多水下機(jī)器人編隊(duì)的組網(wǎng)通信方法研究

黃海， 李岳明， 龐永杰

(哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

多水下機(jī)器人編隊(duì)的組網(wǎng)通信方法研究

黃海， 李岳明， 龐永杰

(哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

使用水下機(jī)器人組網(wǎng)編隊(duì)可以在更開(kāi)闊的海域完成環(huán)境信息收集、區(qū)域搜索與快速環(huán)境感知等使命。為提高編隊(duì)通信效率，研究了水聲通信條件下多水下機(jī)器人組網(wǎng)通訊的方法。在多水下機(jī)器人的分層通信結(jié)構(gòu)中，基于拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立了信道傳輸模型。根據(jù)傳輸模型，對(duì)于距離領(lǐng)航員AUV節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)而距離其他跟隨AUV較近的節(jié)點(diǎn)采用線性拓?fù)鋫鬏敺绞剑鴮?duì)于其他AUV節(jié)點(diǎn)采用一對(duì)多競(jìng)爭(zhēng)拓?fù)鋫鬏敺绞?。在線性拓?fù)鋫鬏數(shù)淖赃m應(yīng)MAC協(xié)議中，領(lǐng)航員AUV和所有的跟隨AUV通過(guò)廣播與應(yīng)答的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，之后跟隨AUV節(jié)點(diǎn)根據(jù)距離領(lǐng)航員AUV和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Чx擇負(fù)責(zé)外圍節(jié)點(diǎn)的通信或休眠，這就降低了領(lǐng)航AUV的能量消耗，提高了整個(gè)AUV編隊(duì)組網(wǎng)的生存時(shí)間。而一對(duì)多競(jìng)爭(zhēng)的自適應(yīng)MAC協(xié)議包含了一種改進(jìn)的握手機(jī)理，該協(xié)議可以降低傳輸?shù)膩G包率并提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。與AUV編隊(duì)結(jié)合的通信仿真表明了該方法的先進(jìn)性和有效性。

水下機(jī)器人；編隊(duì)航行；組網(wǎng)通信；水聲通信；MAC協(xié)議

0 引 言

隨著近年來(lái)水下機(jī)器人在海洋勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、援潛救生、目標(biāo)搜索等方面的飛速發(fā)展與廣泛應(yīng)用[1-2],使用水下機(jī)器人組網(wǎng)編隊(duì)在更開(kāi)闊的海域完成環(huán)境信息收集、區(qū)域搜索與快速環(huán)境感知等使命必然成為更具挑戰(zhàn)力和吸引力的課題[3]。但由于無(wú)線電和光波在水中快速地衰減和發(fā)散，而水聲通信的傳播速率低(大約1 500 m/s)、帶寬窄、存在多途干擾，使得水下機(jī)器人的組網(wǎng)通信與地或水面機(jī)器人相比存在更大的困難和差異[4-5]。

