一種水下信息網絡教學實驗系統設計

王 彪，曾慶軍

(江蘇科技大學電信學院，江蘇鎮江21203)

0 引言

海洋環境立體監測技術是未來海洋技術中的最要技術之一。水聲傳感器網絡綜合了水聲技術、水聲通信技術及無線傳感器網絡技術，由布放在水下的傳感器和航行器，通過聲學鏈接進行組網，可以執行一系列水下任務。通過將水聲傳感器網絡與陸上無線網絡相結合，可以形成一個水下與陸上全方位的立體式監測信息網絡［1-2]。本文通過一種水下信息網絡教學演示實驗系統設計方案，為相關專業實驗室建設提供參考。也能為水聲傳感器網絡等研究方向提供必要的科研實驗平臺。

該教學實驗系統主要分為水下與陸上兩部分，水下部分在所提出通信協議的基礎上組建一個由三個節點組成的演示傳感器網絡，陸上部分通過水面網關節點實現水下信息與陸上控制系統的互聯。

1 水聲無線傳輸特點分析

電磁波在水下衰減迅速，傳輸距離非常近。例如，在1-8kbits/s數據率下，122kHz載波可以傳播的距離僅為6-10m。通常，水下無線通信多采用聲載波方式。然而水下聲信道特性比較復雜，其難度較大，主要表現在如下幾個方面［3-5]。

(1)傳播損失大—聲信號在水下傳播時受到海水吸收和散射的作用，導致其信號能量衰減很大;而且聲信號的傳播損失隨著頻率的增加也會增大。同時，在遠距離傳播過程中，依賴于頻率的衰減會抑制某些傳播模態。

(2)傳播延時大—由于聲波在水中的傳輸速度只有0.67s/km，聲信號在水下傳輸具有很大的延時，會顯著減少系統吞吐量。

(3)可用帶寬有限—水下通信使用聲波頻率低于100kHz，使其帶寬遠低于無線電通信帶寬。

(4)多途起伏嚴重—由于水下傳播信道和聲速變化的影響，信號幅度和相位的起伏大，導致相當嚴重的碼間串擾現象。

(5)多普勒效應嚴重—當收發傳感器節點之間存在相對運動時，會導致較大多普勒頻偏。

(6)環境噪聲級高—由于受水下信道復雜多變的影響，環境噪聲影響水聲通信的性能。

由于水聲傳感器網絡所涉及技術與陸上無線傳感器網絡不同，陸上通信技術與協議不能直接應用于水下網絡，需要對相關技術和協議進行必要的修改。所以，對于水下信息網絡教學實驗系統的設計要充分考慮到水聲信道的特殊性和對通信技術和協議所帶來的影響。

2 實驗系統總體結構概述

我們基于無線傳輸的水下信息網絡教學實驗平臺，利用水聲通信技術及傳感器網絡技術，設計并搭建一個小型的水下信息通信網絡。

整個實驗系統由聲信號的產生、傳輸、采集、處理及獲取等部分組成，能夠實現水下信息與陸上處理系統的無線接入功能，如圖1所示。水下部分主要由水下通信節點組成，負責水下聲信息的產生、發送與傳輸，依據水下網絡通信協議設計，水下節點能夠自組織組網;水面部分主要由浮標網關節點與計算機終端組成，浮標節點負責信息的承上啟下，終端負責信息的收集以及整個網絡的控制。浮標網關節點與終端的接入考慮到通信實驗具體內容，涵蓋了有線傳輸與無線傳輸兩個部分，以便于學生對不同通信方式的理解和實驗。根據實際實驗的規模，水面網關節點可以選用一個，也可以同時布放多個。考慮到實驗系統陸上節點能夠按需要擴張，陸上部分采用基于無線網絡協議組成一個小型的無線網絡與終端進行信息共享。

