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        基于EMD方法和MAC協(xié)議的水聲傳感網(wǎng)絡(luò)研究

        2019-12-05 02:48:34姜愉胡文君葉雪云梁劍烽楊忠強
        無線互聯(lián)科技 2019年16期

        姜愉 胡文君 葉雪云 梁劍烽 楊忠強

        摘 ? 要:水聲傳感網(wǎng)絡(luò)為水下信號目標(biāo)檢索和水下開發(fā)等提供技術(shù)支持,但網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間傳輸時存在數(shù)據(jù)擁堵、數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象,因此,對于網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議MAC的研究與改進尤為重要。由于水聲傳輸過程中存在復(fù)雜噪聲,需要采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄈコ肼暩蓴_。文章提出一種通過MAC協(xié)議優(yōu)化節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸和通過EMD分解方法去除水聲信號噪聲的水聲傳感方案,可有效提高節(jié)點傳輸效率、去除噪聲干擾。

        關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)節(jié)點;介質(zhì)訪問控制;經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解;水聲信號;噪聲

        海洋覆蓋地球70%以上地區(qū),充分地開發(fā)、利用海洋資源在陸地資源逐漸枯竭的情況下尤為重要。我國海岸線長達1.8萬km,濱臨東海、南海、黃海和渤海海域,具有豐富的海洋資源,主要包括石油天然氣資源、銅錳等礦產(chǎn)資源、豐富的漁業(yè)資源。因此,海洋技術(shù)的開發(fā)對我國發(fā)展尤為重要[1]。

        海洋內(nèi)部通信主要通過水聲無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。由于水對聲音具有透明性,水聲信號傳感網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用水聲作為載體。水聲傳感網(wǎng)絡(luò)已廣泛用于海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境勘測、水下災(zāi)害預(yù)警和水下目標(biāo)源檢測等領(lǐng)域,但水聲傳播過程中的時間延時、水下復(fù)雜噪聲環(huán)境和傳輸帶寬有限等原因,導(dǎo)致產(chǎn)生傳輸數(shù)據(jù)包誤碼率較高、多節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)收到時間差異大等問題,因此,結(jié)合水下傳感環(huán)境特征,建立有效的水聲無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議可有效地解決水聲信號傳輸中的各類問題。對接收到的信號采用濾波去噪,結(jié)合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)去噪后重構(gòu)的方式可較好地還原信號。

        1 ? ?系統(tǒng)設(shè)計

        傳感節(jié)點將數(shù)據(jù)匯聚至匯聚節(jié)點發(fā)送給水面控制平臺,水面控制平臺對發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包進行解析和協(xié)議轉(zhuǎn)換,然后通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service,GPRS)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制終端[2],在終端對數(shù)據(jù)進行EMD去噪重構(gòu)分析。

        均勻分布的多個水聲傳感器節(jié)點,在匯聚節(jié)點附近的水聲傳感器節(jié)點較少。離匯聚節(jié)點較遠(yuǎn)的水聲傳感器節(jié)點采用多跳的方式傳輸?shù)絽R聚節(jié)點,因此,靠近匯聚節(jié)點的傳感節(jié)點需處理的數(shù)據(jù)量較大,遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點的傳感節(jié)點處理的數(shù)據(jù)量較小,造成網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)不均衡現(xiàn)象。由于靠近匯聚節(jié)點的傳感節(jié)點需處理多個遠(yuǎn)距離傳感節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)[3],易造成數(shù)據(jù)發(fā)送沖突、數(shù)據(jù)擁堵等現(xiàn)象,導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)傳輸癱瘓。介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議是解決網(wǎng)絡(luò)傳輸問題的主要方法。

        選用GPRS技術(shù)主要是由于其具有覆蓋范圍廣、通信質(zhì)量高以及傳輸速度快和永不離線等優(yōu)點[4]。作為分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),可通過傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP)直接與以太網(wǎng)連接,在海洋等信號要求較高場所尤為適用。

        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成框架如圖1所示,控制平臺收集節(jié)點數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送至遠(yuǎn)程終端。

        2 ? ?網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

        水聲傳感網(wǎng)絡(luò)中常用的MAC協(xié)議有MACA協(xié)議和載波監(jiān)聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)協(xié)議,MACA屬于基于請求發(fā)送/清除發(fā)送協(xié)議(Request to Send/Clear to Send,RTS/CTS)機制的MAC,而CSMA屬于基于載波偵聽機制的MAC。

