一種基于測(cè)距定位的多維水下可見(jiàn)光通信傳感網(wǎng)

項(xiàng)彤+黃鴻基+周行洲+張雨+吳浩

摘 要：本文提出了一種基于測(cè)距定位的多維水下可見(jiàn)光通信傳感網(wǎng)。該系統(tǒng)包括：錨節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)接入模塊、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理模塊、可見(jiàn)光通信收發(fā)一體機(jī)A和B、電信號(hào)處理模塊、本地處理和顯示模塊、云端服務(wù)器模塊以及數(shù)據(jù)庫(kù)。網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換加載到藍(lán)光LED上，通過(guò)可見(jiàn)光信道到接收端，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器加載到信號(hào)處理芯片，終端識(shí)別后以同樣方式傳送給網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，云端服務(wù)器模塊將本地處理和顯示模塊分析的誤比特率、經(jīng)測(cè)距算法得出的水下位置信息等實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)通過(guò)信道變化引起相應(yīng)參數(shù)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感。此外，節(jié)點(diǎn)構(gòu)成多維傳感網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)可靠的水下數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)掌握水下位置信息，可實(shí)現(xiàn)精確定位，且魯棒性較好。

關(guān)鍵詞：通信；多維傳感網(wǎng)；定位算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

可見(jiàn)光通信（Visible Light Communications， VLC）是基于發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）等技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一種新型、短距離、高速的無(wú)線通信技術(shù)。全雙工通信是在通信設(shè)備的上行鏈路和下行鏈路同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信令的傳輸。

目前，國(guó)內(nèi)外也已經(jīng)開(kāi)展了無(wú)線光通信技術(shù)的相關(guān)研究。2015年11月，愛(ài)沙尼亞Velmenni公司在塔林演示了一種Li-Fi原型燈泡，其數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到1Gbps；在實(shí)驗(yàn)室特定條件下，記錄的Li-Fi燈泡的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到224Gbps。2016年12月的Globecom會(huì)議上，Ki-Hong Park 等分析了室內(nèi)可見(jiàn)光MIMO系統(tǒng)的可靠性。2017年，Yahya Mohammed Al-Moliki的研究組研究了室內(nèi)可見(jiàn)光通信的物理層安全策略。同年2月，孫洪偉等提出了實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)可見(jiàn)光定位功能的方案。同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院的丁昆等開(kāi)發(fā)了一款便攜式光天線設(shè)備。但據(jù)我們所知，國(guó)內(nèi)外尚未出現(xiàn)與多維傳感網(wǎng)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的研究。

基于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，結(jié)合多維傳感和定位技術(shù)，我們提出了一種全雙工通信系統(tǒng)。與之前的通信系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高的定位精度，同時(shí)提高頻譜利用率。

1.基本模型

首先，在信道環(huán)境良好的情況下，構(gòu)建可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目梢?jiàn)光通信系統(tǒng)；然后，在信道環(huán)境遭到破壞時(shí)，觀察網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的通斷，從而實(shí)現(xiàn)傳感功能。

具體地，本文所述的智能可見(jiàn)光通信系統(tǒng)如圖1所示，包括網(wǎng)絡(luò)接入模塊、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理模塊、可見(jiàn)光通信收發(fā)一體機(jī)A和B、電信號(hào)處理模塊、本地處理和顯示模塊、云端服務(wù)器模塊以及封裝相關(guān)部件。網(wǎng)絡(luò)接入模塊將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入到本系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；可見(jiàn)光發(fā)射機(jī)進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，將數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光信號(hào)，然后光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)發(fā)光二極管（Light-Emitting diode， LED）發(fā)射出去；可見(jiàn)光信道為無(wú)線信道。在信道良好的自由空間環(huán)境下，信道增益h可以表示為

云端服務(wù)器模塊用來(lái)將誤比特率等結(jié)果實(shí)時(shí)上傳到云端服務(wù)器模塊，便于存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)訪問(wèn)。在信道環(huán)境良好的情況下，根據(jù)上述構(gòu)建的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，可以在式（4）所示誤比特率條件下，進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

