馬 璐, 溫夢華, 喬 鋼, 孫宗鑫, 池慶璽, 李 珊, 李志強(qiáng)

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無人水下航行器聲通信系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

馬 璐1,2,3, 溫夢華1,2,3, 喬 鋼1,2,3, 孫宗鑫1,2,3, 池慶璽4, 李 珊4, 李志強(qiáng)4

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱, 150001; 2.海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工程大學(xué)), 工業(yè)和信息化部, 黑龍江 哈爾濱, 150001; 3. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱, 150001; 4. 北京機(jī)電工程研究所, 北京, 100074)

聲波是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的唯一能在水下遠(yuǎn)距離傳播信息的載體, 為了對無人水下航行器(UUV)進(jìn)行遙控和監(jiān)測, 建立一條UUV和水面指揮平臺之間的無線通信鏈路, 文中設(shè)計了一套UUV通信系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用聲波作為載體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信。由于水聲信道具有明顯的多徑干擾、多普勒頻偏等特性, 該系統(tǒng)采用非相干多載波頻移鍵控(MFSK)技術(shù)保證聲通信鏈路的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步加強(qiáng)遙控指令、狀態(tài)信息等的可靠傳輸, 采用停止等待自動要求重發(fā)(ARQ)協(xié)議對通信過程進(jìn)行差錯控制。所有控制算法均在低功耗數(shù)字信號處理器(DSP)硬件平臺下實(shí)時實(shí)現(xiàn)。通過南海試驗(yàn)測試, 驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性。

無人水下航行器; 水聲通信; DSP硬件平臺; 多載波頻移鍵控; 停止等待ARQ協(xié)議

0 引言

當(dāng)今世界, 各國對海洋資源的開發(fā)越來越重視, 各種型號和用途的無人水下航行器(underwater unmanned vehicle, UUV)也進(jìn)入了飛速發(fā)展的時期, 當(dāng)前UUV主要分為遙控水下航行器(remotly operated vehicle, ROV)和自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)2種[1],而ROV使用有纜遙控居多, 使用無纜遙控的少。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于以太網(wǎng)協(xié)議的光纖通信系統(tǒng)。美國伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI)研制的“海神”號也是通過光纖微纜與水面母船建立實(shí)時通信連接[1], 但是光纖通信等有纜通信系統(tǒng)不適合用于遠(yuǎn)距離和復(fù)雜地形, 其活動范圍和自由度會受到限制。文獻(xiàn)[3]、[4]和專利[5]采用的是無線電通信系統(tǒng), 但是無線電在水中無法遠(yuǎn)距離傳播, 也無法勝任在水下作業(yè)的UUV的通信需求。2010年, 法國海洋研究所研制成功的“阿麗亞娜”號UUV當(dāng)以自主方式運(yùn)行時, 可通過水聲通信將采集到的數(shù)據(jù)傳至水面[1], 文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]中設(shè)計的UUV都采用的是水聲通信, 其中, 文獻(xiàn)[6]使用差分脈沖位置調(diào)制技術(shù), 這種調(diào)制技術(shù)抗多徑能力差, 不適合用于多徑效應(yīng)明顯的水聲信道中, 文獻(xiàn)[7]采用正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)通信技術(shù), 該技術(shù)一般適用于數(shù)據(jù)幀長長、對通信速率要求高的場合。然而在水下, UUV的控制信號往往比較短, 對通信速率要求不高, 但對通信的穩(wěn)健性要求比較高, 這種情況更適合用低速、穩(wěn)健、復(fù)雜度低的水聲通信技術(shù), 所以文中把多載波頻移鍵控(multiple frequency shift keying, MFSK)水聲通信技術(shù)用于水下UUV通信系統(tǒng), 是對當(dāng)前現(xiàn)有的幾種水下UUV通信系統(tǒng)的一個很好的改進(jìn)。