近年來(lái)，以歐美為首等海洋強(qiáng)國(guó)分別在大洋觀測(cè)計(jì)劃(ocean observation initiative,OOI) 和未知環(huán)境下異構(gòu)無(wú)人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制(coordination and control of cooperating heterogeneous unmanned systems in uncertain environments，GREX) 等項(xiàng)目的支持下對(duì)多水下機(jī)器人的組網(wǎng)通信和編隊(duì)作業(yè)等方面展開(kāi)深入研究并進(jìn)行了一定的試驗(yàn)。MIT的Schmidt教授針對(duì)多AUV快速環(huán)境感知的任務(wù)需要組建動(dòng)態(tài)拓?fù)渌曂ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)并創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用一種新的數(shù)據(jù)鏈路層處理信道中的各種數(shù)據(jù)包狀態(tài)，將多AUV系統(tǒng)組成移動(dòng)式的水下探測(cè)網(wǎng)絡(luò)[6-7]。美國(guó)愛(ài)達(dá)荷大學(xué)的智能系統(tǒng)研究中心針對(duì)水雷的協(xié)作搜索任務(wù)，在通信方面設(shè)計(jì)中引入了自然語(yǔ)言的相關(guān)概念，通過(guò)語(yǔ)言的邏輯改善了水下組網(wǎng)通信帶寬窄的限制[8-9]。歐盟組織德國(guó)、法國(guó)、葡萄牙、英國(guó)等多家科研機(jī)構(gòu)面向多AUV編隊(duì)結(jié)合信息交互過(guò)程建立了分層通信結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，以處理通信中出現(xiàn)的延遲、信息損失、水聲信號(hào)的發(fā)散等情況[10]。相比之下我國(guó)在多水下機(jī)器人組網(wǎng)通信方面只進(jìn)行了初步的理論研究。哈爾濱工程大學(xué)張汝波等人針對(duì)水聲通信組網(wǎng)，在IEEE802.11協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)整偵聽(tīng)/睡眠時(shí)間占空比的改進(jìn)協(xié)議，并通過(guò)NS2仿真環(huán)境，構(gòu)建相關(guān)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景加以驗(yàn)證[11]。上海交通大學(xué)針對(duì)多海洋無(wú)人系統(tǒng)在海洋移動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)水聲 MODEM 測(cè)距功能使水聲通訊和水聲定位系統(tǒng)合二為一，極大降低了試驗(yàn)成本和布放難度。提出的非競(jìng)爭(zhēng)性的水聲網(wǎng)絡(luò)通信/定位協(xié)議，能夠很好地協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)完成水聲網(wǎng)絡(luò)通訊和定位[12]。

以上研究結(jié)果表明，要實(shí)現(xiàn)多水下機(jī)器人的協(xié)同組網(wǎng)，首先要以現(xiàn)有的通信設(shè)備為基礎(chǔ)建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其次是根據(jù)水聲通信的傳輸特點(diǎn)在數(shù)據(jù)鏈路層開(kāi)發(fā)出高效的路由算法與MAC(medium access control)協(xié)議。但目前為止，還沒(méi)有一套比較成熟完善的通信方法，致使組網(wǎng)中信息傳輸?shù)男蕠?yán)重受限。

1 多水下機(jī)器人組網(wǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

建立多水下機(jī)器人組網(wǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要目的是為水下機(jī)器人個(gè)體之間的信息交互、協(xié)調(diào)提供支持，并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人內(nèi)部不同功能模塊之間的信息流通。水下機(jī)器人的通信結(jié)構(gòu)分為兩部分：一是水下機(jī)器人自身的通信系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)水下機(jī)器人內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換；另一類(lèi)是機(jī)器人之間的通信系統(tǒng)。

如圖1所示，水下機(jī)器人自身的通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)機(jī)器人內(nèi)部各個(gè)軟件模塊之間的通信，例如運(yùn)動(dòng)信息采集模塊、環(huán)境信息采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、導(dǎo)航與船位推算模塊、行為融合與任務(wù)規(guī)劃模塊等。每個(gè)軟件模塊都相對(duì)獨(dú)立，并且工作在相應(yīng)的硬件系統(tǒng)組成的平臺(tái)基礎(chǔ)之上作為機(jī)器人的功能模塊。模塊之間的通信基于PC104總線使用TCP/IP socket協(xié)議，通過(guò)建立服務(wù)器端和客戶(hù)端來(lái)實(shí)現(xiàn)。

水下機(jī)器人之間的通信是通過(guò)水聲通信模塊實(shí)現(xiàn)的。圖2所示為水聲通信模塊，采用的是的分層通信結(jié)構(gòu)，是基于Aquacomm network水聲通訊系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的。Aquacomm是澳大利亞Innovation in Digital Signal Processing 公司開(kāi)發(fā)的多信道水下通信系統(tǒng)，它使用擴(kuò)展頻譜在低能耗的情況下發(fā)出寬頻信號(hào)。

在分層結(jié)構(gòu)中，物理層是水聲通信模塊的底層，主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)并順序傳輸。其水聲信道采用正交頻分復(fù)用(OFDMA)多載波調(diào)制技術(shù)使用單個(gè)收發(fā)器將一條物理信道分割成多條數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹膶傩诺馈?/p>

