平面声基阵组网v7.docx
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平面声基阵组网v7
多（6）平台低功耗水下通信和组网的技术方案报告
1.课题主要研究内容
针对水下通信的应用挑战和约束条件，课题将针对低功耗水下通信与组网的关键技术问题开展研究，重点研究水下网络结构模型与拓扑控制技术、组网阵型与拓扑发现、数据上传节点选择、水下网络协议。
在此基础上，研究设计水下通信系统，构建试验网络，并开展相关试验工作。
具体研究内容如下：
（1）水下网络组网阵型与拓扑控制技术
在水下网络应用中可以有多种形式：
从应用时间方面，分为中长期网络和短期网络；在移动性方面，有非机动网络，以及机动执行器与非机动节点组成的混合网络。
不同的网路应用，其网络结构和实施方法会存在较大差异，因此需要研究水下网络结构模型，以满足应用需要。
另外水下网络是一个异质网络，并具有其特别之处，表现在：
第一，即使各个传感器节点的装备和发射功率相同，由于水下声通信的特点，由于发射角度、所处水深以及水流状况不同，其通信距离差异会很大；第二，水下节点具有机动特点，其机动性会导致网络连接的变动；第三，水下节点在执行局部数据收集等任务时，局部网络需要根据任务进行拓扑调节。
为了维护全局拓扑图的连接特性，对代表通信链路的拓扑图进行控制，使得网络能耗最小，因此需要研究拓扑自动发现和控制技术。
本课题重点针对水下传感器网络的应用环境与特点进行研究，以能耗、实时性、数据传输可靠性作为主要约束条件，研究提出应用配置方案，设计优化的组网阵型。
并针对水下异质网络特点，研究异质网络的动态拓扑发现和控制技术，以改善拓扑图的联通性，服务于局部数据收集等任务要求的网络拓扑调节，并使网络拓扑优化算法得以实现。
（2）水下网络MAC和路由协议
在水下网络采用声信道进行通信，具有许多陆地无线网络不具备的特点，如低带宽、高延迟、动态性以及能量有限等。
现有的无线网络协议不适用于水下网络环境，因此需要研究新的适用于水下网络环境的网络协议。
本课题重点针对水下传感器网络的特点对水下MAC协议以及水下路由协议进行研究。
在MAC协议方面，课题将充分结合无线通信TDMA技术，根据水声信道特点，重点研究UWASNs中的时隙分配问题，以解决水下长时延带来的时隙偏移问题。
并且针对本课题网络负载小且数据具有突发性的特点，合理的安排时隙来提高数据的实时性。
在路由协议方面，课题针对水下节点的波束宽度与朝向分析其对三维水下网络链路造成的影响，并针对这些影响以提高送达率、降低能耗为目的设计适用的路由协议。
（3）系统实现与验证
为测试上述研究内容的技术，检验应用模型，发现潜在的应用技术问题，为实际应用创造条件，课题将设计水下通信系统，研究并构建实验网络进行验证。
课题拟拟设计水声通信节点，实现基本协议功能。
为了进一步降低能耗，课题拟研究节点休眠方法，构建具有六个网络节点的实验网络。
研究设计典型实验方案，并利用该网络进行模拟试验。
2.技术方案
2.1水下网络结构模型与拓扑控制技术方案
课题拟对水下传感器网络的应用特点进行调研，分析其监测应用的要求及特点。
针对课题研究目标，把设计重点放在水下机动节点数据收集的网络的研究上，根据应用需要，针对长延迟、高衰减、不可靠水下信道链路特征，设计应用要求的典型水下网络结构应用模型。
3元平面声基阵组网必须满足以下的条件：
i.覆盖面积尽可能大；
ii.具有一定鲁棒性；
iii.功耗尽可能低（同时工作的换能器尽量少）；
iv.网络寿命尽可能长（各节点能耗较为平均，不会因为单个平台声基阵的能量耗尽而影响其它平台数据的上传）；
本项目根据以上要求确定具体的组网阵型并且实时发现拓扑。
由于水下平面声基阵平台具有多种应用功能：
