一種干擾條件下的水底監(jiān)測(cè)層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

陳秋麗，何明，鄭君杰，陳希亮，王立輝

CHEN Qiuli1,HE Ming1,ZHENG Junjie2,CHEN Xiliang1,WANG Lihui3

1.解放軍理工大學(xué)指揮信息系統(tǒng)學(xué)院，南京210007

2.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京210010

3.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096

1.College of Command Information Systems,PLA Science and Technology University,Nanjing 210007,China

2.College of Marine Meteorological,PLA Science and Technology University,Nanjing 210010,China

3.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China

1 引言

海洋資源的開發(fā)與利用，日益受到世界各國(guó)的重視。潛艇的出現(xiàn)、戰(zhàn)略核潛艇作為威懾力量的發(fā)展，更增加了海水介質(zhì)中信息傳遞的重要性。為了進(jìn)一步提高人們對(duì)海洋環(huán)境的認(rèn)識(shí)，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和分析越來越受到人們的關(guān)注[1]。馬航海上搜尋、軍事海域爭(zhēng)端、海洋資源爭(zhēng)奪等一系列問題都指出研究水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)解決海洋監(jiān)測(cè)問題和提高國(guó)家海防水平具有十分重要的意義。

水聲調(diào)制解調(diào)技術(shù)與傳感網(wǎng)絡(luò)理論模型研究的深入，使得水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用得到進(jìn)一步推廣。由于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的特殊性，根據(jù)各類節(jié)點(diǎn)的位置及功能的不同，整體可分為水底監(jiān)測(cè)層、水中監(jiān)測(cè)層和水面監(jiān)測(cè)層[2]。文獻(xiàn)[3]提出了可以提供低誤碼率通信的樹狀層次結(jié)構(gòu)，但沒有討論層次之間的通信干擾問題。文獻(xiàn)[4]采用自頂向下的方法探究了大型移動(dòng)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，詳細(xì)分析了水聲移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)每一層的架構(gòu)，但其對(duì)層次之間的通信抗干擾方法闡述過少。文獻(xiàn)[5]提出了一種水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)模型，但其對(duì)如何解決傳感器數(shù)據(jù)交互干擾等安全問題沒有給出具體方案。文獻(xiàn)[6]以典型的傳感器節(jié)點(diǎn)為例，討論了主要的節(jié)能方向，但尚未解決數(shù)據(jù)通信等技術(shù)問題。文獻(xiàn)[7]討論了水聲傳播如何影響水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)不同層次之間的通信性能，剖析了水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)。

可見，提升水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的通信能力，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議順利運(yùn)行，確保網(wǎng)絡(luò)整體效能，急需設(shè)計(jì)適應(yīng)多種水下干擾環(huán)境的水聲傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。然而，水底監(jiān)測(cè)層為整個(gè)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)提供信息支持，地位十分重要。尤其是水底監(jiān)測(cè)層的節(jié)點(diǎn)大多被布設(shè)在水下，帶寬的距離限制、物理電路的質(zhì)量約束，以及節(jié)點(diǎn)部署是否合理等相關(guān)問題，都對(duì)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能提出了挑戰(zhàn)。

針對(duì)水底監(jiān)測(cè)層的特殊性，本文設(shè)計(jì)了一種干擾條件下確保網(wǎng)絡(luò)通信性能的分層體系結(jié)構(gòu)。從邏輯分層的角度將底部安裝的傳感器和集電極視為運(yùn)行在不同層。由于集電極層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大大小于傳感器層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，通過分析不同節(jié)點(diǎn)間距之間通信頻率與信噪比的關(guān)系，可分別求得傳感器層與集電極層的最優(yōu)工作頻率，使其分別采用不同的通信頻率進(jìn)行同層之間的交互。由于信息傳輸頻率和接收頻率可以不同，設(shè)置集電極層的接收頻率為傳感器層的最優(yōu)工作頻率，集電極層在收到傳感器層發(fā)來的消息后，采用本層最優(yōu)工作頻率將信息交付給上層。該方法可有效減少兩個(gè)層次之間的通信干擾，仿真實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 相關(guān)工作