其數(shù)據(jù)鏈路層基于多載波碼分多址(CDMA)技術(shù)傳輸策略實(shí)現(xiàn)并行擴(kuò)頻通信。利用偽隨機(jī)碼的相關(guān)特性，使用不同的偽隨機(jī)編碼區(qū)分不同的用戶(hù)。在直接序列擴(kuò)頻的接收端主動(dòng)利用多途能量補(bǔ)償水聲信道多途衰落的影響，魯棒性較強(qiáng)。

圖1 多水下機(jī)器人組網(wǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 MAUV communication network infrastructur

圖2 分層通信結(jié)構(gòu)Fig.2 Layered architecture of the communication module

數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在相鄰節(jié)點(diǎn)之間的鏈路無(wú)差錯(cuò)地傳輸。而由于水聲信道存在較大時(shí)延，致使簡(jiǎn)單的RTS/CTS數(shù)據(jù)包交互機(jī)制并不適用于水下通信網(wǎng)絡(luò)，而目前還沒(méi)有一個(gè)適合的介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)協(xié)議以實(shí)現(xiàn)信道資源的合理分配，所以本文將在下一節(jié)進(jìn)一步地展開(kāi)研究。

網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是選擇合適的路由信息，確定分發(fā)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的路由搜索與信息。

在通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上使用有向圖定義AUV之間通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)G=(V,ξ,A)為多個(gè)AUV組成的帶權(quán)有向圖,其中V={s1,s2,…,sn}是AUV的節(jié)點(diǎn)集,圖的有向邊集為ξ?V×V，A=[aij]為有向圖的帶權(quán)鄰接矩陣，aij≥0。每一條邊(si,sj)對(duì)應(yīng)AUVsi和AUVsj在t時(shí)刻通信過(guò)程中的信道，即ξij∈ξ?aij>0。定義對(duì)角陣Δ(G)=diag{g1,g2,…,gn}，于是帶權(quán)矩陣G的Laplacian陣為

L(G)=Δ(G)-A,

(1)

其中L(G)是對(duì)稱(chēng)的半正定矩陣。

和陸地的無(wú)線通信相比，水聲通信受到諸如海水的溫度、鹽度和深度等多種因素的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，水中的聲速若按下式計(jì)算誤差大約在0.070m/s，有v= 1448.96+4.591C-5.304·10-4C3+

1.340(S-35)+1.630·10-2D+1.675·107D2-

1.025·10-2C(S-35)7.139·10-13CD3。

式中：C是攝氏度；S表示鹽度；D表示深度。

式中：k0是比例系數(shù)；ui是控制輸入。這樣多AUV通信的的時(shí)間一致性將根據(jù)下式考慮：

(2)

式中：k1>0、γ>0；pi(t)是輔助變量，pi(0)=0；τij為si到sj的傳輸延遲。

水中傳播的吸收率和信號(hào)頻率的函數(shù)關(guān)系為[14]

10logAb(l,f)=k·10logl+lα。

式中：α是吸收系數(shù)；k代表幾何傳播系數(shù)。水聲傳播的噪聲模型包含混響噪聲Nt、船舶噪聲Ns、波浪噪聲Nw、溫度噪聲Nth，Ab()為吸收率，l為水聲信號(hào)傳輸范圍，有

N=Nt+Ns+Nw+Nth。

最終得到信道特征模型為

(3)

式中：B為帶寬；Ptx為信號(hào)傳播功率。

根據(jù)上面的分析可知，多AUV編隊(duì)，尤其是基于領(lǐng)航員的編隊(duì)，可以被看為是多播網(wǎng)絡(luò)樹(shù)，其能量損失和數(shù)據(jù)的傳輸距離相關(guān)，由于AUV節(jié)點(diǎn)之間相對(duì)距離越大，節(jié)點(diǎn)之間的通信時(shí)間以及所需能量就越大，所以為了減少傳輸距離造成的通信延遲和誤碼率，提高多AUV組網(wǎng)通信的生存時(shí)間，可以根據(jù)AUV節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離，對(duì)于距離領(lǐng)航員AUV節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)而距離其他跟隨AUV較近的節(jié)點(diǎn)采用線性拓?fù)鋫鬏敺绞?，而?duì)于其他AUV節(jié)點(diǎn)采用一對(duì)多競(jìng)爭(zhēng)拓?fù)鋫鬏敺绞?圖3)。

