水下體域網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

肖蟄水 ,陳 發(fā) ,方坤升 ,王 巍 ,黃海寧

(1.蘇州桑泰海洋儀器研發(fā)有限責任公司,江蘇 蘇州,215000;2.中國科學院 聲學研究所,北京,100086)

0 引言

體域網(wǎng)是一種以人體為中心的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),適合人體可穿戴、可嵌入設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸和管理,在醫(yī)療、保健和消費類電子等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。針對體域網(wǎng)已有諸多研究成果[1-6],但大都針對陸地(空氣中)體域網(wǎng)的建設(shè)。電氣與電子工程師協(xié)會(institute of electrical and electronics engineers,IEEE)為體域網(wǎng)制定了專門的IEEE 802 15.6標準[7],詳細描述了體域網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的物理層規(guī)范、介質(zhì)訪問控制層規(guī)范以及傳輸層跨層協(xié)議服務(wù)質(zhì)量和安全模式等內(nèi)容。在眾多研究中,Otto等[8]設(shè)計的體域網(wǎng)架構(gòu)可用來處理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部及與多層遠程醫(yī)療系統(tǒng)中的醫(yī)療服務(wù)器之間的通信;孫彥贊等[9]提出了一種基于隨機不完全著色算法,通過控制已著色節(jié)點繼續(xù)參與下一輪的著色算法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)更高的資源空間復(fù)用,通過限制相鄰節(jié)點分配顏色數(shù)量差距保證節(jié)點間資源分配的公平性,仿真證明了該算法對體域網(wǎng)網(wǎng)間干擾的抑制效果;王靜賢[10]針對體域網(wǎng)采用時分多址(time division multiple access,TDMA)物理層技術(shù)在合作共存場景中的網(wǎng)間干擾問題進行討論分析,提出一種基于討價還價博弈模型的功率控制機制,將最大化網(wǎng)絡(luò)納什積模型等效轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化模型以得到納什討價還價解,在仿真中取得了較好的結(jié)果;Kazemi 等[11]提出運用非協(xié)作博弈來降低多個無線體域網(wǎng)的網(wǎng)間干擾,在提升系統(tǒng)容量的同時,避免了用戶在信道增益和功率預(yù)算較低時增大發(fā)送功率;Ibarra 等[12]提出一種基于能量采集的協(xié)議,協(xié)議中節(jié)點能量由能量采集模塊供給,節(jié)點具備一定處理能力,能夠從監(jiān)測信號中檢測到事件的發(fā)生,并選擇性地傳輸有價值的信息,提高了能量效率。

水下體域網(wǎng)作為智慧海洋跨介質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個分支,是一種以蛙人為中心的短距離通信網(wǎng)絡(luò)。目前,國內(nèi)外針對體域網(wǎng)在蛙人水下隨身裝備數(shù)據(jù)傳輸與設(shè)備控制應(yīng)用領(lǐng)域的研究仍屬空白,但體域網(wǎng)標準為水下體域網(wǎng)的構(gòu)建提供了重要思路。受水介質(zhì)吸收作用影響,IEEE 802 15.6 標準規(guī)定的物理層通信頻段作用距離和可靠性均大幅下降,導(dǎo)致體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議失效,因此體域網(wǎng)技術(shù)無法直接應(yīng)用在蛙人水下隨身裝備體系中。針對此,文中從裝備體系狀態(tài)控制、信息管理與設(shè)備集成需求角度出發(fā),參考現(xiàn)有體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)框架,結(jié)合水下通信設(shè)備特點以及水下信息傳輸所面臨的關(guān)鍵問題展開研究,并提出適合蛙人水下隨身裝備體系應(yīng)用的水下體域網(wǎng)架構(gòu)。

1 水下體域網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1 所示,水下體域網(wǎng)由多個傳感器、執(zhí)行器和1 個數(shù)據(jù)綜合處理中心組成。