文中設(shè)計的UUV通信系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器(digital signal processor, DSP)作為硬件平臺, 采用MFSK通信技術(shù)[8-9]和停止等待自動要求重發(fā)(automatic repeat request, ARQ)協(xié)議[10-11], 可以實(shí)現(xiàn)水面指揮平臺和UUV之間的通信連接建立、操作指令傳輸、任務(wù)數(shù)據(jù)裝訂、位置狀態(tài)上報以及通信機(jī)參數(shù)設(shè)置等多種功能, 可以全方位地對UUV進(jìn)行遙控和監(jiān)測。

1 系統(tǒng)設(shè)計概述

該系統(tǒng)的功能主要是建立水面指揮平臺和UUV之間的通信鏈路, 分為水上機(jī)和水下機(jī), 水上機(jī)位于水面船或岸基, 如圖1(a)所示, 可連接 PC (personal computer)機(jī)進(jìn)行操作指令的下發(fā)和UUV狀態(tài)信息顯示。水下機(jī)位于UUV艙體內(nèi), 如圖1(b)所示, 可與UUV內(nèi)部綜合控制平臺進(jìn)行信息交互。

水面指揮平臺把要發(fā)送的控制指令通過串口發(fā)送給水上機(jī), 水上機(jī)通過MFSK調(diào)制方式把串口收到的指令調(diào)制成能夠在水聲信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘? 并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter, DAC)、功放、換能器轉(zhuǎn)換成聲信號發(fā)送出去, 水下機(jī)會通過換能器、前放、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter, ADC)把接收的聲信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, DSP對接收的數(shù)字信號進(jìn)行解調(diào)和解碼處理, 獲得水面指揮平臺通過水上機(jī)給水下機(jī)發(fā)送的指令, 并把指令發(fā)送給UUV。這樣, UUV就收到了水面指揮平臺的指令, 達(dá)到了遙控的目的。同理, UUV也可以用同樣的方式通過水下機(jī)給水上機(jī)發(fā)送位置狀態(tài)數(shù)據(jù)包, 達(dá)到了監(jiān)控的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)功能主要分為以下幾個方面。

1) 通信連接建立(測距)

指揮平臺在發(fā)送數(shù)據(jù)前建立起和UUV的通信鏈路, 檢測UUV之間是否在正常的通信范圍內(nèi), 以及信道條件是否良好。同時, 水上機(jī)會根據(jù)測出的聲信號傳輸延時來測量水面指揮平臺和UUV之間的距離(測距方法詳見第3.3節(jié))。

2) 操作指令傳輸

水面指揮平臺把要控制UUV執(zhí)行的操作指令(例如開始游動等)發(fā)送給UUV, 操作指令一般比較短。

3) 任務(wù)數(shù)據(jù)裝訂

水面指揮平臺把一些執(zhí)行任務(wù)相關(guān)的較長數(shù)據(jù)(例如游動路線軌跡等)發(fā)送給UUV, 和操作指令相比, 任務(wù)數(shù)據(jù)裝訂發(fā)送的數(shù)據(jù)包比較長。

4) 位置狀態(tài)上報

UUV周期性地把自己的位置狀態(tài)發(fā)送給水面指揮平臺, 以便其實(shí)時地對它進(jìn)行監(jiān)控。

5) 通信機(jī)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置通信機(jī)的發(fā)射信號幅度和前放接收增益, 在不同的通信距離和通信環(huán)境下, 可以給通信機(jī)設(shè)置合適的參數(shù)。

該系統(tǒng)全面考慮了長指令和短指令的傳輸、控制信號和監(jiān)測信號的傳輸?shù)雀鞣N不同的情況, 能滿足UUV遙控領(lǐng)域的各方面需求。除此之外, 其還考慮了UUV設(shè)備的低功耗需求, 所以, 處理器平臺采用低功耗TMS320C6748, 功耗可低達(dá)0.49 W, 是業(yè)界功耗最低的浮點(diǎn)型DSP。

2 多載波MFSK通信技術(shù)

