跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)試驗平臺設(shè)計與試驗

鄭思遠, 李 斌, 曹秀嶺, 陳友淦, 童 峰

?

跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)試驗平臺設(shè)計與試驗

鄭思遠, 李 斌, 曹秀嶺, 陳友淦, 童 峰

(廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點試驗室, 福建 廈門, 361005)

由于進行真實的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)試驗較為困難, 近年來提出的眾多專門針對水聲網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制(MAC)協(xié)議和路由協(xié)議大多只有仿真結(jié)果。為了便于在真實的水下環(huán)境中對通信性能、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等研究進行評估分析, 以海洋環(huán)境立體監(jiān)測中網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境參數(shù)獲取作為應(yīng)用背景, 設(shè)計并構(gòu)建了一個跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)試驗平臺, 實現(xiàn)了水下網(wǎng)絡(luò)和岸上控制中心的連接, 介紹了水聲網(wǎng)絡(luò)平臺技術(shù)方案及軟硬件實現(xiàn), 并進行了試驗平臺的湖試試驗, 試驗結(jié)果表明了該平臺進行跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)性能評估、測試的有效性。

水聲網(wǎng)絡(luò); 試驗平臺; 跨介質(zhì); 媒體接入控制協(xié)議; 路由協(xié)議

0 引言

地球表面大約70%的面積為海洋所覆蓋, 有效地開發(fā)海洋資源具有很高的經(jīng)濟和戰(zhàn)略意義。水聲網(wǎng)絡(luò)可用于海洋資源勘探、水污染監(jiān)測、海洋數(shù)據(jù)收集、海洋地震監(jiān)測、海冰監(jiān)測和海洋軍事等, 具有高精度、實時、持續(xù)的特點, 引起了普遍的關(guān)注[1-3]。

由于電磁波在水中傳播時衰減嚴重, 無法長距離傳播, 因此水下通信一般采用聲通信。但是水聲通信具有誤碼率高、傳播時延長、帶寬低等特點, 導(dǎo)致基于傳統(tǒng)陸地的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對于水下網(wǎng)絡(luò)不適用或效率低下, 因此水聲網(wǎng)絡(luò)需要研究新的通信協(xié)議。而建立真實的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并展開試驗存在較大的困難, 因此目前大部分水聲網(wǎng)絡(luò)研究是基于理論分析和仿真試驗的, 然而, 動態(tài)的水下環(huán)境和復(fù)雜的通信系統(tǒng)并不能簡單地通過仿真系統(tǒng)模擬反映, 需要建立一個真實的水聲網(wǎng)絡(luò)來進行試驗。同時, 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展迫切需要建立水下信息節(jié)點與船載、機載或岸基控制站雙向通信鏈路。

2012 年, 由美國康涅狄格大學(xué)、華盛頓大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校及德州農(nóng)工大學(xué)聯(lián)合承擔(dān)開發(fā)的Ocean-TUNE(ocean testbed for underwater wireless networks)[4]項目, 就是為了提供一個水下無線網(wǎng)絡(luò)的試驗平臺, 以促進水下網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的發(fā)展。

目前報道最多、試驗水平最高的水聲通信網(wǎng)絡(luò)是美國的海網(wǎng)(Seaweb)[5]。自1998年開始, Seaweb經(jīng)過多年的試驗, 研發(fā)了4代無線/水聲通信網(wǎng)關(guān)浮標系統(tǒng), 用于將水下傳感網(wǎng)絡(luò)通過無線通信方式與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通, 在遠海觀測網(wǎng)、港口近岸的水下偵察網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中展示了良好的應(yīng)用效果和技術(shù)先進性。

國內(nèi)在水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面總體處于緊密跟蹤階段, 進行了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)協(xié)議和組網(wǎng)試驗等工作。中國船舶重工業(yè)集團715所2015年6月在東海進行了海上試驗[6], 在水面和水下分別布放4個和6個節(jié)點進行通信試驗來驗證節(jié)點所使用的物理層、媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的性能。

海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[7]一般結(jié)合了岸站監(jiān)測中心、衛(wèi)星遙感和海洋浮標等監(jiān)測手段于一體, 將各種傳感器、浮標等無線監(jiān)測節(jié)點部署在實際檢測海域, 各個節(jié)點負責(zé)獲取所在區(qū)域各種海洋環(huán)境參數(shù)信息, 包括鹽度、溫度、濁度、海流、深度及葉綠素等[8], 然后按照約定的通信協(xié)議逐點上報到匯聚節(jié)點[9]。文中以這類網(wǎng)絡(luò)負載較低的海洋環(huán)境立體化監(jiān)測中網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境參數(shù)獲取作為應(yīng)用背景, 設(shè)計并構(gòu)建了一個跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)試驗平臺。基于該試驗平臺進行了一系列試驗, 并給出了網(wǎng)絡(luò)的湖試試驗結(jié)果和分析。

