題依然是UACN面臨的主要挑戰。UACN系統模型如圖1所示。

圖1 UACN系統模型Fig. 1 Systems model of UACN

水聲通信網絡是一種針對水聲傳播特性的水下多跳自組織網絡。以水面為分割面，將 UACN系統分為水面通信子系統和水下通信子系統。在水面通信子系統中，基站、水面浮標等水面網關節點是水聲與地面無線通信的樞紐，通常以電磁波的方式與陸地上的基站或空中衛星進行通信，從而對水下環境信息實現遠程監測；在水下通信子系統中，水下滑翔機、水下航行器和水下傳感器等具有傳感、計算和聲學通信能力的水下通信節點（水下用戶）通過感知海洋環境對海洋數據進行監測、收集和處理，并在相應信道下以一定的發射功率通過合適的轉發中繼將數據發送到水面網關節點進行進一步的分析和處理，從而為系統網絡層、應用層的相關操作提供真實準確的數據基礎。

2 UACN資源分配技術的分類

隨著“海洋強國”戰略的推進，海洋已逐步跨入高速的多元化信息時代，水下通信呈現出信息交互劇增、通信業務類型擴展和水下智能應用對通信質量要求越來越高的局面，使得有限的功率、信道、中繼等網絡通信資源變得極為珍貴。面對現有通信局面及特殊的水聲信道，資源分配[8]可以在不提升網絡硬件成本要求下有效改善網絡能量效率、抗干擾性等相關性能，是最直接、最有效的通信網絡能效管理和干擾管理手段。所謂資源分配是指通過對有限的 UACN資源進行合理分配，實現多資源相互協調使用，從而有效提高資源利用率、降低通信干擾、降低網絡能耗、最大化網絡生命期，在節能的同時滿足用戶的服務質量要求。因此，合理的資源分配將在很大程度上改善網絡系統性能。

本文從能效管理和干擾管理入手，對現有的UACN的資源分配技術進行簡要分類，如圖2所示。

圖2根據資源在網絡間的可調度性，可以將現有的資源分配技術劃分為固定資源分配技術、動態資源分配技術和兩者結合的混合式資源分配技術。

圖2 資源分配技術Fig. 2 Resource allocation technology

1）固定資源分配技術。

所謂固定資源分配技術是指在通信網絡固定資源內，為水下節點分配其中的一組通信資源。與陸地通信網絡相比，UACN資源嚴重受限，若水下相同作業區域內部署了不同的UACN，各網絡將根據所估計的業務負荷、拓撲結構獲取相應的網絡資源。同時，為了降低不同網絡間的通信干擾，作業區內各網絡間的通信資源在頻域上是相互隔離的，即只有相隔一定距離的網絡才可以對相同信道等資源進行重利用。固定資源分配技術實現起來比較簡單，也易對信道間的干擾進行管理。但該技術自適應能力差，無法適應海洋內波、湍流及魚群活動等環境因素所引起的網絡業務負荷、拓撲結構等網絡狀態的不確定性變化，以對 UACN系統資源實現最優分配。例如，網絡狀態的不確定性變化容易導致各網絡所獲取信道數量的合理性極不穩定，過少的信道數量會加重網絡節點間的通信干擾，而過多的信道數量會造成網絡資源浪費。

2）動態資源分配技術。

相對固定資源分配，其網絡間的資源分配過程是動態的，即在通信網絡的非固定資源內，為水下節點分配其中的一個通信資源。在水下作業系統中，系統不以固定分配的形式將通信資源分配給各個網絡，而是通過調度器進行統一調度。但在網絡資源嚴重受限且網絡狀態未知、時變的 UACN應用環境中，對資源進行集中調度的難度較大。所謂調度是指通信中的時隙和頻率資源，將由基站內的調度器，在規定的時間內分配給某個網絡[9]。它將根據網絡負荷情況，以及各水下通信節點的信道通信條件等諸多因素，為節點分配最佳的信道資源。采用動態資源分配的系統，能夠自適應系統業務負荷情況，靈活的為網絡分配通信資源。另外，在多通信節點接入的情況下，該技術可以根據各個節點的業務服務等級及其信道通信條件來動態調整節點資源分配，以滿足水下節點用戶的服務質量（Quality of Service，QoS）需求，從而優化系統吞吐量和資源利用率。但是，提供高性能的集中式處理水下基站及配套計算服務的同時也提高了 UACN的通信成本和難度。

3）混合資源分配技術。

該資源分配是前2種分配技術的折中。它將系統資源分成固定和動態2部分資源。固定部分采用固定資源分配技術，被分配到作業區的各個網絡。動態部分采用動態資源分配技術，由作業區內的各個網絡共享。當固定信道資源分配完時，再根據網絡負荷情況動態分配動態資源部分。混合資源分配技術更適合在“智慧海洋”建設中廣泛應用，具有更廣闊的應用前景，但依然面臨著與前2種分配技術相同的挑戰。