海洋信息收集、目标探测和定位、移动目标跟踪，针对不同的应用以及目标采用不同的阵型，灵活组网，完成目标任务。
可以采用的阵型，如下图所示。
图中的虚线表示可能存在的通信链路，视切换换能器的策略而定。
图1三元平面声基阵组网阵型
（a）三角形阵型:
各平台位于正三角形的顶点位置，另外一个平台位于正三角形的中心（即阵型中心）。
位于正三角形相邻顶点上的平台之间具有双向的通信链路。
由于正三角形每对相邻边所形成的夹角为60o，而单个声基阵单元（换能器）所能覆盖的范围有120o，因此要保证位于正三角形相邻顶点上的平台之间的双向通信链路，正三角形顶点平台都只需单个换能器工作，并且将能量辐射主轴对准阵型中心。
同样的，中心平台只需要单个换能器工作即可与顶点上的某2个平台进行双向通信。
但是，中心平台与任意两个顶点平台的张角是120o，顶点平台位于水声能量辐射边缘，所以，为了保障通信的可靠性，中心平台需要在3个换能器之间进行切换使用，每个换能器的能量辐射主轴对准某个顶点平台。
该阵型不仅满足以上组网的四个条件，并在水声单跳通信距离为2公里的前提下，单个平台的探测范围只需要1.16公里即可覆盖阵型内的所有区域，可以探测约1.732平方公里范围内的目标。
该阵型具有一定的鲁棒性。
图2三角形阵型组网示意图
（b）正方形阵型：
各平台位于正方形的顶点位置。
由于正方形每对相邻边所形成的夹角为90o，而单个声基阵单元（换能器）所能覆盖的范围有120o，因此该阵型中每个节点只需单个换能器就可以保证与相邻节点的通信。
但是在水声单跳通信距离为2公里的前提下，单个平台的探测范围也需要达到1.41公里才可覆盖阵型内的所有区域，可以探测约4平方公里范围内的目标。
但是探测距离大于1公里，即可探测到进入区域内的目标，所以该阵型适合于封锁特定区域，检测进入该区域的目标。
（c）菱形阵型：
当菱形角度较小时，平台近似曾两条直线排列。
适合采用波达角（DOA）的方法对目标进行跟踪。
通过阵列信号处理的相关方法，求取信号达到各阵元的时间差从而得到相位差，最后可得到目标信号与阵列间的波达角。
从而由多个阵列的DOA估计值共解目标位置估计。
在水声单跳通信距离为2公里的前提下，单个平台的探测范围在1.4公里可覆盖阵型内的所有区域。
该阵型灵活多变，当菱形角度变大时，接近正方形阵型。
图3DOA定位原理图
采用上述阵型的四平台组网所形成的网络拓扑是实时变化的，主要因为：
（1）为了节能部分节点采用的换能器不是固定的，所以节点间的链路是实时变化的；
（2）水声信道是一个带宽严重受限、噪声干扰严重的时变、空变、频变的衰落信道，网络链路状态也是实时变化的，进而造成网络拓扑的实时变化。
因此，需要实时更新网络的拓扑，保证数据的有效传输。
我们采用Hello消息和链路状态更新泛洪消息来更新网络的拓扑。
每个平台保留相邻节点列表和链路状态数据列表，并根据这两个列表计算网络的拓扑，从而计算路由表，根据路由表转发数据。
其工作模式类似于OSPF路由。
（1）每个节点每隔T时间（可以是30秒）广播Hello消息。
节点如果收到Hello消息则将Hello消息的源节点保存到邻居节点列表，并在链路状态数据列表中添加相应的链路信息，将链路状态更新消息泛洪；节点如果在3T时间内未收到列表中某邻居发来的Hello消息，则将从邻居列表中删除该邻居，并在链路状态数据列表中删除相应的链路信息，将链路状态更新消息泛洪。
（2）如果节点收到链路状态更新泛洪消息，则根据消息序号和源节点判断是否收到过该消息，如果收到过该消息，则丢弃该泛洪数据包；否则，将链路状态更新消息继续泛洪。
Hello消息中需要携带的信息：
（1）上传节点令牌。
如果该节点为当前的数据上传节点，则在Hello消息中标记该邻居为数据上传节点。