水聲信道具有嚴(yán)重的多徑干擾和多普勒頻偏等問題, OFDM可以有效克服多途干擾, 但易受到多普勒頻偏的影響, 且所需接收信噪比較高[12-14]。非相干MFSK通信方式雖然通信速率上性能一般, 但是通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠[15-16]。而多載波MFSK通信很好地兼容了以上2個特點(diǎn): 利用多載波特點(diǎn)將符號周期加長, 在不過分降低通信速率的同時, 利用循環(huán)前綴克服碼間干擾影響; 同時, 帶寬內(nèi)占用的多個有效頻點(diǎn)相鄰間隔較大, 具有一定的多普勒頻偏容限, 因此達(dá)到了通信速率和穩(wěn)定性的折中。

多載波MFSK水聲通信技術(shù)的基本原理和框圖如圖3所示, 在發(fā)送端將輸入比特流經(jīng)過編碼之后, 作為頻域信息, 利用傅里葉反變換調(diào)制到一定帶寬的多個子載波上并進(jìn)行傳輸, 得到發(fā)送的時域波形。在接收端利用傅里葉變換將疊加在一起的時域波形信息轉(zhuǎn)化到頻域進(jìn)行處理, 結(jié)合Hadamard(20,5)碼字, 計算出每5 bit的對數(shù)似然比軟信息,然后進(jìn)入信道譯碼器得到比特流信息。

2.1 Hadamard-OOK-IFFT技術(shù)

交織之后的比特流要進(jìn)行基帶上的數(shù)字調(diào)制, 然后上變頻到通帶, 之后發(fā)射出去。該設(shè)計利用Hadamard-OOK-IFFT技術(shù)進(jìn)行調(diào)制, Hadamard碼的碼字中0和1的個數(shù)相同, 能夠在低信噪比下提高編碼增益, 賦予水聲通信系統(tǒng)更強(qiáng)的抗噪聲、抗衰落性能。該系統(tǒng)采用的是Hadamard(20,5)碼字格式, 即將交織后每5 bit映射成20 bit。然后將映射后的比特流放置于通帶信號相應(yīng)頻點(diǎn)上, 通過逆快速傅里葉變換(inverse fast Fourier transform, IFFT)即得到時域波形, 完成了調(diào)制過程。原理圖如圖4所示。

2.2 多普勒估計與補(bǔ)償

設(shè)計水聲多載波MFSK通信幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 停止等待ARQ協(xié)議

由于水聲信道的復(fù)雜性, 水聲通信鏈路的穩(wěn)定性相對于陸地?zé)o線電通信較差。所以, 建立1個接收端向發(fā)送端的通信結(jié)果反饋機(jī)制極為必要, 文中系統(tǒng)采用停止等待ARQ協(xié)議。

3.1 協(xié)議描述

發(fā)送端每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包后, 都會等待接收端的確認(rèn)(acknowledgement, ACK)回復(fù), 收到正確的ACK之后, 才能發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。如果在規(guī)定的等待時間內(nèi)沒收到接收端回復(fù)的ACK, 或者收到校驗(yàn)錯誤的ACK, 發(fā)送端都會重傳。程序流程圖如圖6所示。

通過這種反饋重傳機(jī)制, 發(fā)送端可以通過接收端反饋的通信結(jié)果來判斷通信是否成功, 當(dāng)通信不成功時, 可以自動進(jìn)行重傳, 多次重發(fā)的成功率必然會比一次發(fā)送的成功率高, 所以, 文中系統(tǒng)通過停止等待ARQ協(xié)議可以進(jìn)一步提高通信的可靠性。

3.2 幀結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)包由一個發(fā)送請求(request to send+, RTS+)控制幀和若干個數(shù)據(jù)幀組成, 應(yīng)答包由ACK控制幀組成[17], 如圖7所示。

數(shù)據(jù)包中的RTS+控制幀包含發(fā)送序列號、數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)包幀數(shù)、數(shù)據(jù)包比特長度等信息, 如圖8所示。其中, 控制包類型的作用是標(biāo)識控制包是RTS+還是ACK, 此位是1代表RTS+, 是0代表ACK。