上述資源分配技術通過對 UACN系統資源的合理分配，可以對水下相同作業區內不同網絡間的通信干擾進行有效管理，在一定程度上改善了網絡數據傳輸的可靠性。但是，面對 UACN應用環境的復雜性和時變性，如果各網絡自身未能對所獲得的功率、信道、中繼等資源進行合理分配，那么節點間依然會遭受較強的通信干擾。因此，合理地對各網絡獲得的通信資源在網絡節點間進行再分配，有利于進一步增強網絡能效、干擾管理。根據各網絡中優化資源的數量可以將資源分配技術劃分為單資源分配技術和多資源聯合分配技術[10]。在現有工作中，單資源分配技術主要包含功率控制技術、信道分配技術和中繼選擇技術，是指網絡系統僅僅只關注功率、信道或中繼等某一個資源的分配情況。而多資源聯合分配技術表示系統以聯合分配的方式對多個網絡資源進行協同優化（如聯合功率控制、信道分配的資源協同優化；聯合功率控制、中繼選擇的資源協同優化；聯合功率控制、信道分配、中繼選擇的資源協同優化等），以有效降低節點能耗、減少節點間的通信干擾，從而對網絡能效和干擾進行有效管理。

1）功率分配技術。

能量是保障網絡系統正常作業的基本支撐，但水下通信節點所有操作所需能量均由不可充電的電池提供，且由于水下復雜的傳播環境導致水聲節點更換電池設備的難度大、成本高。在網絡能量受限的情況下，網絡中的部分節點會隨著網絡運行而能量耗盡，造成節點失能，引發級聯失效[11]，從而破壞網絡拓撲結構，甚至導致網絡斷連、癱瘓等大面積故障，使得整個網絡通信終止。因此，降低網絡能耗、提高能量資源利用率，構建通信可靠的拓撲結構往往是 UACN進行資源分配所需滿足的首要條件。功率控制技術[12]可以通過合理調整節點發射功率，不僅能夠降低網絡能耗使其盡可能地長時間工作，還可以在節能的同時可靠地傳輸數據。因此運用功率控制技術，可以有效地降低網絡能耗，提高能量利用率。

2）中繼選擇技術。

當 UACN通過功率控制具有較為穩定的拓撲結構后，由于水下傳感器網絡的多跳特性決定了某些節點會充當中繼節點，對其他節點的數據進行協作傳輸，同時這些中繼節點可能還承擔著數據采集任務，故而具有較重的能量負擔。在協作傳輸信息過程中，如果發射節點沒有選擇合適的中繼節點進行數據轉發，不僅會加速該中繼節點失效，還會增加節點數據發生沖突的概率。中繼選擇技術[13]是在網絡通信節點有限的情況下，考慮網絡的系統吞吐量等性能指標和網絡中節點間的干擾，在滿足某些約束條件情況下，根據鏈路狀況確定中繼節點。該技術不僅能夠均衡網絡節點能量，還可以通過增大分集增益提高網絡的吞吐量。因此運用中繼選擇技術，可以有效地降低節點數據發生沖突的概率，提高網絡吞吐量。

3）信道分配技術。

在發射節點–中繼節點物理轉發鏈路上的數據傳輸依賴于節點的頻譜資源，即信道。然而，隨著UACN的廣泛應用，信道資源愈加短缺。如果在傳輸信息過程中，并沒有為節點分配合理的信道，將造成節點間具有較高的干擾，嚴重影響數據傳輸，增大信息延遲，使得數據具有一定的滯后性，甚至造成大量的額外數據重傳能耗、加速節點失效。由此可見，信道分配不合理不僅可以破壞網絡結構，對于實時性要求較高的 UACN上層應用而言，嚴重影響了該應用所需基礎數據的完整性與實時性。因此，合理分配信道可以提高網絡頻譜資源利用率，實現網絡干擾管理以確保數據的成功傳輸[14]。

3 UACN資源分配的發展現狀、趨勢及其面臨的挑戰

針對未知、時變 UACN的資源分配問題，現有研究多為單資源分配，即使對多個資源進行聯合分配也是確定一方決策后再確定另一方的決策，忽略了各資源分配間存在的強耦合作用關系[15]。就節點功率控制與信道分配間的相互作用而言：一方面，信道分配受功率控制影響，即水下節點的發射功率發生改變可能會導致其最優信道發生改變。如圖3所示，若增大節點A的發射功率，其干擾范圍將由r增大至R，同時與節點A使用相同傳輸信道c1的節點B也將增加來自節點A對其所產生的干擾。如果此時對于節點B而言，其干擾最小的信道為c2，則該節點所分配的信道將由c1調整為c2。