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

構(gòu)建的跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)試驗平臺主要由普通節(jié)點, 匯聚節(jié)點(網(wǎng)關(guān))以及岸基控制節(jié)點組成, 如圖1所示。

普通節(jié)點負責(zé)收集和存儲水下信息, 并將其通過水聲信道發(fā)送給匯聚節(jié)點。同時, 普通節(jié)點也可用于中繼其他節(jié)點的數(shù)據(jù)或指令。

匯聚節(jié)點(網(wǎng)關(guān))是指把水下通信網(wǎng)絡(luò)與常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)相連的中轉(zhuǎn)樞紐節(jié)點。它設(shè)置于浮標, 其中水下部分是聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器, 水面部分是無線電調(diào)制解調(diào)器, 實現(xiàn)水聲-無線跨介質(zhì)轉(zhuǎn)換節(jié)點的功能。

岸基控制節(jié)點通過無線通信接收水聲網(wǎng)絡(luò)各項試驗數(shù)據(jù), 可進行不同技術(shù)方案下通信性能、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的性能評估與分析。

1.1 節(jié)點硬件設(shè)計

水聲網(wǎng)絡(luò)的水聲通信物理層采用廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點試驗室開發(fā)的AMLink水聲調(diào)制解調(diào)器[10-11], 其設(shè)計的硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件平臺結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 Structure of physical platform of underwater acoustic network node

節(jié)點采用高性能浮點微處理器作為物理層和上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)的核心處理器, 并可通過串口將接收的數(shù)據(jù)傳給上位機。網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制方式采用直接序列擴頻(direct sequence spread spectrum, DSSS)方式, 主要是因其具有很好的抗噪聲能力, 適用于傳輸遠距離、低比特率信息, 有利于提高監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍及通信可靠性, 物理層參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)物理層參數(shù)

水下網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都具有信息的收發(fā)功能, 可以認為匯聚節(jié)點的功能是在普通節(jié)點的基礎(chǔ)上進行擴展實現(xiàn)的。通過串口連接無線模塊或使用延長線纜, 可將普通節(jié)點變?yōu)閰R聚節(jié)點。

1.2 軟件協(xié)議設(shè)計

以測試避免沖突的多路訪問(multiple access with collision avoidance, MACA)協(xié)議為例, 它在有數(shù)據(jù)發(fā)送需求時需要先發(fā)送短包(request to send, RTS)預(yù)約信道, 收到目的節(jié)點的反饋(clear to send, CTS)之后才能進行數(shù)據(jù)發(fā)送。對比于實現(xiàn)簡單的ALOHA協(xié)議, MACA協(xié)議可以避免長數(shù)據(jù)包的碰撞, 解決隱藏終端和暴露終端這一問題。雖然MACA協(xié)議因為預(yù)約信道機制有較高的延遲, 但是考慮到應(yīng)用背景水聲網(wǎng)絡(luò)負載較低, 且對實時性要求不高, 因此采用MACA協(xié)議。同時考慮到水下信道的不穩(wěn)定和碰撞導(dǎo)致節(jié)點無法正確接收到數(shù)據(jù), 需要接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點再反饋一個確認包(acknowledgement, ACK), 并且采用二進制退避算法來避免重復(fù)的沖突。系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置了短包和長包2種類型的數(shù)據(jù)包。其中短包的發(fā)送時間大約為4 s, 長包的發(fā)送時間約為8 s。

對于路由協(xié)議, 常見路由協(xié)議主要分為先驗式路由協(xié)議和反應(yīng)式路由協(xié)議。反應(yīng)式路由在有數(shù)據(jù)發(fā)送時需臨時建立路由, 并以洪泛的方式臨時建立路由, 但在洪泛階段會產(chǎn)生巨大的消耗。以先驗式路由為例: 系統(tǒng)采用預(yù)先存好路由信息的先驗式路由, 這樣可降低系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜度以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。

2 試驗結(jié)果與分析

依照上述設(shè)計, 在新安江進行了試驗平臺的跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)試驗。試驗水域深度21 m左右, 節(jié)點間距為50~100 m?？缃橘|(zhì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)置于浮標上, 控制中心設(shè)置在躉船上。由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點和岸上控制中心使用無線通信, 對比于水下通信其誤碼率和時延都可忽略不計, 因此可將其看作1個節(jié)點。