2.多維傳感定位算法

多維傳感網(wǎng)的精確定位是一個(gè)很重要的研究領(lǐng)域。如圖2所示，在多維水下傳感網(wǎng)中，定義一個(gè)所述系統(tǒng)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在布防水域內(nèi)投放多個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)水下可見(jiàn)光信道發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)指標(biāo)參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯的變化，如誤比特率升高，網(wǎng)速下降。每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取的信息經(jīng)本地處理和顯示模塊分析后會(huì)實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)及云端服務(wù)器模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)布防水域的偵查與監(jiān)控。

監(jiān)測(cè)水域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)這3種，整個(gè)定位過(guò)程分為兩部分：錨節(jié)點(diǎn)定位和未知節(jié)點(diǎn)定位。定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位周期為T(mén)1。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)需部署四個(gè)以上且配備GPS，通過(guò)聲波信號(hào)與錨節(jié)點(diǎn)直接聯(lián)系。錨節(jié)點(diǎn)收集至少3個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息，利用三邊測(cè)量法來(lái)計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)的位置信息。其未知節(jié)點(diǎn)的定位算法基本步驟如下：

（1）定義未知節(jié)點(diǎn)只和它本地的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，通過(guò)和錨節(jié)點(diǎn)的本地消息傳遞來(lái)進(jìn)行自我定位。

（2）計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。錨節(jié)點(diǎn)通過(guò)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)得到自己的位置信息后，廣播其分組信息。跳數(shù)字段初始化為0，逐跳加1。廣播過(guò)程中，錨節(jié)點(diǎn)也要記錄自己到其他錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，未知節(jié)點(diǎn)記錄到每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，若收到來(lái)自同一節(jié)點(diǎn)的相同數(shù)據(jù)包或跳數(shù)字段較大的數(shù)據(jù)包，則舍棄。

（3）計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離。先計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離D，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)將得到的D廣播分組給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。未知節(jié)點(diǎn)利用得到的D乘以未知節(jié)點(diǎn)j到錨節(jié)點(diǎn)i的跳數(shù)Nij即可得到未知節(jié)點(diǎn)j到錨節(jié)點(diǎn)i的距離Dij：

3.實(shí)驗(yàn)和仿真

我們定義100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100*100m的范圍，其中錨節(jié)點(diǎn)的占比可調(diào)，所有節(jié)點(diǎn)在R=50m的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)通信。為了消除結(jié)果分布的偶然性影響，在相同的條件下仿真了80次并取其平均值。

同時(shí)，設(shè)定錨節(jié)點(diǎn)比例為30%，使節(jié)點(diǎn)總數(shù)從60變化到150再次進(jìn)行仿真，測(cè)試在錨節(jié)點(diǎn)比例一定的情況下節(jié)點(diǎn)總數(shù)改變對(duì)該算法定位性能的影響。從圖5可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)總數(shù)的增加，歸一化定位誤差逐漸降低。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)達(dá)到80時(shí)曲線趨于平緩，即本算法的性能趨于穩(wěn)定。本算法的定位誤差比傳統(tǒng)的水下傳感網(wǎng)定位算法降低了4.3%～11.2%左右。從圖3可以看出，本算法各個(gè)節(jié)點(diǎn)誤差分布較為均勻，即本算法公平性和均衡性較好。

結(jié)論

在本文中，我們提出了一種基于測(cè)距定位的多維水下可見(jiàn)光通信傳感網(wǎng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，它采用藍(lán)綠光光源進(jìn)行通信，具備水下藍(lán)綠激光通信高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了水聲通信速率慢、時(shí)延大的不足。同時(shí)，該系統(tǒng)將可見(jiàn)光通信技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)采集水下目標(biāo)位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)布防水域的實(shí)時(shí)監(jiān)控。與之前的研究相比，本系統(tǒng)現(xiàn)有的定位算法具有較高的定位精度，且魯棒性較好。

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