圖1 水下體域網(wǎng)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition diagram of underwater body area network

傳感器是水下體域網(wǎng)對人體域內(nèi)的信息采集終端,水下體域網(wǎng)利用可植入/穿戴/手持的各功能傳感器采集人體生命體征(如體溫、血壓、心率、血氧濃度等)、蛙人水下隨身裝備工作狀態(tài)(如氣瓶氣壓、照明裝備電池電量等)、工作水域水文變化(如水溫、水壓、鹽度等)等信息,并通過有線/無線(聲光通信、磁通信)連接的方式將采集的信息上傳至數(shù)據(jù)綜合處理中心。

數(shù)據(jù)綜合處理中心是水下體域網(wǎng)的中心節(jié)點,負責收集、存儲、分析和管理水下體域網(wǎng)傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)綜合處理中心具備一定的計算能力,可根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析結(jié)果做出決策,并通過有線/無線方式控制和協(xié)調(diào)水下體域網(wǎng)各執(zhí)行器終端完成響應(yīng)(如頭盔顯示、送氣調(diào)節(jié)、聲光報警及外骨骼助力等)。數(shù)據(jù)綜合處理中心集成了水聲通信終端,可以接入水下專用網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)與岸基保障中心、水下其他體域網(wǎng)絡(luò)間的信息交互。在此意義上,每個獨立的水下體域網(wǎng)也可以看成是跨介質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個復(fù)合傳感器節(jié)點。

1.2 架構(gòu)設(shè)計

如圖2 所示,水下體域網(wǎng)可以用感知層、傳輸層和應(yīng)用層3 層架構(gòu)來描述。

圖2 水下體域網(wǎng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of underwater body area network

1)感知層

感知層由蛙人水下隨身裝備中集成的各類傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成,是水下體域網(wǎng)的基礎(chǔ)。感知層傳感器采集人體生理數(shù)據(jù)和外部環(huán)境數(shù)據(jù),并通過執(zhí)行器響應(yīng)體域網(wǎng)決策。常見的感知層傳感器/執(zhí)行器可分為生命體征傳感器、裝備狀態(tài)監(jiān)測傳感器以及環(huán)境感知傳感器3 類。

生命體征傳感器/執(zhí)行器通常布放于人體體表或植入人體內(nèi)部,用于監(jiān)測蛙人水下作業(yè)時的身體狀態(tài),是蛙人水下作業(yè)的健康保障。常用的生命體征傳感器包括蛙人恒溫系統(tǒng)執(zhí)行器、呼吸頻率傳感器、心率監(jiān)測傳感器、血氧濃度傳感器以及體溫傳感器。1997 年,英國Robert 等研制出基于水肺潛水的水下心電圖超聲傳輸系統(tǒng);Garmin 公司推出HRM-Swim 和HRM-Tri 心率帶能夠獲取蛙人心律;2011 年,海軍醫(yī)學研究所研制了水下實時心率監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了蛙人心率監(jiān)測和體域內(nèi)無線傳輸[13]。

裝備狀態(tài)監(jiān)測傳感器/執(zhí)行器用于監(jiān)控蛙人生命維持裝備和輔助運動裝備的設(shè)備狀態(tài)。常見的裝備狀態(tài)監(jiān)測傳感器包括氣瓶氣壓測量傳感器、氣瓶送氣氣壓調(diào)節(jié)執(zhí)行器、電池電量監(jiān)測傳感器、蛙人外骨骼助力裝備運動傳感器和運動輔助執(zhí)行器等。

環(huán)境感知傳感器是水下體域網(wǎng)中具有鮮明特色的裝備。常見的環(huán)境感知傳感器包括聲學探測設(shè)備、指揮通信設(shè)備和導(dǎo)航定位設(shè)備等。利用環(huán)境感知傳感器可大幅擴展蛙人對水下世界的認知能力。聲學探測設(shè)備主要包括頭戴式和手持式聲吶,從成像原理可分為機械掃描式、二維多波束和三維多波束3 類。成熟設(shè)備主要有美國Ocean Marine Industies Inc 公司研制的手持雙頻識別聲吶(dual-frequency identification sonar,DIDSON);Sound Metrics 公司研制的ARIS Defender 系列手持聲吶等,如圖3 所示。