發(fā)送序列號的作用是識別一條指令是否重發(fā), 重發(fā)數(shù)據(jù)包的發(fā)送序列號相同, 這樣就可以避免一條指令被接收端重復(fù)響應(yīng)。

數(shù)據(jù)包類型的作用是標(biāo)識第1節(jié)中提到的不同功能下發(fā)送的數(shù)據(jù), 包括通信連接建立、操作指令、數(shù)據(jù)裝訂、位置狀態(tài)上報和參數(shù)修改。

數(shù)據(jù)包幀數(shù)的作用是標(biāo)識數(shù)據(jù)包被調(diào)制的幀數(shù), 物理層的解調(diào)算法需要用到這個信息。

數(shù)據(jù)包比特長度的作用是標(biāo)識數(shù)據(jù)包承載的比特數(shù), 在通信機(jī)與水面指揮平臺或UUV的通信協(xié)議中, 需要用到此信息。

應(yīng)答包的ACK控制幀包含校驗(yàn)結(jié)果、應(yīng)答延遲、信噪比和信道評價等信息。如圖9所示。

校驗(yàn)結(jié)果的作用是接收端向發(fā)送端反饋校驗(yàn)結(jié)果, 如果校驗(yàn)錯誤發(fā)送端會重傳。

應(yīng)答延遲的作用是標(biāo)識接收端自收到全部數(shù)據(jù)包的時間到發(fā)出ACK應(yīng)答包的時間之差, 發(fā)送端可以根據(jù)此信息來計算發(fā)送端到接收端的距離。

信噪比和信道評價的作用是接收端根據(jù)收到的信號向發(fā)送端反饋信道的情況, 用以輔助發(fā)送端調(diào)整通信參數(shù)。

3.3 延時時間計算

發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)包之后, 開始計時并等待接收端應(yīng)答ACK信號, 收到ACK信號之后就可以利用所計的時長來計算發(fā)送端到接收端的距離, 如果收不到ACK, 也不能無限制地等待下去, 所以需要計算最長的等待時間。當(dāng)超過最長等待時間后, 就認(rèn)為此次發(fā)送失敗, 需要重發(fā)。

所以, 發(fā)送端在發(fā)送完數(shù)據(jù)包之后的等待應(yīng)答時間為

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

該系統(tǒng)選用的多載波MFSK通信參數(shù)如表1所示。該系統(tǒng)于2018年4月在三亞日月灣海域進(jìn)行了距離100 m的功能測試, 2級海況, 水上機(jī)給水下機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包, 水下機(jī)的接收信號時域波形圖如圖11所示。

表1 多載波MFSK通信參數(shù)列表

接收信號的信噪比較高, 約為13 dB, 用接收的幀頭LFM估計得到信道沖激響應(yīng)如圖12所示。

從圖11可以看出, 接收信號有因多徑反射引起的嚴(yán)重拖尾現(xiàn)象。從圖12可以看出信道的多徑時延擴(kuò)展約50 ms。

以MFSK信號前60個子載波為例對多徑衰落影響進(jìn)行分析。水聲MFSK信號發(fā)射和接收子載波幅度對比如圖13所示。

從圖13可以看出, 經(jīng)歷了接近50 ms的多徑時延擴(kuò)展信道后, 接收的MFSK信號的前60個子載波發(fā)生了不同程度的衰落, 尤其在圖中圓圈內(nèi)的子載波發(fā)生了深度衰落, 如果直接采用門限硬判決會導(dǎo)致解碼錯誤。而該系統(tǒng)通過計算接收子載波處的對數(shù)似然比軟信息, 并利用Hadamard (20,5)碼字和1/2碼率信道編碼的糾錯能力, 提升了MFSK信號的抗多徑、抗噪聲能力, 處理后的誤碼率為0。

