一種干擾條件下的水底監測層網絡體系結構

陳秋麗，何明，鄭君杰，陳希亮，王立輝

CHEN Qiuli1,HE Ming1,ZHENG Junjie2,CHEN Xiliang1,WANG Lihui3

1.解放軍理工大學指揮信息系統學院，南京210007

2.解放軍理工大學氣象海洋學院，南京210010

3.東南大學儀器科學與工程學院，南京210096

1.College of Command Information Systems,PLA Science and Technology University,Nanjing 210007,China

2.College of Marine Meteorological,PLA Science and Technology University,Nanjing 210010,China

3.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China

1 引言

海洋資源的開發與利用，日益受到世界各國的重視。潛艇的出現、戰略核潛艇作為威懾力量的發展，更增加了海水介質中信息傳遞的重要性。為了進一步提高人們對海洋環境的認識，水聲傳感器網絡的設計和分析越來越受到人們的關注[1]。馬航海上搜尋、軍事海域爭端、海洋資源爭奪等一系列問題都指出研究水聲傳感器網絡對解決海洋監測問題和提高國家海防水平具有十分重要的意義。

水聲調制解調技術與傳感網絡理論模型研究的深入，使得水聲傳感器網絡的應用得到進一步推廣。由于水聲傳感器網絡系統應用的特殊性，根據各類節點的位置及功能的不同，整體可分為水底監測層、水中監測層和水面監測層[2]。文獻[3]提出了可以提供低誤碼率通信的樹狀層次結構，但沒有討論層次之間的通信干擾問題。文獻[4]采用自頂向下的方法探究了大型移動水聲傳感器網絡設計上的挑戰，詳細分析了水聲移動傳感器網絡每一層的架構，但其對層次之間的通信抗干擾方法闡述過少。文獻[5]提出了一種水聲傳感器網絡安全架構模型，但其對如何解決傳感器數據交互干擾等安全問題沒有給出具體方案。文獻[6]以典型的傳感器節點為例，討論了主要的節能方向，但尚未解決數據通信等技術問題。文獻[7]討論了水聲傳播如何影響水聲傳感器網絡不同層次之間的通信性能，剖析了水聲傳感器網絡面臨的挑戰。

可見，提升水聲傳感網絡的通信能力，維護網絡協議順利運行，確保網絡整體效能，急需設計適應多種水下干擾環境的水聲傳感網絡體系結構。然而，水底監測層為整個水聲傳感器網絡提供信息支持，地位十分重要。尤其是水底監測層的節點大多被布設在水下，帶寬的距離限制、物理電路的質量約束，以及節點部署是否合理等相關問題，都對水聲傳感器網絡的性能提出了挑戰。

針對水底監測層的特殊性，本文設計了一種干擾條件下確保網絡通信性能的分層體系結構。從邏輯分層的角度將底部安裝的傳感器和集電極視為運行在不同層。由于集電極層的節點數量大大小于傳感器層的節點數量，通過分析不同節點間距之間通信頻率與信噪比的關系，可分別求得傳感器層與集電極層的最優工作頻率，使其分別采用不同的通信頻率進行同層之間的交互。由于信息傳輸頻率和接收頻率可以不同，設置集電極層的接收頻率為傳感器層的最優工作頻率，集電極層在收到傳感器層發來的消息后，采用本層最優工作頻率將信息交付給上層。該方法可有效減少兩個層次之間的通信干擾，仿真實驗也驗證了該方法的可行性。

2 相關工作

距離為l、信號頻率為f的路徑損耗，計算公式如下[1]：

a(f)為吸收率；k為傳播因子。實際情況下，k=1.5。吸收率通過經驗獲得，a(f)單位為dB/km，f單位為kHz，得到公式（2）：

海洋環境噪聲來源于洋流、海運、波浪和熱噪聲。利用高斯統計和功率譜密度（PSD）可描述各類環境下的噪聲來源。上述4個噪聲來源的功率譜密度如公式（3）所示：

其中，s為海運活動因子，0≤s≤1，ω為風速（m/s）。故環境噪聲的整體功率譜密度為：

采用S(f)表示發射信號的功率譜密度，則根據衰減A(l，f)和噪聲功率譜密度N(f)[1]，可得到距離為l情況下的信噪比，窄帶信噪比SNR計算公式如下：

由公式（5）可以看出，對于每個傳輸距離l都存在一個頻率f0(l)使得窄帶SNR最大。因此本文考慮在干擾情況下，選擇合適的工作頻率，確保窄帶SNR最大。圖1展示了最優工作頻率f0(l)與距離l的關系，觀察可得，隨著距離l的增大，為獲得最大窄帶SNR，最優工作頻率f0(l)的取值越小。