如下图所示。
链路状态更新消息中需要携带的信息：
（1）上传节点令牌。
如果链路中某个端节点为数据上传节点，则在链路状态更新消息中进行标记。
（2）链路性能参数。
一般携带RTT信息。
拓扑控制技术一个方面需要根据优化的网络拓扑结构，用于实现拓扑优化结果的实施以及发射功率控制；另一方面，针对水下节点在进行局部数据收集任务，能够在短时间构造虚拟簇，进行拓扑结构的切换，实现局部数据交换。
在拓扑结构优化方面，课题拟利用邻居节点的联系，获得局部信息，利用这些局部连接信息，采用随机推理，构造连接树，再根据带宽和能耗估计，合理分配资源，以得到优化的网络拓扑结构。
若在网络布署之前，能够得到部分节点的相对位置信息，这些信息将作为随机推理的先验知识，用于提高构造连接树的准确度。
在局部数据收集方面，局部信息推理适用于进行分布式计算，课题将构造基于能耗和带宽约束的分布式拓扑控制方法。
与陆地应用相比，一般水下传感器网络节点密度相对较低，由于环境因素或者人为布置结果造成的分布不均匀。
当前的分层簇结构拓扑控制技术和基于邻居的K-NEIGH等技术不能满足要求。
因此，课题将利用信道测量技术，结合拓扑优化结果，进行发射功率调节，以减少节点间信号的相互干扰。
数据在上传过程中，为了保证各节点能耗较为平均，数据上传节点需要轮换选择。
本项目采用令牌信息标记数据上传节点。
令牌按照节点顺序序号传递，即A->B->C->D->E->F->A……。
为了保证数据在网络间传输的过程中尽量不丢包，上传节点令牌只在当天所有数据上传完成以后再将令牌信息传给下一个顺序节点。
如下图所示。
（a）五边形阵型
（b）六边形阵型
图4数据上传节点选择示意图
2.2水下网络协议技术方案
由于水声信道长时延、高误码的特点，本项目拟采用容延容断水声通信网协议体系，如下图所示，它具有如下特点：
图5基于DTNBundle的水声通信网络结构
（1）容断容延迟
在复杂的水下环境中，存在着节点定位不准确、水声信道不稳定、链路间断连接等问题，本协议体系采用DTN网络“存储-运载-转发”技术，通过DTN路由在链路不存在的时候将信息缓存在中间节点上，等待传输时机。
DTN网络技术中的Bundle协议已提供了信息的保管、传送、交付、丢弃机制。
（2）较高的传输效率
DTN将被传输的应用数据与相关辅助信息放在一起组成“信息”（或称为“包裹”，bundle）同时传送，这样就减少在正式传输数据之前发送、接收双方信令交互过程，提高了传输效率。
（3）可靠传输
该协议体系采用DTN网络Bundle协议中的托管机制（custody）来保证数据的可靠传输。
在托管机制中，发送方在发送Bundle包的同时会启动一个等待确认的定时器。
若下一个节点正确接收到Bundle包，则返回一个托管成功的信号（custodysignal）给发送方；否则将不会返回托管成功的信号，并且等待发送方超时重传Bundle包。
为了更有效地利用链路，Bundle协议采用选择重传机制，发送方只会重传那些没有正确接收的Bundle包，而不是重传出错之后的所有Bundle包。
详细的交互过程如图6所示。
图6Bundle包的选择重传机制
课题拟针对水下网络特点设计适用于水下网络环境的MAC协议与路由协议这两种主要网络协议，为水下组网提供网络协议支持。
在MAC协议方面，课题在充分研究水声信道性质的基础上，使用TDMA实现多址接入。
课题在前期研究TDMA技术的基础上，拟通过在时隙间追加保护间隔的方法来减小时钟偏移带来的碰撞，并且根据网络拓扑和节点间距离最优化保护间隔时间。
图7时隙分配示意图
本课题针对低负载网络和具有突发事件的网络，拟采用固定时隙分配和随机时隙分配相结合的方式，将时隙分组，对于相邻节点不能选择相同的时隙组，但是非邻居节点可以随机选择相同的时隙组。
