姜愉 胡文君 葉雪云 梁劍烽 楊忠強(qiáng)

摘 ? 要：水聲傳感網(wǎng)絡(luò)為水下信號(hào)目標(biāo)檢索和水下開(kāi)發(fā)等提供技術(shù)支持，但網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間傳輸時(shí)存在數(shù)據(jù)擁堵、數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象，因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議MAC的研究與改進(jìn)尤為重要。由于水聲傳輸過(guò)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(guò)MAC協(xié)議優(yōu)化節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和通過(guò)EMD分解方法去除水聲信號(hào)噪聲的水聲傳感方案，可有效提高節(jié)點(diǎn)傳輸效率、去除噪聲干擾。

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

海洋覆蓋地球70%以上地區(qū)，充分地開(kāi)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(guó)海岸線長(zhǎng)達(dá)1.8萬(wàn)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(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)發(fā)展尤為重要[1]。

海洋內(nèi)部通信主要通過(guò)水聲無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。由于水對(duì)聲音具有透明性，水聲信號(hào)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(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境勘測(cè)、水下災(zāi)害預(yù)警和水下目標(biāo)源檢測(cè)等領(lǐng)域，但水聲傳播過(guò)程中的時(shí)間延時(shí)、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(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)收到時(shí)間差異大等問(wèn)題，因此，結(jié)合水下傳感環(huán)境特征，建立有效的水聲無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議可有效地解決水聲信號(hào)傳輸中的各類(lèi)問(wèn)題。對(duì)接收到的信號(hào)采用濾波去噪，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?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(hào)。

1 ? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)匯聚至匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送給水面控制平臺(tái)，水面控制平臺(tái)對(duì)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)通用分組無(wú)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD去噪重構(gòu)分析。

均勻分布的多個(gè)水聲傳感器節(jié)點(diǎn)，在匯聚節(jié)點(diǎn)附近的水聲傳感器節(jié)點(diǎn)較少。離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的水聲傳感器節(jié)點(diǎn)采用多跳的方式傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，因此，靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)需處理的數(shù)據(jù)量較大，遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)需處理多個(gè)遠(yuǎn)距離傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)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(wèn)控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議是解決網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)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(diǎn)[4]。作為分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)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(hào)要求較高場(chǎng)所尤為適用。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成框架如圖1所示，控制平臺(tái)收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)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(tīng)多路訪問(wèn)（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）協(xié)議，MACA屬于基于請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送協(xié)議（Request to Send/Clear to Send，RTS/CTS）機(jī)制的MAC，而CSMA屬于基于載波偵聽(tīng)機(jī)制的MAC。

RTS/CTS機(jī)制的基本特性是發(fā)送端，首先，發(fā)送一個(gè)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(gè)CTS幀通知可接收數(shù)據(jù)，同時(shí)，通知其他節(jié)點(diǎn)不再接收數(shù)據(jù)[5]。當(dāng)多個(gè)發(fā)送端同時(shí)發(fā)送RTS幀提醒接收端時(shí)會(huì)發(fā)生沖突，其中，發(fā)送失敗的一方會(huì)等待一段時(shí)間再次發(fā)送RTS幀。這種方法可減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，但當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，傳輸延時(shí)依然較大。例如水聲傳感系統(tǒng)中接近匯聚節(jié)點(diǎn)的位置傳感節(jié)點(diǎn)較少，傳感數(shù)據(jù)多，極有可能造成噪聲節(jié)點(diǎn)大量堵塞。

基于載波偵聽(tīng)機(jī)制的CSMA機(jī)制是當(dāng)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先，偵聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)是否在接收其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如信道忙則等待至信道空閑再進(jìn)行發(fā)送。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行沖突檢測(cè)[6]，沖突檢測(cè)包括物理偵聽(tīng)和虛擬偵聽(tīng)，通過(guò)對(duì)讀到信息與發(fā)送信息進(jìn)行對(duì)比確定是否發(fā)生沖突。由于水下傳感系統(tǒng)時(shí)延較長(zhǎng)，為保證通信正常進(jìn)行，對(duì)于水下傳感系統(tǒng)采用輪詢(xún)方式偵聽(tīng)沖突，同時(shí)，采用一個(gè)固定的順序進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳遞來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸沖突。其次，當(dāng)水聲節(jié)點(diǎn)采集時(shí)間和方式固定時(shí)，給出固定的順序發(fā)送數(shù)據(jù)可最大限度地減少延時(shí)時(shí)間。同時(shí)，為檢測(cè)數(shù)據(jù)是否丟失，通過(guò)增加數(shù)據(jù)頭來(lái)反饋數(shù)據(jù)幀丟失情況，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行重新發(fā)送。針對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)中靠近匯聚節(jié)點(diǎn)處信息傳輸擁堵問(wèn)題，考慮采用接收節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)RTS幀的方法，然后分析各個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量大小，根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(shí)可考慮輪詢(xún)方式與競(jìng)爭(zhēng)方式結(jié)合設(shè)計(jì)優(yōu)化算法。各個(gè)水下無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)在采集數(shù)據(jù)數(shù)量固定時(shí)，如水下環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)可采用固定發(fā)送順序方式傳輸數(shù)據(jù)至匯聚節(jié)點(diǎn)，如水下目標(biāo)檢測(cè)時(shí)只對(duì)目標(biāo)附近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采集，其他節(jié)點(diǎn)可停止工作，只對(duì)目標(biāo)附近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢(xún)傳輸或競(jìng)爭(zhēng)傳輸[8]。對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿芗瘏^(qū)域，可采用擴(kuò)頻傳輸，為各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸給予固定的擴(kuò)頻碼，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速傳輸，減少了信道競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)協(xié)議、非競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議和混合協(xié)議3類(lèi)[9]。

3 ? ?EMD方法

EMD適合處理非線性、非平穩(wěn)時(shí)間信號(hào)，本質(zhì)是平穩(wěn)化處理信號(hào)，將單個(gè)頻率無(wú)規(guī)則的信號(hào)轉(zhuǎn)化為多個(gè)固有模態(tài)函數(shù)和殘余分量的形式。對(duì)于傳輸?shù)娇刂破脚_(tái)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行解析后傳輸至遠(yuǎn)程終端進(jìn)行EMD分解，將信號(hào)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(duì)其中的噪聲進(jìn)行去除，然后重構(gòu)信號(hào)，結(jié)合重構(gòu)信號(hào)分析所傳數(shù)據(jù)[10]。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)水聲瞬態(tài)信號(hào)傳輸過(guò)程中存在的噪聲和傳感節(jié)點(diǎn)擁堵問(wèn)題，給出了利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、重構(gòu)、去除噪聲和通過(guò)改進(jìn)MAC協(xié)議來(lái)提高節(jié)點(diǎn)傳輸效率的方法，這種方法對(duì)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(jià)值。

后續(xù)研究主要對(duì)EMD算法計(jì)算速度和計(jì)算量方面進(jìn)行提升，并提高水下目標(biāo)處理的實(shí)時(shí)性。

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