試驗水聲網(wǎng)絡(luò)共有5個節(jié)點, 包括1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和4個普通傳感器節(jié)點。試驗場景拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示, 圖中標號分別是試驗中節(jié)點所在位置, 箭頭方向代表著節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)的方向。

節(jié)點1為網(wǎng)關(guān)節(jié)點, 負責(zé)以水聲網(wǎng)絡(luò)收集其余節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)并通過無線方式跨介質(zhì)傳輸至控制節(jié)點以進行性能分析評估; 節(jié)點2~5為傳感器節(jié)點, 負責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)其余節(jié)點的數(shù)據(jù)。

由于距離較近, 網(wǎng)絡(luò)中所有水下節(jié)點都可以接收到彼此的信號, 因此通過路由設(shè)置, 讓節(jié)點3和節(jié)點4通過節(jié)點2向節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù), 節(jié)點5可以直接向節(jié)點1傳遞數(shù)據(jù)。節(jié)點1不產(chǎn)生數(shù)據(jù), 其余節(jié)點按泊松分布平均240 s產(chǎn)生1個數(shù)據(jù)包, 每個數(shù)據(jù)包包含192 bit數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)運行時間為2個小時, 試驗水域聲速梯度如圖4所示。

圖5和圖6分別給出了試驗平臺每個節(jié)點成功傳輸數(shù)據(jù)包個數(shù)、成功接收數(shù)據(jù)包個數(shù)和丟包個數(shù)?？梢钥闯? 碰撞導(dǎo)致的丟包數(shù)量相比成功傳遞的數(shù)據(jù)包數(shù)量來說還是很少, 大多數(shù)數(shù)據(jù)包都能準確傳遞到網(wǎng)關(guān)節(jié)點, 證明了整個跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)工作正常。由于節(jié)點3、4、5不負責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā), 因此其接收數(shù)據(jù)包的個數(shù)為0; 而網(wǎng)關(guān)節(jié)點1只進行數(shù)據(jù)的收集, 不產(chǎn)生數(shù)據(jù)包, 因此其發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)為0。

定義節(jié)點的碰撞率為節(jié)點碰撞次數(shù)與節(jié)點成功傳遞數(shù)據(jù)包的比值, 即節(jié)點平均每成功傳輸一個數(shù)據(jù)包會發(fā)生碰撞的次數(shù)。定義發(fā)送節(jié)點開始預(yù)約信道即發(fā)送RTS包開始, 到發(fā)送節(jié)點接收到ACK為止, 這段時間為端到端時延。結(jié)合時延圖(圖7)和碰撞率圖(圖8)可以看出, 節(jié)點2、3、4的端到端平均時延都差不多, 均為20 s左右, 節(jié)點2的碰撞率最低, 節(jié)點3、4則稍高一些。但是節(jié)點5的碰撞率和延遲都明顯高于其余節(jié)點。根據(jù)現(xiàn)場試驗情況分析了導(dǎo)致這種情況的原因: 因為距離限制, 節(jié)點之間互相都能接收到彼此信號, 節(jié)點3, 4處于相等的競爭地位, 假如節(jié)點3成功向節(jié)點2傳遞數(shù)據(jù)包后, 節(jié)點2將立即開始信道預(yù)約, 準備向節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)。由于節(jié)點3剛剛傳遞完數(shù)據(jù), 有很大概率不會立即進行下一次傳輸, 并且信道延遲和信道預(yù)約有一個保護時間, 節(jié)點2信道預(yù)約的成功概率將大大增加, 而節(jié)點5如果在這時候準備發(fā)送數(shù)據(jù)將被視為碰撞而放棄此次發(fā)送。這也就導(dǎo)致了節(jié)點2低時延低碰撞率以及節(jié)點5的高時延和高碰撞率。

3 結(jié)束語

以一類網(wǎng)絡(luò)負載較低的海洋環(huán)境立體監(jiān)測中網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境參數(shù)獲取作為應(yīng)用背景, 設(shè)計并構(gòu)建了一個跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)試驗平臺。網(wǎng)絡(luò)采用了MACA協(xié)議和簡單的固定路由, 對于吞吐量的結(jié)果分析表明了大多數(shù)數(shù)據(jù)包都能被準確地傳遞到網(wǎng)關(guān)節(jié)點, 因此適用于網(wǎng)絡(luò)負載較低的海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用背景, 湖試結(jié)果表明了該試驗平臺進行跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)性能評估、測試的有效性。

但同時注意到, 相比于長包(發(fā)送時間為8 s), 短包(發(fā)送時間為4 s)的發(fā)送時間過長, 這是因為同步頭具有一定長度; 另一方面, 為了確保網(wǎng)絡(luò)正常運行, 保證控制信息能準確傳輸, 短包采用了效率較低但是更為可靠的編碼方式。然而, 過長的短包也導(dǎo)致了握手過程的消耗更大, 大大增加了端到端時延, 在今后的工作中, 需要對這方面進行改進, 減少端到端時延。

[1] 吳學(xué)智, 靳煜, 何如龍.水聲網(wǎng)絡(luò)及其軍事應(yīng)用研究[J].電聲技術(shù), 2012, 36(8): 50-53.Wu Xue-zhi, Jin Yu, He Ru-long.Research on Underwater Acoustic Networks and Military Applications[J].Audio Engineering, 2012, 36(8): 50-53.