圖3多水下機(jī)器人組網(wǎng)通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 MAUV communication network topology

2 組網(wǎng)通信的自適應(yīng)MAC協(xié)議

2.1 線性拓?fù)鋫鬏數(shù)淖赃m應(yīng)MAC協(xié)議

當(dāng)一個(gè)領(lǐng)航員AUV與其他幾個(gè)AUV跟隨節(jié)點(diǎn)采用線性拓?fù)鋫鬏敺绞酵ㄐ艜r(shí)，所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)MAC協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均包含一個(gè)“RTS” (RequestToSend)、“CTS”(ClearToSend)、“Data”、“ACK”(acknowledgmentforreceiving)。協(xié)議過(guò)程將分為4個(gè)階段，如圖4所示。

圖4 線性拓?fù)鋫鬏數(shù)淖赃m應(yīng)MAC協(xié)議Fig.4 Adaptive MAC protocol for linear topology transmission

首先，當(dāng)信道競(jìng)爭(zhēng)選擇完畢后，領(lǐng)航員AUV和所有的跟隨AUV通過(guò)廣播與應(yīng)答的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，領(lǐng)航員AUV將通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)1向接收節(jié)點(diǎn)2發(fā)送消息。

其次，領(lǐng)航員AUV首先向接收節(jié)點(diǎn)1發(fā)送“RTS”消息，其數(shù)據(jù)包格式為{RTS,node_pos,node_speed，destination_node}，分別代表領(lǐng)航員AUV的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求、當(dāng)前位置、速度和目的接收節(jié)點(diǎn)(這里假設(shè)接收節(jié)點(diǎn)為目的AUV2)。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)1收到“RTS”消息時(shí)，該AUV直接將該消息傳遞至接受節(jié)點(diǎn)2，并一直等待直至接收到目的AUV2返回的“CTS”或超時(shí)幀。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)2收到“RTS”消息時(shí)，該節(jié)點(diǎn)被通知有即將到來(lái)的消息傳輸，目的AUV進(jìn)入“Responseadjustment”狀態(tài)，同時(shí)向接收節(jié)點(diǎn)1傳遞“CTS”信息。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)1收到接收節(jié)點(diǎn)2的“CTS”消息或超時(shí)幀時(shí)，將向領(lǐng)航員AUV返回“CTS”消息，其數(shù)據(jù)包格式為{CTS1/overtime,node1_pos,node1_speed，CTS2/overtime,node2_pos,node2_speed}，分別代表接收節(jié)點(diǎn)1或2發(fā)出的“CTS”或超時(shí)消息以及接收節(jié)點(diǎn)1或2的當(dāng)前位置和速度。當(dāng)超時(shí)發(fā)生時(shí)，領(lǐng)航員AUV將重新根據(jù)其他AUV節(jié)點(diǎn)的位置信息選擇目的AUV。

再次，當(dāng)領(lǐng)航員AUV收到“CTS”消息，將通過(guò)相應(yīng)的信道經(jīng)接收節(jié)點(diǎn)1向接收節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)，如果目的AUV1從領(lǐng)航員AUV接收到“Data”，它就進(jìn)入“Responseadjustment”狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至接收節(jié)點(diǎn)2。接收節(jié)點(diǎn)2接收數(shù)據(jù)完畢后，將進(jìn)入“ACK”狀態(tài)，向接收節(jié)點(diǎn)1發(fā)送“ACK”數(shù)據(jù)包，否則即為數(shù)據(jù)傳輸超時(shí)。