比較采用停止等待ARQ協(xié)議與不采用停止等待ARQ協(xié)議的結(jié)果如下:

停止等待ARQ協(xié)議可以在數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗之后自動重發(fā), 可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃? 在距離100 m, 2級海況下, 共進(jìn)行了12個數(shù)據(jù)包的傳輸試驗(yàn), 其中某個數(shù)據(jù)包在第一次傳輸時解調(diào)錯誤, 但可通過停止等待ARQ協(xié)議進(jìn)行重傳, 使數(shù)據(jù)包在重傳過程中傳輸成功; 而如果不采用停止等待ARQ協(xié)議, 該數(shù)據(jù)包就無法傳輸成功。表2比較了采用停止等待ARQ協(xié)議與不采用的效果。

表2 停止等待ARQ協(xié)議效果分析表

由表2可知, 采用停止等待ARQ協(xié)議可以提高通信成功率。

此外, 在1 km距離, 3級海況下進(jìn)行了20個數(shù)據(jù)包傳輸試驗(yàn), 有4個數(shù)據(jù)包在首次傳輸時出現(xiàn)錯誤, 則不采用停止等待ARQ協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸成功率為16/20=80%, 若采用, 則傳輸成功率可達(dá)100%。

5 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種UUV聲通信系統(tǒng), 具有通信連接建立、操作指令傳輸、任務(wù)數(shù)據(jù)裝訂、位置狀態(tài)上報和通信參數(shù)設(shè)置等5種功能, 實(shí)現(xiàn)了對UUV的遙控和監(jiān)測。該系統(tǒng)采用的多載波MFSK通信技術(shù)可以有效克服多途干擾, 通過停止等待ARQ協(xié)議又可以進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的可靠性。最后通過外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在多途效應(yīng)比較嚴(yán)重的情況下仍然能夠達(dá)到較高的通信成功率。在以后的工作中, 擬擴(kuò)展水下自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 從而可以實(shí)現(xiàn)對UUV編隊的遙控及編隊內(nèi)部的自主協(xié)同[19]。

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Design and Application of Acoustic Communication System for Unmanned Undersea Vehicle

MA Lu1,2,3, WEN Meng-hua1,2,3, QIAO Gang1,2,3, SUN Zong-xin1,2,3, CHI Qing-xi4, LI Shan4, LI Zhi-qiang4

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Key Laboratory of Marine Information Acquisition and Security(Harbin Engineering University), Ministry of Industry and Information Technology, Harbin 150001, China; 3. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 4. Beijing Research Institute of Mechanical & Electrical Technology, Beijing 100074, China)

To remotely control and monitor an unmanned undersea vehicle(UUV), it is necessary to establish a communication link between the UUV and the surface control platform. In this study, a telecommunication system adopting acoustic wave as the carrier is designed for the UUV. Because the underwater acoustic channel has the significant characteristics of multipath interference and Doppler shift, this system uses incoherent multi-carrier frequency shift keying (MFSK) technology to ensure the stability of acoustic communication link. In order to further strengthen the transmission reliability of telecontrol instruction and status information, the stop-and-wait automatic repeat request(ARQ) protocol is used for error control. All of the control algorithms are timely realized on the low-power digital signal processor(DSP) hardware platform. Tests in South China Sea verify the practicability and stability of the present system.

unmanned undersea vehicles(UUV); underwater acoustic communication; digital signal processor(DSP) hardware platform; multi-carrier multiple frequency shift keying(MFSK); stop-and-wait automatic repeat request(ARQ) protocol

TJ630.34; U674.941; TN929.3

A

2096-3920(2018)05-0449-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.012

2016-11-19;

2016-12-18.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61431004, 61601136, 61501134).

馬 璐(1987-), 女, 博士, 副教授, 主要研究方向?yàn)樗曂ㄐ偶夹g(shù).

馬璐, 溫夢華, 喬鋼, 等. 無人水下航行器聲通信系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(5): 449-455.

(責(zé)任編輯: 許 妍)