圖1 距離l不同時，信噪比與頻率的關系

3 體系結構設計

3.1 水聲傳感器網絡三層體系結構

水聲傳感器網絡按功能劃分如圖2所示[2]。

圖2 水聲傳感器網絡三層體系結構

（1）水底監測層：該層中的傳感器節點主要布設在水底，包括普通傳感器節點和集電極節點，主要利用聲通信的方式將信息發送給上層系統。

（2）水中監測層：該層中的傳感器主要懸浮在水中，包括不能自主移動錨定傳感器和自組織航行器，它們將從水底層接收的信息和自身搜集到的信息傳送給上層系統。

（3）水面監測層：該層中的傳感器主要由水面上的無線傳感器節點構成，包括用于感知水面二維平面內信息的普通感知節點，以及將搜集的監測信息進行匯集的匯聚節點。監測信息最終由匯聚節點通過船舶、衛星或近岸基站傳送給用戶。

3.2 干擾條件下的水底監測層體系結構

本文所提出的體系結構主要針對的是水底監測層中的節點。如圖3所示，將該層中的節點分為傳感器層和集電極層，利用通信理論方法分析網絡性能，分別找到傳感器層和集電極層的最優工作頻率，在避免交叉干擾的前提下保證網絡暢通。

圖3 水底監測層分層體系結構示意圖

底部安裝的傳感器構成水底監測層的第一層，每個單元中的傳感器經過多跳將信息轉寄給單元中心的集電極站。這些集電極站構成水底監測層體系結構的第二層。同時，集電極站將相關信息也利用多跳轉寄給本層的中心集電極。由于傳感器間的距離遠短于集電極間的距離，故根據水聲傳感器網絡的頻率-距離的相關性（圖1所示），傳感器到傳感器之間的傳輸使用更高的工作頻率。頻域中的正交性保證了傳感器到傳感器傳輸不會給集電極到集電極之間的傳輸產生干擾，反之亦然。

3.2.1 集電極網絡結構

由于集電極安裝在網絡底部，且均勻分布。假定網絡區域為半徑為r的圓，給定集電極數量為K，網絡區域A，則水底監測層中集電極的密度為：

對于均勻分布的集電極，它們之間的距離為：

其中，c是依賴于節點配置的常量，一般取值為1。

3.2.2 傳感器網絡結構

假定網絡中均勻分布N個傳感器。由于有K個集電極，所以每個集電極擁有N集=N/K個傳感器。每個集電極的覆蓋區域（單元）為A集。因此，傳感器密度為：

4 仿真與實驗

假定測試區域為A=5 000 km2的圓形網絡，衰減模型由方程（1）給出，忽略網絡的固定損耗。假定每個節點的傳輸信道均具有衰減。傳播因子為k=1.5，噪聲活動因子為s=0.5。為了方便討論，假設海域較為平靜，設定風速為ω=0 m/s，幀大小為L=100 bit。均勻部署5 000個傳感器和150個集電極在區域A上。

圖4表明了集電極、傳感器最優工作頻率與節點密度的關系。觀察發現，集電極層的最優工作頻率與傳感器層的最優工作頻率相差很大。圖4中集電極數為K=150時，節點密度為150/5 000=0.03。它的工作頻率為fo(l集)=27.5 kHz。由于每個集電極單元的傳感器數為N傳=33，節點密度為33/50=0.66。則傳感器的工作頻率為fo(l傳)=100 kHz。因此，當傳感器以100 kHz傳送信息，集電極以100 kHz接收信息，27.5 kHz傳輸信息時，存在一個適當的頻率分隔來保證水下分層傳感網絡的正常運行，使其免受集電極層和傳感器層的交叉干擾。

圖4 集電極層、傳感器層最優工作頻率選擇示意圖

5 結束語

本文研究分析了存在干擾情況下的水聲傳感器網絡的通信理論，為水底監測層設計了新的節點部署體系結構。研究發現，通過選擇合適的工作頻率可確保水底監測層為水中、水面監測層提供更加可靠的信息，有效避免不同層之間信息傳遞的交叉干擾，提升了水聲傳感網絡的自身性能。本文通過仿真實驗驗證了上述分析的正確性，下一步則將針對具體網絡，提供合理的工作頻率以確保網絡連通，解決實際應用問題。

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