跨介質水聲網絡試驗平臺設計與試驗

鄭思遠, 李 斌, 曹秀嶺, 陳友淦, 童 峰

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跨介質水聲網絡試驗平臺設計與試驗

鄭思遠, 李 斌, 曹秀嶺, 陳友淦, 童 峰

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

由于進行真實的水下網絡系統試驗較為困難, 近年來提出的眾多專門針對水聲網絡的媒體接入控制(MAC)協議和路由協議大多只有仿真結果。為了便于在真實的水下環境中對通信性能、網絡協議等研究進行評估分析, 以海洋環境立體監測中網絡化環境參數獲取作為應用背景, 設計并構建了一個跨介質水聲網絡試驗平臺, 實現了水下網絡和岸上控制中心的連接, 介紹了水聲網絡平臺技術方案及軟硬件實現, 并進行了試驗平臺的湖試試驗, 試驗結果表明了該平臺進行跨介質水聲網絡性能評估、測試的有效性。

水聲網絡; 試驗平臺; 跨介質; 媒體接入控制協議; 路由協議

0 引言

地球表面大約70%的面積為海洋所覆蓋, 有效地開發海洋資源具有很高的經濟和戰略意義。水聲網絡可用于海洋資源勘探、水污染監測、海洋數據收集、海洋地震監測、海冰監測和海洋軍事等, 具有高精度、實時、持續的特點, 引起了普遍的關注[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, 導致基于傳統陸地的網絡協議對于水下網絡不適用或效率低下, 因此水聲網絡需要研究新的通信協議。而建立真實的水下網絡系統并展開試驗存在較大的困難, 因此目前大部分水聲網絡研究是基于理論分析和仿真試驗的, 然而, 動態的水下環境和復雜的通信系統并不能簡單地通過仿真系統模擬反映, 需要建立一個真實的水聲網絡來進行試驗。同時, 水下傳感器網絡的發展迫切需要建立水下信息節點與船載、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、華盛頓大學、加州大學洛杉磯分校及德州農工大學聯合承擔開發的Ocean-TUNE(ocean testbed for underwater wireless networks)[4]項目, 就是為了提供一個水下無線網絡的試驗平臺, 以促進水下網絡與通信技術的發展。

目前報道最多、試驗水平最高的水聲通信網絡是美國的海網(Seaweb)[5]。自1998年開始, Seaweb經過多年的試驗, 研發了4代無線/水聲通信網關浮標系統, 用于將水下傳感網絡通過無線通信方式與其他網絡互聯互通, 在遠海觀測網、港口近岸的水下偵察網絡等應用中展示了良好的應用效果和技術先進性。

國內在水聲通信網絡技術方面總體處于緊密跟蹤階段, 進行了網絡體系結構、組網協議和組網試驗等工作。中國船舶重工業集團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個節點進行通信試驗來驗證節點所使用的物理層、媒體接入控制層和網絡層協議的性能。

海洋環境監測網絡[7]一般結合了岸站監測中心、衛星遙感和海洋浮標等監測手段于一體, 將各種傳感器、浮標等無線監測節點部署在實際檢測海域, 各個節點負責獲取所在區域各種海洋環境參數信息, 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議逐點上報到匯聚節點[9]。文中以這類網絡負載較低的海洋環境立體化監測中網絡化環境參數獲取作為應用背景, 設計并構建了一個跨介質水聲網絡試驗平臺。基于該試驗平臺進行了一系列試驗, 并給出了網絡的湖試試驗結果和分析。

1 網絡設計

構建的跨介質水聲網絡試驗平臺主要由普通節點, 匯聚節點(網關)以及岸基控制節點組成, 如圖1所示。

普通節點負責收集和存儲水下信息, 并將其通過水聲信道發送給匯聚節點。同時, 普通節點也可用于中繼其他節點的數據或指令。

匯聚節點(網關)是指把水下通信網絡與常規通信網絡相連的中轉樞紐節點。它設置于浮標, 其中水下部分是聲學調制解調器, 水面部分是無線電調制解調器, 實現水聲-無線跨介質轉換節點的功能。

岸基控制節點通過無線通信接收水聲網絡各項試驗數據, 可進行不同技術方案下通信性能、網絡協議的性能評估與分析。

1.1 節點硬件設計

水聲網絡的水聲通信物理層采用廈門大學水聲通信與海洋信息技術教育部重點試驗室開發的AMLink水聲調制解調器[10-11], 其設計的硬件平臺結構如圖2所示。

圖2 水聲網絡節點硬件平臺結構圖

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

節點采用高性能浮點微處理器作為物理層和上層網絡協議實現的核心處理器, 并可通過串口將接收的數據傳給上位機。網絡物理層調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, 有利于提高監測網絡的覆蓋范圍及通信可靠性, 物理層參數如表1所示。