圖3 典型水下探測設(shè)備Fig.3 Typical underwater detection equipment

指揮通信設(shè)備主要通過水下語音通信或數(shù)字指令通信方式實現(xiàn)。如圖4 所示,加拿大DIVELINK公司研制的COM 系列對講機可使蛙人在3 km距離內(nèi)實現(xiàn)語音交流和信息交互;美國OTS 公司研制的SSB-210 水聲通信機有效通信距離可達1 500 m。

圖4 典型水下通信設(shè)備Fig.4 Typical underwater communication equipment

導(dǎo)航定位裝備主要為蛙人提供航向和位置信息以及航路規(guī)劃等。英國的ARTEMIS PRO 手持式導(dǎo)航定位系統(tǒng)集成了前視多波束聲吶、多普勒計程儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和聲學定位等功能。加拿大Sharkmarine 公司的DiverNavigator 手持導(dǎo)航儀集成了導(dǎo)航定位和聲吶成像功能,如圖5所示。

圖5 典型水下定位導(dǎo)航設(shè)備Fig.5 Typical underwater positioning and navigation equipment

2)傳輸層

傳輸層利用標準化的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和統(tǒng)一的通信協(xié)議實現(xiàn)感知層和應(yīng)用層間以及體域網(wǎng)內(nèi)傳感器間的信息傳遞與設(shè)備控制。

水下體域網(wǎng)采用有線/無線混合的信息傳輸手段實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互。此外,受限于工作原理,不同功能的蛙人水下隨身裝備在體積大小、使用方式、數(shù)據(jù)率傳輸?shù)确矫娌町愋院艽?導(dǎo)致無線體域網(wǎng)通信終端與傳輸層技術(shù)無法直接應(yīng)用在水下體域網(wǎng)中,因此需要設(shè)計適配水下體域網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境和需求的物理層算法和網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議,研制標準化的信息接入終端用以滿足水下體域網(wǎng)信息傳輸需求。

在通信技術(shù)方面,受限于電磁波水下傳輸快速衰減導(dǎo)致的通信距離短、穩(wěn)定性和可靠性差等問題,建議采用以太網(wǎng)、聲通信、光通信和磁通信等方式滿足不同感知層傳感器接入與系統(tǒng)應(yīng)用需求。如圖1 中體溫、呼吸頻率及心率監(jiān)測等布放在人體身上的傳感器,可采用有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞酵瓿蓚鞲衅髋c數(shù)據(jù)處理中心間的數(shù)據(jù)交互。氣瓶氣量傳感器可采用無線光通信的方式完成傳感器與數(shù)據(jù)處理中心間的數(shù)據(jù)傳輸。對于數(shù)據(jù)綜合處理中心接入跨介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)等水下專用網(wǎng)絡(luò)時,可采用聲學通信技術(shù)實現(xiàn)體域網(wǎng)與其他水下專用網(wǎng)絡(luò)的遠距離信息交互。

3)應(yīng)用層

應(yīng)用層是體域網(wǎng)的核心層,由蛙人隨身配置的數(shù)據(jù)綜合處理中心以及其他專用網(wǎng)絡(luò)信息處理設(shè)備構(gòu)成,負責匯集和分析感知層數(shù)據(jù),并根據(jù)協(xié)議通過控制執(zhí)行器對感知事件自動響應(yīng)。

應(yīng)用層在傳輸層的支持下,對獲得的來自感知層的生命體征參數(shù)和環(huán)境感知參數(shù),結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫進行分析,并將分析結(jié)果反饋到感知層控制特定的執(zhí)行器,完成規(guī)定動作或自動執(zhí)行特定的任務(wù),從而實現(xiàn)體域網(wǎng)內(nèi)感知層各傳感器節(jié)點間聯(lián)動。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題與初步解決思路