        RTS/CTS機制的基本特性是發(fā)送端,首先,發(fā)送一個RTS幀提醒接收端即將發(fā)送數(shù)據(jù);其次,接收端收到提醒幀后回復(fù)發(fā)送端一個CTS幀通知可接收數(shù)據(jù),同時,通知其他節(jié)點不再接收數(shù)據(jù)[5]。當(dāng)多個發(fā)送端同時發(fā)送RTS幀提醒接收端時會發(fā)生沖突,其中,發(fā)送失敗的一方會等待一段時間再次發(fā)送RTS幀。這種方法可減少網(wǎng)絡(luò)延時,但當(dāng)多個節(jié)點發(fā)送請求時,傳輸延時依然較大。例如水聲傳感系統(tǒng)中接近匯聚節(jié)點的位置傳感節(jié)點較少,傳感數(shù)據(jù)多,極有可能造成噪聲節(jié)點大量堵塞。

        基于載波偵聽機制的CSMA機制是當(dāng)節(jié)點準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時,首先,偵聽接收節(jié)點是否在接收其他節(jié)點數(shù)據(jù),如信道忙則等待至信道空閑再進行發(fā)送。在數(shù)據(jù)傳輸過程中同時進行沖突檢測[6],沖突檢測包括物理偵聽和虛擬偵聽,通過對讀到信息與發(fā)送信息進行對比確定是否發(fā)生沖突。由于水下傳感系統(tǒng)時延較長,為保證通信正常進行,對于水下傳感系統(tǒng)采用輪詢方式偵聽沖突,同時,采用一個固定的順序進行數(shù)據(jù)幀傳遞來減少數(shù)據(jù)傳輸沖突。其次,當(dāng)水聲節(jié)點采集時間和方式固定時,給出固定的順序發(fā)送數(shù)據(jù)可最大限度地減少延時時間。同時,為檢測數(shù)據(jù)是否丟失,通過增加數(shù)據(jù)頭來反饋數(shù)據(jù)幀丟失情況,對錯誤數(shù)據(jù)進行重新發(fā)送。針對傳輸網(wǎng)絡(luò)中靠近匯聚節(jié)點處信息傳輸擁堵問題,考慮采用接收節(jié)點同時接收多個發(fā)送節(jié)點RTS幀的方法,然后分析各個發(fā)送節(jié)點數(shù)據(jù)量大小,根據(jù)發(fā)送節(jié)點準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)量,給出最佳接收方案[7]。

        以上方案比較適合水聲傳感網(wǎng)絡(luò)較小的情況,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)增大時可考慮輪詢方式與競爭方式結(jié)合設(shè)計優(yōu)化算法。各個水下無線傳感節(jié)點在采集數(shù)據(jù)數(shù)量固定時,如水下環(huán)境監(jiān)測時可采用固定發(fā)送順序方式傳輸數(shù)據(jù)至匯聚節(jié)點,如水下目標(biāo)檢測時只對目標(biāo)附近節(jié)點進行采集,其他節(jié)點可停止工作,只對目標(biāo)附近節(jié)點進行輪詢傳輸或競爭傳輸[8]。對于節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿芗瘏^(qū)域,可采用擴頻傳輸,為各個節(jié)點傳輸給予固定的擴頻碼,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速傳輸,減少了信道競爭并提高了傳輸效率。

        將水聲傳感網(wǎng)絡(luò)通信中常用的傳感協(xié)議歸納如表1所示,分為競爭協(xié)議、非競爭協(xié)議和混合協(xié)議3類[9]。

        3 ? ?EMD方法

        EMD適合處理非線性、非平穩(wěn)時間信號,本質(zhì)是平穩(wěn)化處理信號,將單個頻率無規(guī)則的信號轉(zhuǎn)化為多個固有模態(tài)函數(shù)和殘余分量的形式。對于傳輸?shù)娇刂破脚_的節(jié)點數(shù)據(jù),重新進行解析后傳輸至遠(yuǎn)程終端進行EMD分解,將信號分解為多層固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function,IMF),分析各層函數(shù)尺度特性,對其中的噪聲進行去除,然后重構(gòu)信號,結(jié)合重構(gòu)信號分析所傳數(shù)據(jù)[10]。

        4 ? ?結(jié)語

        本文針對水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)水聲瞬態(tài)信號傳輸過程中存在的噪聲和傳感節(jié)點擁堵問題,給出了利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、重構(gòu)、去除噪聲和通過改進MAC協(xié)議來提高節(jié)點傳輸效率的方法,這種方法對于水下目標(biāo)定位和水下勘探等領(lǐng)域具有一定的參考價值。

        后續(xù)研究主要對EMD算法計算速度和計算量方面進行提升,并提高水下目標(biāo)處理的實時性。

        [參考文獻]

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