在第四階段，一旦“Responseadjustment”的狀態(tài)完成，接收AUV2將向接收AUV節(jié)點(diǎn)1發(fā)送“ACK”數(shù)據(jù)包，接收AUV節(jié)點(diǎn)1再將“ACK”數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給領(lǐng)航員AUV節(jié)點(diǎn)。接收節(jié)點(diǎn)1所發(fā)送的“ACK”數(shù)據(jù)包格式為{ACK1/overtime,node1_pos,node1_speed，ACK2/overtime,node2_pos,node2_speed}，分別代表接收節(jié)點(diǎn)1或2發(fā)出的“ACK”或超時(shí)消息以及接收節(jié)點(diǎn)1或2的當(dāng)前位置和速度。在領(lǐng)航員AUV接收到“ACK”數(shù)據(jù)包后，將結(jié)束其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

由于數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)了兩次節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)倪^(guò)程，因此所需的傳輸時(shí)間為

Tlisten=2(TCTS+TRTS+TData+TAck)+TSYNC，

式中TSYNC是信道競(jìng)爭(zhēng)與時(shí)間同步的時(shí)間。所以數(shù)據(jù)傳輸周期為

TDuty=Tlisten+TSleep。

2.2 基于競(jìng)爭(zhēng)的自適應(yīng)MAC協(xié)議

當(dāng)一個(gè)領(lǐng)航員AUV節(jié)點(diǎn)同時(shí)和幾個(gè)AUV接收節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，將采用基于競(jìng)爭(zhēng)的自適應(yīng)MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

首先，領(lǐng)航員AUV攜帶它要發(fā)出的消息在預(yù)定的信道發(fā)出預(yù)接觸數(shù)據(jù)包，如果幾個(gè)AUV接收節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出預(yù)接觸數(shù)據(jù)包，信道將對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)和選擇。信道競(jìng)爭(zhēng)選擇完畢后領(lǐng)航員AUV將通過(guò)信道與目的AUV進(jìn)行握手。所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)MAC協(xié)議包含一個(gè)“RTS”、“CTS”、“Data”、“ACK”的四路握手方法以及一個(gè)對(duì)其他等待AUV的阻止發(fā)送(BlockToSend-BTS)數(shù)據(jù)包。而消息傳輸?shù)难舆t過(guò)程包含在“Responseadjustment”時(shí)間內(nèi)。在傳輸過(guò)程中，信道將通過(guò)BTS阻止其他AUV節(jié)點(diǎn)的使用。

四路握手協(xié)議包含如圖5所示的4個(gè)階段。

圖5 基于競(jìng)爭(zhēng)的自適應(yīng)MAC協(xié)議Fig.5 Contention-based adaptive MAC protocol

在第一階段，當(dāng)目的AUV接收到“RTS”幀時(shí)，該AUV被通知有即將到來(lái)的消息傳輸。目的AUV進(jìn)入“Responseadjustment”狀態(tài)，以通過(guò)所選擇的信道從領(lǐng)航員AUV接收數(shù)據(jù)包。同時(shí)向其他AUV節(jié)點(diǎn)發(fā)送“BTS”數(shù)據(jù)包以通知它們?cè)谶@段時(shí)間可以進(jìn)入“睡眠”(sleep)狀態(tài)，以避免在整個(gè)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)生沖突。

在第二階段中，領(lǐng)航員AUV發(fā)出“RTS”幀后，將一直等待直至接收到目的AUV返回的“CTS”或超時(shí)幀。當(dāng)超時(shí)發(fā)生時(shí)，領(lǐng)航員AUV就返回信道競(jìng)爭(zhēng)和選擇狀態(tài)。顯然，在數(shù)據(jù)包和它的“Responseadjustment”之間的傳輸延遲至少等于該數(shù)據(jù)包被發(fā)送/接收時(shí)間，以便于節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)可以一個(gè)個(gè)地被連續(xù)地處理。這樣，所發(fā)送的“RTS”數(shù)據(jù)包和接收到的“CTS”數(shù)據(jù)包是具有相同最大單程傳播延遲的兩個(gè)動(dòng)作，其傳輸?shù)淖畲髸r(shí)間延遲分別為T(mén)max。如果我們定義一個(gè)控制幀和其后續(xù)幀之間的固定時(shí)間長(zhǎng)度為“CML”，那么在領(lǐng)航員AUV發(fā)送“RTS”和收到目的AUV返回“CTS”之間的時(shí)間長(zhǎng)度可以定義為CMLRTS，在目的AUV發(fā)送“CTS”和收到領(lǐng)航員AUV發(fā)送來(lái)的“Data”數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間長(zhǎng)度被稱(chēng)為“CMLCTS”。所以定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髸r(shí)長(zhǎng)為