[2] Reinen T A, Lie A, Knudsen F T.Sensls-Underwater Acoustic Network for Ice-monitoring[C]//Proceedings of the 39th Scandinavian Symposium on Physical Acoustics.Geilo, Norway: The Acoustics and Optics Group of the Norwegian Physical Society, 2016: 1-10.

[3] 喬鋼, 劉凇佐, 劉奇佩.水聲通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、仿真與試驗綜述[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2017, 25(2): 151-160.Qiao Gang, Liu Song-zuo, Liu Qi-pei.Review of Pro- tocols, Simulation and Experimentation for Underwater Acoustic Communication Network[J].Journal of Unmanned Undersea Systems, 2017, 25(2): 151-160.

[4] Peng Z, Wei L, Wang Z, et al.Ocean-TUNE UCONN Testbed: A Technology Incubator for Underwater Communication and Networking[C]//Underwater Communi- cations and Networking.Sestri Levante: IEEE, 2015.

[5] Rice J, Green D.Underwater Acoustic Communications and Networks for the US Navy’s Seaweb Program[C]// Second International Conference on Sensor Technologies and Applications.Cap Esterel: IEEE, 2008.

[6] Zhang H, Xiong S, Yue Z, et al.Sea Trials of an Underwater Acoustic Network in the East China Sea 2015[C]// 2016 IEEE/OES China Ocean Acoustics.Harbin: IEEE, 2016.

[7] Wang Y, Liu Y, Guo Z .Three-dimensional Ocean Sensor Networks: A Survey[J].Journal of Ocean University of China, 2012, 11(4): 436-450.

[8] 何世鈞, 陳中華, 張雨, 等.基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng), 2011, 30(3):13-15.He Shi-jun, Chen Zhong-hua, Zhang Yu, et al.Research on Monitoring System of Marine Environment Based on Internet of Things[J].Transducer and Microsystem Technologies, 2011, 30(3): 13-15.

[9] 劉強, 崔莉, 陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計算機科學(xué), 2010, 37(6): 1-4.Liu Qiang, Cui Li, Chen Hai-ming.Key Technologies and Applications of Internet of Things[J].Computer Science, 2010, 37(6): 1-4.

[10] Zhou Y, Zeng K, Chen D, et al.Lake Trial of a Multi-Hop Underwater Acoustic Network for Ocean Transect Sampling[C]//Proceedings of the Eighth ACM International Conference on Underwater Networks and Systems, Taiwan: WUWNet, 2013: 20.

[11] Jiang W, Tong F, Zhou Y.R&D of a Spread Spectrum Acoustic Communication Modem with Ranging Capability[C]//Proceedings of the 11th ACM International Conference on Underwater Networks & Systems, Shanghai: WUWNet, 2016.

Design and Test of a Cross-Media Underwater Acoustic Network Test Platform

ZHENG Si-yuan, LIBin, CAOXiu-ling, CHEN You-gan, TONG Feng

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology of Minister of Education, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

In view of the fact that many medium access control(MAC) protocols and routing protocols for underwater acoustic networks have been endowed with only simulation results due to the difficulty of real underwater network system test, a cross-media underwater acoustic network test platform is designed and constructed in order to evaluate and analyze the performances of underwater communication and network protocol in actual underwater environment.The design of this platform considers the application background of networked environment parameters acquisition in marine environment stereoscopic monitoring, and realizes the connection between underwater acoustic network and shore control center.The software and hardware implementation of the platform are introduced.Lake test result shows that the platform is effective in evaluating the performance of underwater acoustic network.

underwater acoustic network; test platform; cross-media; medium access control(MAC) protocols; routing protocols

TN929.3; TP393

A

2096-3920(2018)06-0618-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.06.017

2018-11-07;

2018-12-03.

國家自然科學(xué)基金項目資助(11574258).

鄭思遠(1992-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為水聲網(wǎng)絡(luò).

鄭思遠,李斌,曹秀嶺,等.跨介質(zhì)水聲網(wǎng)絡(luò)試驗平臺設(shè)計與試驗[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報,2018,26(6):618-622.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)