该方法可以降低突发事件发生时节点的等待时间，又避免了邻居节点选择相同的时隙造成碰撞。
在DTN网络的构架下，水声网络的路由是在Bundle层实现（即覆盖路由）。
课题拟针对水下节点的波束宽度与三维朝向对节点的通信范围建立数学模型并进行仿真分析得到不同波束宽度情况下水下网络中的链路变化情况和现有协议的性能下降对比。
为所提出的路由协议做出网络背景分析和必要性分析。
针对低功耗的要求，课题拟采用路由表的机制来防止信息泛洪所造成的能量浪费。
针对水下网络出现大量的非对称链路无法简单反转路径反馈路由信息的情况，课题拟利用正向路由中的链路信息自适应选择路由反馈方法的思想，设计一种基于链路状态的自适应反馈路由协议，充分利用已知的正向路由信息实现路由的反馈。
路由协议架构如图6所示，拟由四个主要机制组成。
1.链路检测机制：
拟提出一种链路检测机制获取节点的上下游节点表和与节点相连的链路的对称信息。
为选择路由反馈方法提供依据。
2.路由查询机制：
拟提出一种时间优先机制，节点只转发路由查询包一次并且是转发第一次收到的路由查询包，可以有效防止节点重复转发查询包，节约能量。
拟提出下游节点表利用机制，增加利用节点的下游节点表作为判断是否转发路由包的依据，可以有效降低包的传递次数，避免查询到不必要的过长路径。
3.路由反馈机制：
拟提出一种基于正向链路状态的路由反馈机制，利用正向路由中链路是否对称的信息选择不同的方法（路径反转法和反向寻路法）将路由反馈回源节点。
可以有效将路由反馈回源节点，并极大的减少了反向寻路消耗的能量。
4.路由的优化与维护机制：
拟通过在路由查询过程中设置阈值来提高路由质量。
拟提出一种基于评分与奖惩机制的路由维护机制，有效防止频繁更新路由表，节约能量。
图8路由协议架构
2.3系统实现与验证技术方案
课题拟自行设计水声通信节点，并进行物理层实验测试，获取环境模型参数。
每个节点配置典型监测传感器，用于实际物理量的测量。
节点拟采用直径240mm柱状结构，在柱体中央安装三元平面声基阵（收发共用），每个声通信单元通信覆盖范围为120度，使用三元平面基阵可在水平范围达到全向通信，垂直方向可到达240度波束范围。
节点的通信覆盖范围如图8所示
图9节点通信覆盖范围
每个节点采用三元平面声基阵，基阵元功率辐射角为
，分布在节点中间的圆周不同方向，既能保证全方位的信号发送与接收，同时还能对不同方位的目标进行不间断的侦听，根据不同节点和不同的基阵元，判断目标物的方位和距离，从而对目标物进行轨迹跟踪和预测。
采用模块化的结构实现对单个基阵元的控制。
主要的模块分为：
ARM主控模块、通信模块以及轨迹预测模块。
基阵元的结构如图9所示。
图10基阵元控制结构
ARM主控单元作为整个系统的控制中心，负责系统时间同步、管理通信模块、节点的休眠与唤醒以及网络协议的运行；通信模块对基带信号进行调制解调、上/下变频；并且对侦听的信号进行时频变换，实现对目标的准确辨别；在目标离基阵元距离和方位角能测量的情况下，可以采用标准或者扩展Kalman算法对目标轨迹进行有效预测，从而实现目标的有效跟踪。
通信模块组成框图如下：
数字处理部分由FPGA完成，主要功能包括上下变频、调制解调、信道编码等。
本项目选用的控制中心ARM处理器为LPC1768，LPC1768是NXP公司推出的基于ARMCortex-M3内核的微控制器。
LPC1700系列微控制器的操作频率可达100MHz（新推出的LPC1769和LPC1759可达120MHz）。
ARMCortex-M3CPU具有3级流水线和哈佛结构。