距離為l、信號(hào)頻率為f的路徑損耗，計(jì)算公式如下[1]：

a(f)為吸收率；k為傳播因子。實(shí)際情況下，k=1.5。吸收率通過經(jīng)驗(yàn)獲得，a(f)單位為dB/km，f單位為kHz，得到公式（2）：

海洋環(huán)境噪聲來源于洋流、海運(yùn)、波浪和熱噪聲。利用高斯統(tǒng)計(jì)和功率譜密度（PSD）可描述各類環(huán)境下的噪聲來源。上述4個(gè)噪聲來源的功率譜密度如公式（3）所示：

其中，s為海運(yùn)活動(dòng)因子，0≤s≤1，ω為風(fēng)速（m/s）。故環(huán)境噪聲的整體功率譜密度為：

采用S(f)表示發(fā)射信號(hào)的功率譜密度，則根據(jù)衰減A(l，f)和噪聲功率譜密度N(f)[1]，可得到距離為l情況下的信噪比，窄帶信噪比SNR計(jì)算公式如下：

由公式（5）可以看出，對(duì)于每個(gè)傳輸距離l都存在一個(gè)頻率f0(l)使得窄帶SNR最大。因此本文考慮在干擾情況下，選擇合適的工作頻率，確保窄帶SNR最大。圖1展示了最優(yōu)工作頻率f0(l)與距離l的關(guān)系，觀察可得，隨著距離l的增大，為獲得最大窄帶SNR，最優(yōu)工作頻率f0(l)的取值越小。

圖1 距離l不同時(shí)，信噪比與頻率的關(guān)系

3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)三層體系結(jié)構(gòu)

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)按功能劃分如圖2所示[2]。

圖2 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)三層體系結(jié)構(gòu)

（1）水底監(jiān)測(cè)層：該層中的傳感器節(jié)點(diǎn)主要布設(shè)在水底，包括普通傳感器節(jié)點(diǎn)和集電極節(jié)點(diǎn)，主要利用聲通信的方式將信息發(fā)送給上層系統(tǒng)。

（2）水中監(jiān)測(cè)層：該層中的傳感器主要懸浮在水中，包括不能自主移動(dòng)錨定傳感器和自組織航行器，它們將從水底層接收的信息和自身搜集到的信息傳送給上層系統(tǒng)。

（3）水面監(jiān)測(cè)層：該層中的傳感器主要由水面上的無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，包括用于感知水面二維平面內(nèi)信息的普通感知節(jié)點(diǎn)，以及將搜集的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行匯集的匯聚節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)信息最終由匯聚節(jié)點(diǎn)通過船舶、衛(wèi)星或近岸基站傳送給用戶。

3.2 干擾條件下的水底監(jiān)測(cè)層體系結(jié)構(gòu)

本文所提出的體系結(jié)構(gòu)主要針對(duì)的是水底監(jiān)測(cè)層中的節(jié)點(diǎn)。如圖3所示，將該層中的節(jié)點(diǎn)分為傳感器層和集電極層，利用通信理論方法分析網(wǎng)絡(luò)性能，分別找到傳感器層和集電極層的最優(yōu)工作頻率，在避免交叉干擾的前提下保證網(wǎng)絡(luò)暢通。

圖3 水底監(jiān)測(cè)層分層體系結(jié)構(gòu)示意圖

底部安裝的傳感器構(gòu)成水底監(jiān)測(cè)層的第一層，每個(gè)單元中的傳感器經(jīng)過多跳將信息轉(zhuǎn)寄給單元中心的集電極站。這些集電極站構(gòu)成水底監(jiān)測(cè)層體系結(jié)構(gòu)的第二層。同時(shí)，集電極站將相關(guān)信息也利用多跳轉(zhuǎn)寄給本層的中心集電極。由于傳感器間的距離遠(yuǎn)短于集電極間的距離，故根據(jù)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的頻率-距離的相關(guān)性（圖1所示），傳感器到傳感器之間的傳輸使用更高的工作頻率。頻域中的正交性保證了傳感器到傳感器傳輸不會(huì)給集電極到集電極之間的傳輸產(chǎn)生干擾，反之亦然。