表1 網絡物理層參數

水下網絡中的所有節點都具有信息的收發功能, 可以認為匯聚節點的功能是在普通節點的基礎上進行擴展實現的。通過串口連接無線模塊或使用延長線纜, 可將普通節點變為匯聚節點。

1.2 軟件協議設計

以測試避免沖突的多路訪問(multiple access with collision avoidance, MACA)協議為例, 它在有數據發送需求時需要先發送短包(request to send, RTS)預約信道, 收到目的節點的反饋(clear to send, CTS)之后才能進行數據發送。對比于實現簡單的ALOHA協議, MACA協議可以避免長數據包的碰撞, 解決隱藏終端和暴露終端這一問題。雖然MACA協議因為預約信道機制有較高的延遲, 但是考慮到應用背景水聲網絡負載較低, 且對實時性要求不高, 因此采用MACA協議。同時考慮到水下信道的不穩定和碰撞導致節點無法正確接收到數據, 需要接收到數據包的節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的沖突。系統預先設置了短包和長包2種類型的數據包。其中短包的發送時間大約為4 s, 長包的發送時間約為8 s。

對于路由協議, 常見路由協議主要分為先驗式路由協議和反應式路由協議。反應式路由在有數據發送時需臨時建立路由, 并以洪泛的方式臨時建立路由, 但在洪泛階段會產生巨大的消耗。以先驗式路由為例: 系統采用預先存好路由信息的先驗式路由, 這樣可降低系統實現復雜度以及數據傳輸的延遲。

2 試驗結果與分析

依照上述設計, 在新安江進行了試驗平臺的跨介質水聲網絡試驗。試驗水域深度21 m左右, 節點間距為50~100 m。跨介質網關節點設置于浮標上, 控制中心設置在躉船上。由于網關節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個節點。

試驗水聲網絡共有5個節點, 包括1個網關節點和4個普通傳感器節點。試驗場景拓撲結構如圖3所示, 圖中標號分別是試驗中節點所在位置, 箭頭方向代表著節點傳遞數據的方向。

節點1為網關節點, 負責以水聲網絡收集其余節點傳輸來的數據并通過無線方式跨介質傳輸至控制節點以進行性能分析評估; 節點2~5為傳感器節點, 負責產生數據、發送數據和轉發其余節點的數據。

由于距離較近, 網絡中所有水下節點都可以接收到彼此的信號, 因此通過路由設置, 讓節點3和節點4通過節點2向節點1發送數據, 節點5可以直接向節點1傳遞數據。節點1不產生數據, 其余節點按泊松分布平均240 s產生1個數據包, 每個數據包包含192 bit數據。網絡運行時間為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點成功傳輸數據包個數、成功接收數據包個數和丟包個數。可以看出, 碰撞導致的丟包數量相比成功傳遞的數據包數量來說還是很少, 大多數數據包都能準確傳遞到網關節點, 證明了整個跨介質水聲網絡工作正常。由于節點3、4、5不負責數據轉發, 因此其接收數據包的個數為0; 而網關節點1只進行數據的收集, 不產生數據包, 因此其發送數據包個數為0。

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

3 結束語

以一類網絡負載較低的海洋環境立體監測中網絡化環境參數獲取作為應用背景, 設計并構建了一個跨介質水聲網絡試驗平臺。網絡采用了MACA協議和簡單的固定路由, 對于吞吐量的結果分析表明了大多數數據包都能被準確地傳遞到網關節點, 因此適用于網絡負載較低的海洋環境監測網絡等應用背景, 湖試結果表明了該試驗平臺進行跨介質水聲網絡性能評估、測試的有效性。

但同時注意到, 相比于長包(發送時間為8 s), 短包(發送時間為4 s)的發送時間過長, 這是因為同步頭具有一定長度; 另一方面, 為了確保網絡正常運行, 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] 吳學智, 靳煜, 何如龍.水聲網絡及其軍事應用研究[J].電聲技術, 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.

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[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絡.

鄭思遠,李斌,曹秀嶺,等.跨介質水聲網絡試驗平臺設計與試驗[J].水下無人系統學報,2018,26(6):618-622.

(責任編輯: 陳 曦)