王甫康，庹先國(guó)，劉 勇，榮文鉦

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽 621010；2.四川輕化工大學(xué)，自貢 643000；3.成都理工大學(xué)，成都 610059）

0 引言

近年來，節(jié)點(diǎn)地震儀逐漸發(fā)展成熟，被廣泛應(yīng)用于石油物探行業(yè)[1]，相比于有纜地震儀，沒有沉重電纜的束縛，去除了電纜布設(shè)、檢修等耗時(shí)工作，可適應(yīng)復(fù)雜地形條件下的地震勘探，但同時(shí)無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控也其最大的缺點(diǎn)。有效的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控可快速判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，檢查炮檢關(guān)系，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)炮等[2]，從而確保有效的數(shù)據(jù)采集。因此，設(shè)計(jì)高效的節(jié)點(diǎn)地震儀無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)于提高地震勘探的數(shù)據(jù)質(zhì)量與勘探效率具有重要的意義。

目前市場(chǎng)上多數(shù)節(jié)點(diǎn)地震儀在勘探現(xiàn)場(chǎng)放棄對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)控[1，3]，通過后期處理剔除無效的地震數(shù)據(jù)，因此不能保證勘探的質(zhì)量與效率。部分節(jié)點(diǎn)地震儀利用成熟的無線通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控[1，4～6]。但是由于采集節(jié)點(diǎn)眾多、數(shù)據(jù)龐大、無線網(wǎng)絡(luò)自身的缺點(diǎn)，使得無線信道競(jìng)爭(zhēng)激烈、網(wǎng)絡(luò)容易出現(xiàn)擁塞。針對(duì)以上問題，本文采用WLAN通信技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用中繼模式擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積。利用傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定、流量可控等特點(diǎn)，對(duì)多節(jié)點(diǎn)的傳輸機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)方法確定單個(gè)AP節(jié)點(diǎn)、多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)獲得最優(yōu)吞吐量時(shí)同時(shí)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，并將同時(shí)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)盡可能均勻分布到各個(gè)中繼AP節(jié)點(diǎn)，使每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)連接的采集節(jié)點(diǎn)在信道資源競(jìng)爭(zhēng)時(shí)避免了劇烈的碰撞，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)地震儀數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由節(jié)點(diǎn)的無線傳輸單元、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、終端計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。采集節(jié)點(diǎn)連接檢波器采集震動(dòng)信號(hào)，采用ASCII碼存儲(chǔ)采集時(shí)間，二進(jìn)制格式存儲(chǔ)地震數(shù)據(jù)，由無線傳輸單元傳輸至終端。震源記錄儀檢測(cè)人工震源的敲擊，記錄敲擊時(shí)間，通過無線傳輸單元向終端發(fā)送。終端計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心，在線配置采集節(jié)點(diǎn)參數(shù)、監(jiān)控狀態(tài)，接收采集節(jié)點(diǎn)的地震數(shù)據(jù)、震源記錄儀的震源激發(fā)時(shí)間，并實(shí)時(shí)展示二維地震數(shù)據(jù)波形。

圖1 節(jié)點(diǎn)地震儀傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行地震勘探時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)按照一定間距均勻布設(shè)在一條直線上，節(jié)點(diǎn)間相距幾米到十幾米。隨著勘探規(guī)模的不同，地震數(shù)據(jù)的監(jiān)控范圍也隨著改變，因此傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有靈活性、可擴(kuò)展、覆蓋范圍大等特點(diǎn)。在WLAN的組網(wǎng)方式中，基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)，通過單個(gè)AP與多節(jié)點(diǎn)連接，但網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積有限。中繼模式是對(duì)基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在傳輸距離上的擴(kuò)展，可通過靈活添加中繼AP擴(kuò)大覆蓋范圍。因此，本文基于中繼模式設(shè)計(jì)了如圖2所示的傳輸網(wǎng)絡(luò)，中心AP節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通過有線連接，分擔(dān)中心節(jié)點(diǎn)傳輸壓力，布設(shè)多個(gè)無線中繼節(jié)點(diǎn)與中心AP連接，每個(gè)無線中繼節(jié)點(diǎn)通過WLAN與多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)建立連接，并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 節(jié)點(diǎn)無線傳輸單元設(shè)計(jì)

為了提高無線傳輸性能，本系統(tǒng)采用專門的網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)的無線傳輸單元，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。節(jié)點(diǎn)地震儀通過主控單元內(nèi)部以太網(wǎng)控制器以及PHY芯片，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭愿咝阅芫W(wǎng)絡(luò)處理器AR7161為核心的無線網(wǎng)絡(luò)處理單元，采用AR7161支持的5GHz頻段，2*2的MIMO技術(shù)，可有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)的收發(fā)電路采用AR9220芯片，將基帶信號(hào)進(jìn)行編碼、調(diào)制等處理后，控制無線射頻功率放大器SST11LP12進(jìn)行放大，最終由天線發(fā)送。收發(fā)切換器對(duì)無線信號(hào)的收發(fā)進(jìn)行切換，接收到的高頻信號(hào)通過低噪聲放大器進(jìn)行放大濾波，在數(shù)據(jù)收發(fā)單元進(jìn)行解調(diào)、解碼等處理。低噪聲放大器與收發(fā)切換器的實(shí)現(xiàn)采用SKY85601-11，該芯片專門為802.11a/n設(shè)計(jì)，其內(nèi)部同時(shí)集成低噪聲放大電路與收發(fā)切換器，工作在4.9～5.9GHz的通信頻段。