CMLRTS= CMLCTS=Tmax。

當(dāng)目的AUV接收到“RTS”數(shù)據(jù)包后，它通過(guò)水聲通訊系統(tǒng)測(cè)量得到的距離信息來(lái)計(jì)算“CTS”數(shù)據(jù)包到達(dá)領(lǐng)航員AUV的時(shí)間，即一個(gè)“CML”的時(shí)間間隔。在“CML”的時(shí)間，信道將避免潛在通信干擾的沖突。一旦“Responseadjustment”狀態(tài)結(jié)束，領(lǐng)航員AUV將通過(guò)相應(yīng)的信道向目的AUV發(fā)送數(shù)據(jù)包?？傊?，第二階段使目的AUV與領(lǐng)航員AUV進(jìn)行協(xié)商，一方面具有更大的靈活性，另一方面降低了由于信道沖突引起的傳輸失敗。

第三階段開(kāi)始于領(lǐng)航員AUV接收“CTS”數(shù)據(jù)包。在這個(gè)階段，領(lǐng)航員AUV將通過(guò)相應(yīng)的信道向目的AUV發(fā)送數(shù)據(jù)包，如果目的AUV從領(lǐng)航員AUV接收到“Data”，它就進(jìn)入“Responseadjustment”狀態(tài)，數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收完畢后，將進(jìn)入“ACK”狀態(tài)，否則即為數(shù)據(jù)傳輸超時(shí)。

在第四階段，一旦“Responseadjustment”的狀態(tài)完成，目的AUV將發(fā)送“ACK”數(shù)據(jù)包。在領(lǐng)航員AUV接收到“ACK”數(shù)據(jù)包后，將結(jié)束其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。所發(fā)送的“BTS”數(shù)據(jù)包將重置向發(fā)送，以喚醒其他AUV節(jié)點(diǎn)，重新進(jìn)入信道需求狀態(tài)。

所以4個(gè)階段的握手過(guò)程所持續(xù)的時(shí)間為

Tlisten≤2Tmax+CMLData。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證和分析所設(shè)計(jì)的組網(wǎng)通信方法，接下來(lái)將使用應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS結(jié)合參考文獻(xiàn)[15]中的編隊(duì)算法得到的多AUV編隊(duì)仿真軌跡，根據(jù)第一部分的水聲信道的能量模型(3)對(duì)編隊(duì)中信息傳輸?shù)哪芰亢托蔬M(jìn)行仿真。仿真的內(nèi)容主要包括網(wǎng)絡(luò)能量消耗與時(shí)間延遲、丟包率和單位時(shí)間吞吐量等。NS是一個(gè)面向?qū)ο箅x散時(shí)間驅(qū)動(dòng)的模擬器，主要使用C++和OTcl作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，網(wǎng)絡(luò)模擬圍繞路由算法、多播協(xié)議等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行[16]。

