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。

平台（带三元平面声基阵）确定存在的通信链路换能器能量辐射形成的夹角图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3 DOA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。

平台（带三元平面声基阵）确定存在的通信链路数据上传节点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。

B C AE DF 平台（带三元平面声基阵）确定存在的通信链路数据上传节点B C A E D F BCA E D F(a) 五边形阵型 E D A B C F E D A B C FEDA B C F(b) 六边形阵型 A B C F E D A B C F E DAB CF E DAB C D E F A B C D E F A BCD EF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： 应用PHY MACIPPHY MAC IP 应用PHYLINK IP 水声信道水声信道水声信道BUNDLE PHY MAC IP BUNDLE BUNDLEBUNDLE 数据上传节点图5 基于DTN Bundle 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。