李丹

（1.欽州學院電子與信息工程學院，廣西 欽州 535011；2.欽州市物聯(lián)網(wǎng)先進技術重點實驗室，廣西 欽州 535011）

1 引言

水聲傳感器網(wǎng)絡(Underwater Acoustic Sensor Network，UASN)作為水下環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Ы鉀Q方案[1]受到研究人員的廣泛關注。水聲信道復雜多變的特性會造成數(shù)據(jù)傳輸信號發(fā)生不同程度的衰減[2,3]，水流和生物活動又會造成水下節(jié)點的位置偏移，因此水聲信道難以保證鏈路和路由的穩(wěn)定性。頻繁的數(shù)據(jù)重傳或者使用較大發(fā)射功率發(fā)送數(shù)據(jù)會快速消耗水下節(jié)點的能量，如何保證通信成功并延長UASN的生命周期已成為該領域的熱點問題。在無法提供持續(xù)能量供給的情況下，有研究針對鏈路接入[3]和路由尋路[4-6]等方面進行算法改進，在一定程度上提高了UASN的連通性并降低水下節(jié)點的通信能耗，但是無法很好地解決因節(jié)點位置偏移或能量耗盡帶來的網(wǎng)絡癱瘓等問題?；谧越M織型的網(wǎng)絡協(xié)議[3-6]是基于水下節(jié)點可用的情況，從而改進網(wǎng)絡性能和延長網(wǎng)絡生命周期，其缺點是缺乏對失效或者失聯(lián)節(jié)點的維護。

針對UASN因節(jié)點位置偏移和能量耗盡所造成的網(wǎng)絡癱瘓問題，設計一種基于可控節(jié)點的水聲傳感器網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Control System Based on Controllable Nodes，CSCN），有助于改進UASN的可靠性和可持續(xù)性。可控節(jié)點（Controllable Nodes，CN）是在普通水下節(jié)點的基礎上安裝推動器，可執(zhí)行下沉、上浮、平面移動等簡單的移動命令。CSCN通過對CN的部署、調整和召回等操作實現(xiàn)對網(wǎng)絡拓撲的控制，增加網(wǎng)絡穩(wěn)定性，能夠對召回的節(jié)點進行能量補充，從根本上解決水聲傳感器網(wǎng)絡生命周期受限的問題。

2 可控節(jié)點的設計

傳統(tǒng)的UASN水下節(jié)點多采用電池功能和自組網(wǎng)工作模式，在缺乏中央控制的條件下，節(jié)點會出現(xiàn)位置偏移和能量耗盡的現(xiàn)象，從而導致網(wǎng)絡的不穩(wěn)定，甚至是癱瘓等問題。目前大部分研究[3-6]通過優(yōu)化通信協(xié)議來解決拓撲重組的問題，這一做法在解決網(wǎng)絡連通性問題的同時，會帶來存活節(jié)點運算量和網(wǎng)絡通信量增加的問題，不利于節(jié)點能量的節(jié)約和網(wǎng)絡性能的優(yōu)化?？煽毓?jié)點，即CN，是在普通水下節(jié)點的基礎上安裝具有獨立電池的推動器，以幫助節(jié)點在水下完成下沉、上浮、平面移動等活動。推進器的外形設計如圖1所示，CN外形如圖2所示。

圖1 推進器螺旋槳外形設計圖

圖2CN外形圖

CN安裝有兩個推進器，推進器的旋轉夾角為90°。當推進器處于完全水平狀態(tài)時，旋轉軸可以從水平位置向下旋轉至垂直位置；當推進器處于完全垂直狀態(tài)時，旋轉軸可以從垂直位置向上旋轉至水平位置。當CN需要執(zhí)行上浮活動時，可調整旋轉軸，將推進器置于如圖1(b)所示的垂直狀態(tài)；當CN需要執(zhí)行水下平移活動時，可調整旋轉軸，將推進器置于如圖1(a)所示的水平狀態(tài)。CN的推進器配備獨立電池，該部分能量不參與數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送活動。中央控制系統(tǒng)可以命令CN上浮至水面，便于工作人員對節(jié)點進行充電和維修等維護工作。雖然在普通水下節(jié)點上安裝推進器會增加設備生產(chǎn)成本，但是從設備的可持續(xù)使用性和可維護性來看，這一改進措施有利于降低設備損耗和維護成本。