圖6和圖7分別是多AUV采用基于線性拓?fù)渥赃m應(yīng)MAC協(xié)議和基于競(jìng)爭(zhēng)的自適應(yīng)MAC協(xié)議編隊(duì)航行的通訊情況。其中AUV1為領(lǐng)航員AUV，AUV2、AUV3和AUV4為跟隨AUV。圖6中由于AUV2、AUV3和AUV4距領(lǐng)航員AUV1的相對(duì)距離較遠(yuǎn)，而跟隨AUV之間的距離較近，所以采取線性拓?fù)銶AC協(xié)議的通訊方式。從仿真結(jié)果上看，這種方式使得跟隨AUV的丟包率基本持平。由于通訊中每個(gè)AUV所攜帶的數(shù)據(jù)量不同，距離領(lǐng)航員AUV越遠(yuǎn)的AUV所需要的數(shù)據(jù)越少，而距離領(lǐng)航員AUV較近的不僅要完成自身的數(shù)據(jù)通訊，還要負(fù)責(zé)外圍的AUV通訊，所以單位時(shí)間的吞吐量是從內(nèi)到外依次減少的。但AUV之間的通訊效率并沒(méi)有隨著距離的增加而顯著降低，并且這種方法通過(guò)AUV之間的通訊，較大地降低了領(lǐng)航AUV的能量消耗，提高了整個(gè)AUV編隊(duì)組網(wǎng)的生存時(shí)間。圖7中由于跟隨AUV相對(duì)領(lǐng)航員AUV1的距離相近，所以采用一對(duì)多競(jìng)爭(zhēng)的自適應(yīng)MAC協(xié)議，在通訊的過(guò)程中延遲時(shí)間、丟包率和單位時(shí)間吞吐量均比較接近，并且由于該協(xié)議根據(jù)數(shù)據(jù)包的收發(fā)情況采用競(jìng)爭(zhēng)及時(shí)調(diào)整AUV之間的通訊，相比周期性休眠的協(xié)議更適合移動(dòng)節(jié)點(diǎn)水聲通訊這種大時(shí)延和丟包率比較高的情況。

圖6 基于線性拓?fù)涞腗AC協(xié)議仿真結(jié)果Fig.6 Results of MAC protocol based linear topology

圖7 基于競(jìng)爭(zhēng)拓?fù)涞腗AC協(xié)議仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of MAC protocol based contending topology

4 結(jié) 論

本文研究了水聲通信條件下多水下機(jī)器人組網(wǎng)通訊的方法。建立了多AUV組網(wǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)分為兩部分：AUV自身的通信系統(tǒng)和AUV之間的通信系統(tǒng)。在AUV之間的分層通信結(jié)構(gòu)中，結(jié)合編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立了數(shù)據(jù)鏈路層的自適應(yīng)MAC協(xié)議。在多水下機(jī)器人的分層通信結(jié)構(gòu)中，基于拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立了信道傳輸模型。根據(jù)能量模型，對(duì)于距離領(lǐng)航員AUV節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)而距離其他跟隨AUV較近的節(jié)點(diǎn)采用線性拓?fù)鋫鬏敺绞?，由距離領(lǐng)航員AUV較近的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)外圍AUV的通信；而對(duì)于其他AUV節(jié)點(diǎn)采用一對(duì)多競(jìng)爭(zhēng)拓?fù)鋫鬏敺绞?，通過(guò)改進(jìn)的握手機(jī)理實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)通信。仿真結(jié)果表明，線性拓?fù)鋫鬏數(shù)淖赃m應(yīng)MAC協(xié)議降低了領(lǐng)航AUV的能量消耗，提高了整個(gè)AUV編隊(duì)組網(wǎng)的生存時(shí)間；基于競(jìng)爭(zhēng)的自適應(yīng)MAC協(xié)議降低了傳輸?shù)膩G包率并提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

[1] 徐玉如,肖坤.智能海洋機(jī)器人技術(shù)進(jìn)展[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2007,33(5):518-521. XU Yuru,XIAO Kun.Technology development of autonomous ocean vehicle[J].Acta Automatica Sinica,2007,33(5):518-521.

[2] 曾文靜,徐玉如,萬(wàn)磊,等.自主式水下機(jī)器人的光視覺(jué)管道探測(cè)跟蹤系統(tǒng)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,46(2): 178-189. ZENG Wenjing,XU Yuru,WAN Lei,et al.Robotics vision-based system of autonomous underwater vehicle for an underwater pipeline tracker[J].Journal of Shang Hai Jiao Tong University,2012,46(2): 178-189.

[4] CAITI Andrea,GRYTHE Knut,JENSM Hovem,et al.Linking acoustic communications and network performance: integration and experimentation of an underwater acoustic network[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2013,38(4): 758-771.