圖1 水下信息網絡教學實驗平臺系統

3 實驗系統設計

3.1 水下實驗節點設計

浮標網關節點和水下節點是組成實驗系統的主要節點。浮標網關節點的設計上要綜合考慮水下與水上兩個部分。對于水下節點的設計，最為主要的就是水下節點之間的無線通信方式與自組織的組網功能兩大模塊。故按功能劃分可以將節點功能劃分為供電模塊、通信模塊、傳感器外設接口模塊、處理模塊四部分圖2所示。然而對于浮標節點，除過具有水下節點功能外，同時負責與水下和水面網絡通信及控制的功能。

圖2 水下通信節點模塊示意圖

3.2 水下網絡通信協議設計

鑒于實驗系統功能簡單，故水下網絡通信協議僅考慮了三層:物理層、數據鏈路層和網絡層。如圖3所示。該協議是在借鑒802.15.4協議的適合于水下網絡實驗平臺的通信協議。

3.3 物理層通信技術

水下網絡的數據通信采用聲載波通信，采用QPSK調制方式，在發送信息前加入如圖4所示的信號同步頭，以提高檢測通信信號的概率。考慮到水聲信道多徑干擾強烈和多普勒頻移大，并且具有時變性等特點，在接收端采用自適應均衡技術來消除信道對信號的影響，減小碼間串擾。本系統設計采用遞歸最小二乘算法(RLS)實現自適應均衡［6]，如圖5所示。

圖3 水下節點通信協議

圖4 水下通信信號

圖5 匹配濾波結果

3.4 數據鏈路層協議設計

數據鏈路層協議主要分為兩部分，一是負責水下傳感器節點多址接入，另一方面是實現無差錯傳輸。對于多址接入技術，我們采用競爭型CSMA/CA協議。它的實現是基于RTS/CTS/DATA/ACK及分布式協調的靜默及退避方式實現發送與接收功能。當接收到其他節點的信息會導致節點的靜默，當接收到發往自身的錯誤分組則會引起退避。對于無差錯傳輸，本系統設計采用卷積糾錯碼及交織技術來保證數據的可靠性。

3.5 陸上無線通信網絡設計

水面以上的網絡通信部分采用基于Zigbee協議的網絡設計，Zigbee支持星形網、對等網和混合網三種網絡拓撲結構［7-8]。由于星形網絡搭建簡單，易于維護等優點，所以在實驗系統采用星形結構。這種網絡易于提供網絡配置，能夠根據實驗的要求增加和減少實驗節點的數目。實驗網絡浮標節點通過帶有Zigbee模塊和中心計算機終端構成一個簡單的星形網絡，終端節點主要負責與浮標節點之間的數據通信。中心節點則負責對各個浮標節點的管理和數據的顯示，實現水下與水上數據交換。

3.6 應用界面設計

應用層界面設計主要是為實驗平臺提供人機交互功能，方便學生對整個實驗系統進行管理與配置。整個軟件系統按照功能可劃分為兩部分:實驗通信配置和數據、狀態顯示。實驗通信配置(圖6)設置整個水下信息網絡中所涉及的與通信配置相關的參數。數據顯示模塊(圖7)對水下信息網絡實驗過程中的數據及網絡狀態進行顯示。

依據上述兩個功能，所開發軟件界面如圖8所示。控制部分通過四個菜單完成，界面顯示部分分為左右兩部分，分別顯示通信實驗內容和水下信息網絡節點狀態。該實驗系統能夠完成水下信息網絡的數據通信與傳輸演示實驗，同時能夠模擬海洋立體監測網絡系統，為相關課程提供一個綜合的演示網絡平臺。

圖6 配置模塊功能

圖7 數據顯示模塊功能

圖8 應用程序界面圖

4 結語

本文將水聲通信網和陸上無線傳感器網絡相結合，構建了一個立體式的水下信息網絡綜合教學實驗平臺。該平臺采用水聲無線通信技術，采用了適用于水聲網絡的通信協議。通過對網關節點的設計與陸上Zigbee網絡實現互連，為相關專業學生提供了一個綜合的實驗平臺。同時，以此平臺為基礎，對平臺通過修改和擴展，可以用于很多實際的應用場合。

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