圖3 無線傳輸單元結(jié)構(gòu)圖

2 多節(jié)點(diǎn)傳輸機(jī)制優(yōu)化

本文采用中繼方式擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，眾多的采集節(jié)點(diǎn)也為網(wǎng)絡(luò)帶載能力提出了挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)連接10～20個(gè)節(jié)點(diǎn)，由多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)匯聚到終端。如果這些節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷將嚴(yán)重超載，信道資源的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，進(jìn)而影響傳輸速率。不同于日常無線局域網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)地震儀傳輸網(wǎng)絡(luò)是專用網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與各節(jié)點(diǎn)位置均是固定的。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸是被動(dòng)的，由終端進(jìn)行控制，因而數(shù)據(jù)流量是可控的。利用這些特點(diǎn)，本文對(duì)多節(jié)點(diǎn)傳輸機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 基于最佳并發(fā)數(shù)的擁塞控制

網(wǎng)絡(luò)擁塞的出現(xiàn)與帶載能力、傳輸負(fù)載有著密切關(guān)系。實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸中吞吐量與負(fù)載的關(guān)系如圖4所示，輕負(fù)載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨負(fù)載增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[7]，但是隨著負(fù)載逐步地靠近最大臨界點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)的也達(dá)到了處理瓶頸，一部分?jǐn)?shù)據(jù)包被逐漸丟棄，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率不斷減小，最終造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)因擁塞而崩潰。

圖4 吞吐量與負(fù)載關(guān)系

在本系統(tǒng)中，采用中繼模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這使得隨著傳輸節(jié)點(diǎn)的增多，越靠近中心的節(jié)點(diǎn)傳輸壓力過大，越容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞。系統(tǒng)中同時(shí)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)在一定程度上決定了整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，因而理論上存在一個(gè)最優(yōu)的并發(fā)數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)獲得最大吞吐量。本文通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試該并發(fā)數(shù)N，考慮到受環(huán)境、距離等因素的影響，不同位置的節(jié)點(diǎn)最大傳輸速率是不同的，傳輸?shù)淖罴巡l(fā)數(shù)可能并不是一個(gè)確定的定值，但由于該傳輸網(wǎng)絡(luò)是固定的，最大吞吐量的變化較小，因而最佳并發(fā)數(shù)N變化很小，所以只需要得到一個(gè)相對(duì)較為穩(wěn)定的N值即可。

2.2 中繼節(jié)點(diǎn)傳輸負(fù)載分配

在基于IEEE802.11的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為了實(shí)現(xiàn)無線信道資源共享，MAC層協(xié)議多采用CSMA/CA，即載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免機(jī)制[8]。該協(xié)議要求設(shè)備主動(dòng)避免沖突，盡量避免各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸沖突。節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，該機(jī)制可以有效協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的訪問，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，各節(jié)點(diǎn)間的碰撞加劇，造成誤碼率提高，從而導(dǎo)致信道利用率急劇降低[8]。

本系統(tǒng)中，各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)均會(huì)連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)，在進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)，多數(shù)據(jù)流將在各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)形成信道競(jìng)爭(zhēng)，因此，為了避免單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)由于信道競(jìng)爭(zhēng)過于激烈而導(dǎo)致傳輸速率減小，將傳輸負(fù)載均勻分配到各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。對(duì)于單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，首先通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試使得信道利用率最大的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)量。在數(shù)據(jù)傳輸前將采集節(jié)點(diǎn)按照連接的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分。多節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)，將同時(shí)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)盡量均勻分布到各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，并且使每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)不超過n。此時(shí)，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)均能獲得較大吞吐量，向后一個(gè)中繼點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，形成一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸采用節(jié)點(diǎn)地震儀常用的FTP協(xié)議進(jìn)行傳輸，在采集節(jié)點(diǎn)運(yùn)行小型FTP服務(wù)器，終端進(jìn)行數(shù)據(jù)文件下載。同時(shí)，為了使終端能夠及時(shí)獲取到新生成的數(shù)據(jù)文件，利用UDP協(xié)議小包傳輸快速高效的特點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)生成新的文件后，即刻將文件名向終端發(fā)送，終端通過文件名啟動(dòng)FTP傳輸。