LPC1768的外设组件包含高达512KB的flash存储器、64KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口、8通道DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个IIC接口、2输入和2输出的IIS接口、8通道的12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6输出的通用PWM、带有独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用IO管脚。
用于通信数字处理模块的FPGA选用LATTICE公司的LatticeiCE40。
它具有功耗低（25μW的起始功耗）、体积小（2.5x2.5mm），适合用于水声modem的数字处理（上下变频、调制解调、信道编码）。
控制中心使用的微内核实时操作系统为Contiki，它是一个开源的、高度可移植的多任务操作系统，适用于联网嵌入式系统和无线传感器网络。
Contiki支持IPv4/IPv6通信，提供了uIPv6协议栈、IPv4协议栈（uIP），支持TCP/UDP，还提供了线程、定时器、文件系统等功能。
Contiki是采用C语言开发的非常小型的嵌入式操作系统，针对小内存微控制器设计，典型的Contiki配置只需要2KB的RAM和40KB的ROM。
适合用于资源少、任务多、功耗要求严格的水下环境。
Contiki具有以下特点：
低功率无线电通信
Contiki同时提供完整的IP网络和低功率无线通信机制。
对于无线网络内部通信，Contiki使用低功率无线网络栈Rime。
Rime实现了许多网络协议，从可靠数据采集、最大努力网络洪泛到多跳批量数据传输、数据传播。
网络交互
可以通过多种方式完成与使用Contiki的网络的交互，如Web浏览器，基于文本的命令行接口，或者存储和显示数据的专用软件等。
基于文本的命令行接口是受到Unix命令行Shell的启发，并且为网络的交互与感知提供了一些特殊的命令。
能量效率
为了延长网络的生命周期，控制和减少节点的功耗很重要。
Contiki提供了一种基于软件的能量分析机制，记录每个节点的能量消耗。
由于基于软件，这种机制不需要额外的硬件就能完成网络级别的能量分析。
Contiki的能量分析机制既可用于评价网络协议，也可用于估算网络的生命周期。
节点存储：
CoffeeFileSystem
Contiki提供的CoffeeFileSystem（CFS）是基于Flash的文件系统，可以在节点上存储数据。
课题拟针对节点不同的工作状态划分为如下表所示的工作期间，针对低功耗的设计要求，课题拟采用基于任务分配的休眠机制，节点根据自身分配的任务在不同时间段自行合理选择不同的工作状态，从而达到降低网络能耗的目的，有效提高网络生存寿命。
表1节点工作状态表
序号
名称
描述
1
休眠期
节点不处于侦听状态也不处于收发状态或等待接收状态
2
半休眠期
节点仅处于侦听状态
3
工作期
节点处于侦听状态并处于收发状态或等待接收状态
课题拟采用6个节点构建实验网络，在网络运行过程中通过网络协议自行选择适当节点作为汇聚节点收集，汇聚节点将通过控制腔体大小来实现沉浮，当汇聚节点浮到水面即可通过卫星天线收发数据与外界联系。
研究设计典型实验方案，包括：
试验内容、试验方法、试验设备、实验材料、布置方案、测试方案等，分别进行点对点通信、中继通信、网络协议测试等试验。
在实验室试验的基础上，购买必要的水上试验设备与材料，如：
小型浮标、防水机箱等，进行水下模拟试验。
课题拟在中国船舶重工集团公司第七一○研究所的大型水池进行模拟试验。
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