[5] CHEN Baozhi,DARIO Pompili.Quo vadis: QoS-aware underwater optimization framework for inter-vehicle communication using acoustic directional transducers[C]//2011 8th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor,Mesh and Ad Hoc Communications and Networks,Sheraton Salt Lake City Hotel Salt Lake City,UT,USA.2011: 341-349.

[6] SCHNEIDER T,SCHMIDT H.Unified command and control for heterogeneous marine sensing networks[J].Journal of Field Robotics,2010:1-14.

[7] GHABCHELLO R,KAMINER I,AGUIAR A.A general framework for multiple vehicle time coordinated path following control[C]//2009 American Control Conference,Hyatt Regency St.Louis Riverfront St.Louis,MO,USA.2009: 3071-3076.

[8] JOHNSON Benjamin,HALLIN Nicodemus,LEIDENFROST Hans,et al.Collaborative mapping with autonomous underwater vehicles in low-bandwidth conditions[C]//Oceans 2009 Europe,Messe Bremen (Bremen Fair) Bremen,Germany.2009: 1-7.

[9] ANDREW Rajala,DEAN Edwards.Allocating AUVs for mine map development in MCM[C]//Oceans 2006 Asia Pacific,Raffles City Convention Centre,Singapore.2006: 1-8.

[10] KALWA,J?RG.The GREX-project: coordination and control of cooperating heterogeneous unmanned systems in uncertain environments[C]//OCEANS '09 IEEE Bremen,Messe Bremen (Bremen Fair) Bremen,Germany.2009: 1-9.

[11] 趙占偉.水聲通信網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2011.

[12] 陳煦蔚,馮正平.移動(dòng)式水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的隊(duì)形穩(wěn)定性[J].海洋工程,2010,2(28): 212-217. CHEN Xuwei,FENG Zhengping.Formation stability of underwater mobile sensing networks[J].The Ocean Engineering,2010,28(2): 122-127.

[13] 何晨光.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議高能效性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[14] VINCENT Ngo,ALAGAN Anpalagan.A detailed review of energy-efficient medium access control protocols for mobile sensor networks[J].Computers and Electrical Engineering,2010,36: 383-396.

[15] HUANG Hai,WAN Lei,JIANG Dapeng,et al.Adaptive AUV formation strategy under acoustic communication conditions[C]//IEEE Oceans 2014 Taipei,TBD Taipei,China.2014:1-6．

[16] MYUNGSUB Lee,PARK Chang-Hyeon.A differential probability selection MAC protocol considering energy consumption in wireless sensor networks[J].International Journal of Distributed Sensor Networks,2013: 1-8.

Network communication research for multiple AUV formation

HUANG Hai， LI Yue-ming， PANG Yong-jie

(National Key Laboratory of Technology of Autonomous Underwater Vehicles,Harbin Engineering University,
Harbin 150001,China)

In order to improve communication efficiency,hydroacoustic network communication was researched.In the hierarchical communication structure,transmission model of the acoustic channel was esablished on the basis of network topology.Acorrding to the model,linear topology communication was applied for the objective AUV far away from leader AUV but closer to other AUVs，while a one to many contending topology communication was applied for other AUVs.In the adaptive MAC protocol of linear topology,leader AUV sends time synchronize packets to others through broadcast,then objective nodes decide the communication or sleep off external nodes according to the distance of leader AUV as well as the effect of data transmission,which reduce the energy consumption of leader AUV and improve survival lifetime for the whole AUV network communication.On the other hand,one-to-many contention based adaptive MAC protocol includes an improved handshaking mechanism,which can reduce packets loss rate and improve throughput of the network.Simulations with multi-AUV formation illustrate advancement and effectiveness of the research.

underwater vehicles; formation cruising; network communication; acoustic communication; MAC protocol

2016-02-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(5129050,51579053,61633009)

黃 海(1978—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人技術(shù)； 李岳明(1983—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人控制技術(shù)； 龐永杰(1955—)，男，教授，研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人。

黃 海

10.15938/j.emc.2017.05.013

TP 24

A

1007-449X(2017)05-0097-08