多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D如圖5所示。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，首先根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系大致判斷各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)所連接的中繼節(jié)點(diǎn)，按照中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用一個(gè)FTP下載管理器實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后的多節(jié)點(diǎn)傳輸機(jī)制。采集節(jié)點(diǎn)上傳的文件名被傳遞到FTP下載管理器，當(dāng)下載隊(duì)列中正在下載的文件數(shù)為N時(shí)，將該文件信息直接加入等待隊(duì)列。當(dāng)此時(shí)正在下載的文件數(shù)小于N時(shí)，若該文件所在節(jié)點(diǎn)分組中正在傳輸?shù)臄?shù)目等于n，將該文件信息加入到等待隊(duì)列，否則直接開啟FTP下載。當(dāng)下載隊(duì)列中發(fā)出文件下載完成信號(hào)后，從等待隊(duì)列中選擇一個(gè)所在分組中節(jié)點(diǎn)并發(fā)數(shù)最少的一個(gè)文件開啟下載，并從等待隊(duì)列刪除。

圖5 多節(jié)點(diǎn)傳輸流程圖

3 測(cè)試與分析

3.1 單個(gè)AP最優(yōu)吞吐量測(cè)試

針對(duì)單個(gè)AP節(jié)點(diǎn)，測(cè)試不同距離時(shí)，不同數(shù)量采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸時(shí)的系統(tǒng)吞吐量，如圖6為測(cè)試結(jié)果。由結(jié)果可知，當(dāng)同時(shí)進(jìn)行傳輸?shù)夭杉緮?shù)目小于4時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著采集站個(gè)數(shù)增多而逐漸變大。節(jié)點(diǎn)數(shù)量大于4的時(shí)候，單個(gè)AP的吞吐量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。不同距離時(shí)，測(cè)試結(jié)果大致相同。測(cè)試結(jié)果表明，n=4時(shí)單個(gè)AP的吞吐量最大。

圖6 單個(gè)AP最優(yōu)吞吐量測(cè)試

3.2 多AP最優(yōu)吞吐量測(cè)試

分別測(cè)試了布設(shè)兩個(gè)AP與三個(gè)AP時(shí)，連接不同數(shù)量節(jié)點(diǎn)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。依次為每個(gè)AP增加節(jié)點(diǎn)，并且從距離最近的AP開始增加，使所有的節(jié)點(diǎn)盡量均勻分布到各個(gè)中繼AP，兩個(gè)AP之間的距離為50米。由圖7所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)AP節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為2時(shí)，同時(shí)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)N=5時(shí)系統(tǒng)吞吐量最大，AP節(jié)點(diǎn)數(shù)為3時(shí)，同時(shí)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)N=7時(shí)系統(tǒng)的吞吐量最大。

圖7 多個(gè)AP最優(yōu)吞吐量測(cè)試

3.3 中繼節(jié)點(diǎn)傳輸負(fù)載分配測(cè)試

布設(shè)三個(gè)中繼AP，間隔50米，每個(gè)AP連接4個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸2000個(gè)數(shù)據(jù)文件到終端，終端采用WireShartk捕獲流量。分別進(jìn)行兩組測(cè)試，第一組測(cè)試時(shí)第一個(gè)AP（離中心點(diǎn)最近）連接的全部節(jié)點(diǎn)首先同時(shí)進(jìn)行傳輸，接著是第二中繼節(jié)點(diǎn)，直至所有節(jié)點(diǎn)完成傳輸。第二組測(cè)試時(shí)，7個(gè)采集站同時(shí)進(jìn)行傳輸，這7個(gè)采集站盡量均勻分布在3個(gè)AP下。如圖5～圖7所示為系統(tǒng)瞬時(shí)吞吐量。第二組測(cè)試中，最初的吞吐量比較大，這是由于第一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)靠近終端，但是隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)行，系統(tǒng)吞吐量逐漸降低，整個(gè)過程平均吞吐量為7.42MB/s，第一組測(cè)試中，系統(tǒng)吞吐量較為穩(wěn)定，平均吞吐量為7.13MB/s。測(cè)試結(jié)果表明，將傳輸負(fù)載均勻分配到各中繼節(jié)點(diǎn)可以提高傳輸效率。

3.4 野外實(shí)際測(cè)試

在野外共布設(shè)了51個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間距離約為3米。采用3個(gè)AP組建網(wǎng)絡(luò)，AP之間距離約為60米，每個(gè)AP連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)為17個(gè)左右，對(duì)51道數(shù)據(jù)進(jìn)行單炮數(shù)據(jù)文件回收，連續(xù)實(shí)驗(yàn)100炮數(shù)據(jù)，并在軟件中記錄數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，如圖8為其中某一幀的地震數(shù)據(jù)，測(cè)得數(shù)據(jù)回收的平均吞吐量為7.32MB/s。

圖8 傳輸負(fù)載均衡分配吞吐量測(cè)試

圖9 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面圖

4 結(jié)語

本文采用WLAN無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)地震儀無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，基于中繼模式的組網(wǎng)方式擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，優(yōu)化的多節(jié)點(diǎn)傳輸機(jī)制提高了傳輸速率，系統(tǒng)具有一定實(shí)用價(jià)值，可被廣泛應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)地震儀的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。