圖3 功率控制對信道分配的影響Fig. 3 Impact of power control on channel allocation

由此可見，功率控制的結果將影響著信道分配結果。另一方面，信道分配的結果也影響節點的發射功率。例如，若圖4（a）中節點A與節點C之間不存在使二者成功通信的可用信道時，此時節點A的發射功率根據網絡通信需求將有2種變化趨勢。1）節點A的發射功率由P增大為p1，在節點A與節點D之間形成可靠的通信鏈路，從而保障數據具有成功接收的信道，并改變網絡拓撲結構如圖 4（b）所示。2）由于節點A與節點C之間無法通信，造成二者的實質通信斷連，此時節點A的發射功率在保證網絡連通的前提下可降低為p2，從而進一步降低節點能耗與干擾。由此可見，信道分配的結果將影響節點功率的調整。在考慮網絡通信資源間強耦合性的情況下，盡管現有的基于機器學習的資源分配方案[15]能夠有效地對抗時空變化的環境，但其學習效率非常低，尤其是在未知CSI的情況下針對連續資源分配（如功率分配）和離散資源分配（如信道分配）的協同優化的研究還十分缺少。因此，考慮網絡通信資源間的強耦合性，以聯合分配的方式對多資源進行協同優化，是UACN領域研究的必然趨勢，且還有待深入研究。

圖4 信道分配對功率控制的影響Fig. 4 Impact of channel allocation on power control

同時，在具有隨機時-空變特性的海水介質中，海水溫度、鹽度、深度、內波、魚類活動等環境要素的時空變化會引起網絡拓撲結構、信道狀態信息（Channel State Information，CSI）等網絡狀態呈現未知、不可控的時-空變特征[16]。這導致即使通過合理的資源分配使UACN具有較長的生命周期，也無法確保水下節點所采集的數據能夠成功傳輸至控制中心，因此往往在節省網絡能量實現UACN長期數據采集的同時還需要通過收包率（Packet Reception Rate，PRR）、信干噪比（Signal Interference Noise Ratio，SINR）等指標保障數據通信質量，即多個性能目標的同時優化逐漸成為資源分配的研究熱點。在多個優化目標之間，它們主要存在相互統一和相互對立2種情況。相互統一的情況是指優化變量對多個優化目標具有相同的變化趨勢，能夠同時優化多個網絡性能，且容易求解；相互對立的情況表示優化變量對多個優化目標具有不同的變化趨勢，即某些優化目標的提高將會造成另外優化目標的降低，無法實現多目標的同時優化，而需實現各目標間的均衡優化，也就是多目標優化問題[17]。針對UACN資源分配下的多目標優化問題，現有的傳統解決辦法是通過加權的方法將其轉化為單目標優化問題，但不管是通過仿真實驗[18]，還是通過數量級均衡[19]確定各目標權重，都存在較大的人為干涉。另外，即使現有的蟻群算法、粒子群算法、差分進化算法、灰狼優化算法能對陸地上的多目標優化問題進行有效求解，但復雜度較高，且多為仿真驗證算法收斂性，在理論上缺乏收斂性證明，尤其是這些已有的算法還不能很好地在未知、時變的 UACN中進行有效作業，以及有效地解決節點間的資源競爭問題。因此，高效可靠的多目標優化算法是 UACN領域研究的重要方向，且還有待深入研究。

另外，隨著水下應用的發展，未來網絡架構將逐漸走向異構化和密集化，水下通信節點逐漸向高機動性發展，進一步導致海洋數據多源異構且具有高維度、時空性、敏感性和多模態等特征。因此，如何在缺乏先驗統計 CSI的情況下確認參與中繼協作節點的安全性，尤其當節點來自不同國家和地區時，保障水下數據安全傳輸將一直是 UACN中的一個重要研究方向，但在 UACN資源分配中鮮有涉及安全的研究[20]。大多數陸地網絡安全系統依賴基于加密、解密方案和穩定的中央系統，這些系統要求較高的網絡容量和可靠網絡連接支持。而在復雜的海洋環境中，為 UACN提供高性能的集中式處理水下基站及配套計算服務極為困難且代價巨大，且未知、強時變的水下環境因素進一步地加劇了計算負荷。因此，考慮安全性能指標的資源分配算法也是 UACN領域研究的關鍵方向之一，且還有待深入研究。

4 結束語

本文首先從網絡通信技術、網絡構成2方面對UACN系統進行了簡單介紹，然后從資源可調度性和優化資源數量上介紹了資源分配技術，并闡述了功率控制技術、信道分配技術和中繼選擇技術對UACN資源分配的重要性。最后，從海洋環境的復雜性、通信信道的特殊性及資源間的耦合性、數據傳輸的安全性方面，提出了當前 UACN資源分配研究中存在的不足及其面臨的挑戰。在未來UACN資源分配研究，設計分布式、低復雜度、高經濟效益、強自適應能力的輕量化多目標收斂優化算法，以適應海洋環境的動態變化，進而有效降低網絡通信能耗與干擾、保證數據通信質量，對推動UACN領域的能效管理、干擾管理及其應用普及推廣具有重要的理論價值與實際意義。