2.1 設(shè)備多樣性導(dǎo)致體域網(wǎng)系統(tǒng)集成困難

1)問題分解

受工作原理等因素影響,蛙人水下隨身裝備傳感器層各類設(shè)備在設(shè)備體積、應(yīng)用方式及數(shù)據(jù)傳輸需求等方面差異巨大。同時,現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)水下裝備缺乏統(tǒng)一標準,來自于不同廠商的設(shè)備在數(shù)據(jù)格式、交互協(xié)議及物理接口等方面存在差異,導(dǎo)致體域網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備集成困難。

2)解決思路

研制小型化、低功耗、標準化的信息傳輸終端,制定規(guī)范的水下體域網(wǎng)接入?yún)f(xié)議,是解決體域網(wǎng)系統(tǒng)集成困難的有效手段。

具體而言,在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議制定方面,需根據(jù)接入設(shè)備計算能力和網(wǎng)絡(luò)流量需求,簡化傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,設(shè)計標準化、輕量化的水下體域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議棧,解決用戶接入便捷性、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)健性以及網(wǎng)絡(luò)負載均衡性問題。

在設(shè)備研制方面,需通過研制小型化、低功耗的數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換終端,確保網(wǎng)絡(luò)接入傳感器設(shè)備與數(shù)據(jù)綜合處理中心間可實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)健交互;研制便攜式水聲通信終端,以完成體域網(wǎng)之間、體域網(wǎng)與其他水下專用網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交互。

在集成設(shè)計方面,可采用水下體域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸連線與潛水服共型設(shè)計方式,解決體域網(wǎng)傳感器層復(fù)雜連線對蛙人運動干擾問題;可采用電源集中管理方式,利用數(shù)據(jù)綜合處理中心管理供電系統(tǒng)為傳感器層設(shè)備集中供電,減小水下體域網(wǎng)設(shè)備整體體積和質(zhì)量,減輕蛙人載荷負擔。

2.2 復(fù)雜信道環(huán)境導(dǎo)致水下無線通信不可靠

1)問題分解

傳輸可靠性問題是影響水下體域網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的核心問題。當體域網(wǎng)需要與其他體域網(wǎng)、水下專用網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互時,有線數(shù)據(jù)傳輸方式會極大限制蛙人水下作業(yè)范圍和效率,因此只能通過水聲通信手段解決網(wǎng)絡(luò)間的信息傳輸問題。

受聲波水下傳播速度慢、信號能量衰減快、蛙人水下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等綜合因素影響,水聲鏈路通信質(zhì)量起伏明顯[14],同時水聲鏈路的開放性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容易受到來自外部的噪聲干擾和網(wǎng)絡(luò)攻擊,給蛙人水下作業(yè)帶來嚴重的安全隱患。

2)解決思路

設(shè)計具備環(huán)境認知能力的水聲通信技術(shù)是解決無線傳輸鏈路通信質(zhì)量起伏的有效手段,數(shù)據(jù)綜合處理中心通過集成環(huán)境認知技術(shù),實時監(jiān)控信道環(huán)境變化,并根據(jù)信道狀態(tài)變化,調(diào)節(jié)通信數(shù)據(jù)率、信號發(fā)送功率等通信參數(shù),在保障通信穩(wěn)健性的同時,降低水下體域網(wǎng)能耗開銷。

采用抗干擾能力強的物理層通信方案結(jié)合數(shù)據(jù)重傳機制是解決環(huán)境噪聲對水下體域網(wǎng)干擾的有效手段。體域網(wǎng)外部環(huán)境噪聲干擾來源包括地動、冰裂、海洋生物叫聲及水下其他聲吶主動脈沖等,該類干擾持續(xù)時間短、出現(xiàn)頻率低,但噪聲突發(fā)性強、脈沖能量強,對聲通信信號破壞性較大。針對環(huán)境噪聲干擾問題,可采用抗脈沖干擾能力強的擴頻、跳頻等通信體制提升通信鏈路的可靠性,采用選擇性重傳技術(shù)解決由于噪聲干擾等因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸丟失問題。