3 控制系統(tǒng)的設計

CSCN系統(tǒng)主要從網(wǎng)絡部署控制、匯總數(shù)據(jù)監(jiān)控和網(wǎng)絡拓撲控制三個方面維護網(wǎng)絡。其中網(wǎng)絡部署控制是在網(wǎng)絡設備部署階段，利用部署在陸地上的拓撲控制服務器(Topology Control Server,TCS)對網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中投放的CN發(fā)出定位指令，通過對CN的下沉和平移等操作完成整個網(wǎng)絡水下節(jié)點的部署活動，具體步驟如下：

(1)根據(jù)網(wǎng)絡的覆蓋面積，人工在水域中投放CN。

(2)TCS按照拓撲設計腳本中各CN的位置信息，命令Sink節(jié)點使用足夠大的發(fā)射功率通過水聲信道依次向各CN發(fā)送定位幀，定位幀格式如圖3所示。幀首部和尾部各帶1個字節(jié)的Flag字段，內容為01111110，用以標記幀的開始和結束。幀序號字段用于區(qū)分重復幀。FCS字段為幀校驗碼。在網(wǎng)絡部署階段，幀中的源地址為Sink節(jié)點MAC地址，目的地址為全1的廣播地址。

圖3 定位幀格式示意圖

(3)CSCN系統(tǒng)規(guī)定最短有效幀長度為60個字節(jié)。當CN收到定位幀后，首先檢查幀長度L，若L<60，則直接丟棄；若L≥60，則繼續(xù)校驗FCS。若定位幀沒有出錯，CN檢查幀中的“CN設備編號”字段，若與自己的編號相同，則按照幀中定位數(shù)據(jù)調整推進器完成下沉和平移等活動。若定位幀出錯或者設備編號與自身不符，則丟棄該幀。

(4)CN完成定位活動后，必須使用最大發(fā)射功率向Sink節(jié)點發(fā)送一個確認幀，確認幀的格式和定位幀相同，確認幀序號填寫收到的定位幀序號，源地址為自己的MAC地址，目的地址為Sink節(jié)點的MAC地址，CN設備編號為自己的編號，數(shù)據(jù)部分用填充40個字節(jié)的0。

(5)當Sink節(jié)點收到幀序號最大的確認幀時，對已收到的確認幀序號進行遍歷，若發(fā)現(xiàn)序號不全，則向對應的CN重新發(fā)送定位幀。

(6)CN重復收到屬于自己的序號且相同的定位幀時，丟棄重復的定位幀，但必須向Sink節(jié)點發(fā)送確認幀。

CSCN系統(tǒng)的匯總數(shù)據(jù)監(jiān)控階段，主要是對Sink節(jié)點收到的數(shù)據(jù)進行分析，若在2個分析周期內發(fā)現(xiàn)某CN一直沒有參與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，則對該節(jié)點進行位置調整或者召回操作，具體步驟如下：

(1)TCS中設置分析計時器，用以設置系統(tǒng)的分析周期。

(2)Sink節(jié)點收到的數(shù)據(jù)報文都必須發(fā)送到TCS，數(shù)據(jù)報文格式如圖4所示。源地址為發(fā)送數(shù)據(jù)的CN地址，目的地址為Sink節(jié)點地址，路由序列為各數(shù)據(jù)轉發(fā)節(jié)點編號序列，類型為報文類型字段，F(xiàn)CS為報文校驗字段。路由序列的開始是數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點的編號，各轉發(fā)節(jié)點在轉發(fā)數(shù)據(jù)時會將自己的節(jié)點編號添加到路由序列末尾。

