一種基于測距定位的多維水下可見光通信傳感網

項彤+黃鴻基+周行洲+張雨+吳浩

摘 要：本文提出了一種基于測距定位的多維水下可見光通信傳感網。該系統包括：錨節點、網絡接入模塊、網絡信號處理模塊、可見光通信收發一體機A和B、電信號處理模塊、本地處理和顯示模塊、云端服務器模塊以及數據庫。網絡信號接入后經模數轉換加載到藍光LED上，通過可見光信道到接收端，再經光電轉換器加載到信號處理芯片，終端識別后以同樣方式傳送給網絡。同時，云端服務器模塊將本地處理和顯示模塊分析的誤比特率、經測距算法得出的水下位置信息等實時上傳至數據庫。系統通過信道變化引起相應參數變化來實現傳感。此外，節點構成多維傳感網，可實現可靠的水下數據傳輸，并通過節點掌握水下位置信息，可實現精確定位，且魯棒性較好。

關鍵詞：通信；多維傳感網；定位算法

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A

0.引言

可見光通信（Visible Light Communications， VLC）是基于發光二極管（Light Emitting Diode，LED）等技術上發展起來的一種新型、短距離、高速的無線通信技術。全雙工通信是在通信設備的上行鏈路和下行鏈路同時進行數據和信令的傳輸。

目前，國內外也已經開展了無線光通信技術的相關研究。2015年11月，愛沙尼亞Velmenni公司在塔林演示了一種Li-Fi原型燈泡，其數據傳輸速度可以達到1Gbps；在實驗室特定條件下，記錄的Li-Fi燈泡的數據傳輸速率達到224Gbps。2016年12月的Globecom會議上，Ki-Hong Park 等分析了室內可見光MIMO系統的可靠性。2017年，Yahya Mohammed Al-Moliki的研究組研究了室內可見光通信的物理層安全策略。同年2月，孫洪偉等提出了實現智能手機可見光定位功能的方案。同時，中國科學院的丁昆等開發了一款便攜式光天線設備。但據我們所知，國內外尚未出現與多維傳感網可見光通信系統的研究。

基于可見光通信系統，結合多維傳感和定位技術，我們提出了一種全雙工通信系統。與之前的通信系統相比，本系統可實現更高的定位精度，同時提高頻譜利用率。

1.基本模型

首先，在信道環境良好的情況下，構建可以進行數據傳輸的可見光通信系統；然后，在信道環境遭到破壞時，觀察網絡信號的通斷，從而實現傳感功能。

具體地，本文所述的智能可見光通信系統如圖1所示，包括網絡接入模塊、網絡信號處理模塊、可見光通信收發一體機A和B、電信號處理模塊、本地處理和顯示模塊、云端服務器模塊以及封裝相關部件。網絡接入模塊將網絡信號接入到本系統；網絡信號處理模塊負責將網絡信號進行處理，轉換成數字信號；可見光發射機進行電光轉換，將數字電信號轉換成可見光信號，然后光強信號通過發光二極管（Light-Emitting diode， LED）發射出去；可見光信道為無線信道。在信道良好的自由空間環境下，信道增益h可以表示為

云端服務器模塊用來將誤比特率等結果實時上傳到云端服務器模塊，便于存儲和實時訪問。在信道環境良好的情況下，根據上述構建的可見光通信系統，可以在式（4）所示誤比特率條件下，進行可靠的數據傳輸。

2.多維傳感定位算法

多維傳感網的精確定位是一個很重要的研究領域。如圖2所示，在多維水下傳感網中，定義一個所述系統為一個節點，在布防水域內投放多個節點。當水下可見光信道發生變化時，相應指標參數會發生明顯的變化，如誤比特率升高，網速下降。每個節點獲取的信息經本地處理和顯示模塊分析后會實時傳送到數據庫及云端服務器模塊，以實現對布防水域的偵查與監控。

監測水域內的節點分為信標節點、錨節點和未知節點這3種，整個定位過程分為兩部分：錨節點定位和未知節點定位。定義每個節點的定位周期為T1。信標節點需部署四個以上且配備GPS，通過聲波信號與錨節點直接聯系。錨節點收集至少3個以上信標節點位置信息，利用三邊測量法來計算錨節點的位置信息。其未知節點的定位算法基本步驟如下：

（1）定義未知節點只和它本地的一跳鄰居節點進行聯系，通過和錨節點的本地消息傳遞來進行自我定位。

（2）計算未知節點與錨節點的最小跳數。錨節點通過信標節點得到自己的位置信息后，廣播其分組信息。跳數字段初始化為0，逐跳加1。廣播過程中，錨節點也要記錄自己到其他錨節點的最小跳數，未知節點記錄到每個錨節點的最小跳數，若收到來自同一節點的相同數據包或跳數字段較大的數據包，則舍棄。

（3）計算未知節點到錨節點的距離。先計算錨節點的平均每跳距離D，每個錨節點將得到的D廣播分組給整個網絡。未知節點利用得到的D乘以未知節點j到錨節點i的跳數Nij即可得到未知節點j到錨節點i的距離Dij：

3.實驗和仿真

我們定義100個節點隨機分布在100*100m的范圍，其中錨節點的占比可調，所有節點在R=50m的范圍內可實現通信。為了消除結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，設定錨節點比例為30%，使節點總數從60變化到150再次進行仿真，測試在錨節點比例一定的情況下節點總數改變對該算法定位性能的影響。從圖5可以看出，隨著節點總數的增加，歸一化定位誤差逐漸降低。進一步觀察可以發現，當節點總數達到80時曲線趨于平緩，即本算法的性能趨于穩定。本算法的定位誤差比傳統的水下傳感網定位算法降低了4.3%～11.2%左右。從圖3可以看出，本算法各個節點誤差分布較為均勻，即本算法公平性和均衡性較好。

結論

在本文中，我們提出了一種基于測距定位的多維水下可見光通信傳感網。與現有技術相比，它采用藍綠光光源進行通信，具備水下藍綠激光通信高速、大容量數據傳輸的優點，彌補了水聲通信速率慢、時延大的不足。同時，該系統將可見光通信技術與傳感器技術相結合，實時采集水下目標位置信息，實現對布防水域的實時監控。與之前的研究相比，本系統現有的定位算法具有較高的定位精度，且魯棒性較好。

參考文獻

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