數(shù)據(jù)加密技術(shù)是對抗體域網(wǎng)受外部攻擊風險的有效手段。水下體域網(wǎng)是一個局部開放性的信息網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中的各傳感器容易受到外部利用水聲鏈路對其實施的攻擊,導(dǎo)致水下體域網(wǎng)中數(shù)據(jù)的機密性和完整性無法得到保證[15]。針對數(shù)據(jù)安全問題,可采用輕量化的數(shù)據(jù)安全性加密機制[16],設(shè)計跨層的安全協(xié)議[16],在保障水下體域網(wǎng)信息安全的同時,降低安全校驗算法復(fù)雜度,減少由于復(fù)雜加密算法導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能耗大的問題。

2.3 分布式設(shè)計導(dǎo)致水下體域網(wǎng)信息冗余和計算性能受限

1)問題分解

傳感器層各設(shè)備為了保證其自身功能完整性和設(shè)備獨立性,集成了其所必需的所有傳感器用以采集外部信息。水下體域網(wǎng)在集成這些設(shè)備后,體系中會存在復(fù)數(shù)個功能相同、性能相近的傳感器設(shè)備,導(dǎo)致大量重復(fù)的信息被系統(tǒng)采集和處理,增加網(wǎng)絡(luò)能源消耗;同時,為平衡計算需求和能源消耗,傳感器層設(shè)備選擇的芯片性能也受到限制,影響了水下體域網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自動信息處理和智能化應(yīng)用管理能力的進一步提升。

2)解決思路

利用數(shù)據(jù)處理中心對傳感器層設(shè)備進行集中化管理,是解決體系設(shè)備冗余和信息處理能力受限的有效手段。數(shù)據(jù)處理中心通過傳輸層協(xié)議控制感知層各設(shè)備集成的傳感器工作狀態(tài),以避免信息重復(fù)采集,降低網(wǎng)絡(luò)功耗;通過構(gòu)建信息分布采集、集中計算的水下體域網(wǎng)信息處理架構(gòu),以水下體域網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心強大的處理和存儲能力作為支撐,完成對感知層設(shè)備采集數(shù)據(jù)的實時處理、分析及挖掘,從而迅速、準確、智能地控制傳感層執(zhí)行器響應(yīng),提升水下體域網(wǎng)效率。

當數(shù)據(jù)綜合處理中心接入水下專用網(wǎng)絡(luò)后,還可以獲得專用網(wǎng)絡(luò)中信息處理終端的計算支持,進一步提升水下體域網(wǎng)自動信息處理和智能應(yīng)用管理水平。

3 結(jié)束語

水下體域網(wǎng)作為一種以蛙人穿戴和攜帶設(shè)備為對象的專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),具有廣泛的應(yīng)用前景。受水下無線信號傳輸衰減快速等因素影響,現(xiàn)有的體域網(wǎng)技術(shù)無法直接應(yīng)用在蛙人水下裝備體系中。多樣的裝備形態(tài)、復(fù)雜的環(huán)境噪聲干擾等因素為水下體域網(wǎng)設(shè)計者帶來了巨大的挑戰(zhàn)。文中探討了水下體域網(wǎng)的分層系統(tǒng)架構(gòu),針對水下體域網(wǎng)應(yīng)用所面臨的實際困難,重點分析了水下體域網(wǎng)設(shè)計過程中所面臨的網(wǎng)絡(luò)標準化設(shè)計、信息穩(wěn)健傳輸?shù)葻狳c問題,并針對性給出了解決思路,旨在為水下體域網(wǎng)的研究工作提供參考。