圖4 報文格式示意圖

(3)TCS中的分析計時器超時后，服務器對該周期內收到的數(shù)據(jù)報文進行分析，與此同時，分析計時器歸零并重新計時。

(4)TCS主要對報文中的路由序列部分進行遍歷，統(tǒng)計上一個分析周期內參與數(shù)據(jù)發(fā)送或轉發(fā)的CN編號，并與部署腳本的編號集合進行對比，找出沒有出現(xiàn)的CN編號，并放入失效節(jié)點集合。分析周期分為奇數(shù)周期和偶數(shù)周期，奇數(shù)周期只能在失效節(jié)點集合中添加節(jié)點，偶數(shù)周期可以在失效節(jié)點集合中添加或刪除節(jié)點。

(5)若當前處于偶數(shù)分析周期，在分析結束后，TCS按照失效節(jié)點集合中記錄的CN編號，命令Sink節(jié)點使用足夠大的發(fā)射功率依次向水下CN發(fā)送定位幀，命令CN向網(wǎng)絡中心位置移動。

(6)CN在正常運行過程中收到定位幀，則暫停一切數(shù)據(jù)采集活動，并在完成相關下沉、上浮或者平移活動后，使用最大發(fā)射功率向Sink節(jié)點回復確認幀。

(7)Sink節(jié)點收到CN的確認幀后，則向TCS回復一個確認消息，TCS根據(jù)確認消息中攜帶的CN編號，從失效節(jié)點集合中刪除該節(jié)點記錄。

(8)每個CN在TCS中都配置一個失效計時器。當CN被添加到失效節(jié)點集合時，計時器啟動；當CN被從失效節(jié)點集合刪除時，計時器歸零。當CN的失效計時器超時后，TCS命令Sink節(jié)點使用最大發(fā)射功率向該CN發(fā)送定位幀，從而命令CN上浮到指定的人工維護區(qū)域，以便工作人員進行充電、維修等維護工作。

CSCN系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲控制階段，是在需要對整個UASN進行重新部署時，按照拓撲設計腳本對所有水下CN進行重新定位，具體步驟如下：

(1)TCS命令Sink節(jié)點使用足夠大的發(fā)射功率通過水聲信道發(fā)出一段時間的干擾信號，在干擾周期結束后，再廣播發(fā)送一個暫停命令幀，命令幀的格式和定位幀相同，只是將定位數(shù)據(jù)字段的內容放入命令代碼。

(2)CN在干擾周期中因為信號沖突而停止一切數(shù)據(jù)發(fā)送活動。

(3)CN收到暫停命令幀后，停止一切數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送活動。

(4)TCS在經(jīng)過一個等待周期后，執(zhí)行與網(wǎng)絡部署控制階段相同的步驟。

(5)經(jīng)過一個部署周期后，TCS對沒有反饋確認幀的CN執(zhí)行召回操作。TCS命令Sink節(jié)點使用最大發(fā)射功率向該

CN發(fā)送定位幀，從而命令CN上浮到指定的人工維護區(qū)域，完成召回操作。

4 結語

水聲信道復雜多變，僅通過優(yōu)化通信協(xié)議的辦法難以保證UASN的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。針對UASN因節(jié)點位置偏移和能量耗盡所造成的網(wǎng)絡癱瘓問題，設計一種基于可控節(jié)點的水聲傳感器網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，即CSCN系統(tǒng)。首先，在普通水下節(jié)點的基礎上安裝獨立供電的推進器，實現(xiàn)水下節(jié)點在水中的上浮、下沉和平移等活動。其次，CSCN系統(tǒng)以TCS作為控制中心，從網(wǎng)絡部署控制、匯總數(shù)據(jù)監(jiān)控和網(wǎng)絡拓撲控制三個方面實現(xiàn)對網(wǎng)絡穩(wěn)定性和可持續(xù)性的維護。CSCN系統(tǒng)目前處于設計階段，下一步將進行系統(tǒng)編程實現(xiàn)的研究，為系統(tǒng)的實例化提供實驗依據(jù)。

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