3.2.1 集電極網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于集電極安裝在網(wǎng)絡(luò)底部，且均勻分布。假定網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?yàn)榘霃綖閞的圓，給定集電極數(shù)量為K，網(wǎng)絡(luò)區(qū)域A，則水底監(jiān)測(cè)層中集電極的密度為：

對(duì)于均勻分布的集電極，它們之間的距離為：

其中，c是依賴于節(jié)點(diǎn)配置的常量，一般取值為1。

3.2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

假定網(wǎng)絡(luò)中均勻分布N個(gè)傳感器。由于有K個(gè)集電極，所以每個(gè)集電極擁有N集=N/K個(gè)傳感器。每個(gè)集電極的覆蓋區(qū)域（單元）為A集。因此，傳感器密度為：

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

假定測(cè)試區(qū)域?yàn)锳=5 000 km2的圓形網(wǎng)絡(luò)，衰減模型由方程（1）給出，忽略網(wǎng)絡(luò)的固定損耗。假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸信道均具有衰減。傳播因子為k=1.5，噪聲活動(dòng)因子為s=0.5。為了方便討論，假設(shè)海域較為平靜，設(shè)定風(fēng)速為ω=0 m/s，幀大小為L(zhǎng)=100 bit。均勻部署5 000個(gè)傳感器和150個(gè)集電極在區(qū)域A上。

圖4表明了集電極、傳感器最優(yōu)工作頻率與節(jié)點(diǎn)密度的關(guān)系。觀察發(fā)現(xiàn)，集電極層的最優(yōu)工作頻率與傳感器層的最優(yōu)工作頻率相差很大。圖4中集電極數(shù)為K=150時(shí)，節(jié)點(diǎn)密度為150/5 000=0.03。它的工作頻率為fo(l集)=27.5 kHz。由于每個(gè)集電極單元的傳感器數(shù)為N傳=33，節(jié)點(diǎn)密度為33/50=0.66。則傳感器的工作頻率為fo(l傳)=100 kHz。因此，當(dāng)傳感器以100 kHz傳送信息，集電極以100 kHz接收信息，27.5 kHz傳輸信息時(shí)，存在一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率分隔來保證水下分層傳感網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，使其免受集電極層和傳感器層的交叉干擾。

圖4 集電極層、傳感器層最優(yōu)工作頻率選擇示意圖

5 結(jié)束語

本文研究分析了存在干擾情況下的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信理論，為水底監(jiān)測(cè)層設(shè)計(jì)了新的節(jié)點(diǎn)部署體系結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，通過選擇合適的工作頻率可確保水底監(jiān)測(cè)層為水中、水面監(jiān)測(cè)層提供更加可靠的信息，有效避免不同層之間信息傳遞的交叉干擾，提升了水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的自身性能。本文通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述分析的正確性，下一步則將針對(duì)具體網(wǎng)絡(luò)，提供合理的工作頻率以確保網(wǎng)絡(luò)連通，解決實(shí)際應(yīng)用問題。

[1] Climent S，Sanchez A，Capella J V，et al.Underwater acoustic wireless sensor networks：advances and future trends in physical，MAC and routing layers[J].Sensors，2014，14（1）：795-833.

[2] 何明，梁文輝.水下移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄J].控制與決策，2013，28（12）：1761-1770.

[3] Dashtestani H，Cotae P，Moskowitz I S.On the optimal placement of underwater sensors in a tree shaped multihop hierarchical network[C]//2013 47th Annual Conference on Information Sciences and Systems（CISS），2013：1-6.

[4] Cui Junhong，Kong Jiejun，Gerla M，et al.The challenges ofbuildingmobileunderwaterwirelessnetworksfor aquatic applications[J].Network，2006，20（3）：12-18.

[5] Tian C，Liu W，Jin J，et al.Localization and synchronization for 3D underwater acoustic sensor networks[M]//Ubiquitous Intelligence and Computing.Berlin Heidelberg：Springer，2007：622-631.

[6] Anastasi G，Conti M，F(xiàn)rancesco M D，et al.Energy conservation in wireless sensor networks：a survey[J].Ad Hoc Networks，2009，7（3）：537-568.

[7] Heidemann J，Stojanovic M，Zorzi M.Underwater sensor networks：applications，advances and challenges[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A：Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2012，370（1958）：158-175.