基于Ad Hoc模式下的UUV水下通信組網(wǎng)技術(shù)研究

馬亮 張佳琪, 孫新溢, 欒濤

(1.中國人民解放軍海軍潛艇學(xué)院,山東青島 266000;2.91208部隊(duì),山東青島 266000)

0 引言

無人潛航器作為新一代水下作戰(zhàn)平臺(tái),可裝載聲吶、光、磁傳感器及通信導(dǎo)航設(shè)備,具有體積小、集成化水平高、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn),在軍事運(yùn)用方面有較大的潛力。為充分發(fā)揮其水下戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢,提高遠(yuǎn)海信息傳輸能力,將UUV作為水下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)通信,并針對UUV的移動(dòng)特性,選用自組織、多跳移動(dòng)的組網(wǎng)方式,在此基礎(chǔ)上通過對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、多址接入方式、路由選擇等方面的研究,確保了信息傳遞的可靠性。

1 國內(nèi)外UUV組網(wǎng)情況

為實(shí)施網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn),開發(fā)新一代水下信息作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò),自20世紀(jì)90年代起,美國開始研發(fā)實(shí)用的水聲網(wǎng)絡(luò)Seaweb,該項(xiàng)目將水下無人航行器(UUV)作為網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn),并與重發(fā)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)完成水下網(wǎng)絡(luò)的通信及導(dǎo)航任務(wù)。2004年美海軍發(fā)布的UUV主計(jì)劃,重點(diǎn)關(guān)注UUV組網(wǎng)技術(shù)的研究,2006年于“Submarine Roads Ahead”論壇上發(fā)布了近海連續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)PLUSNet計(jì)劃,系統(tǒng)由攜帶半自主傳感器的UUV組成,這些UUV可在無人指導(dǎo)的情況下進(jìn)行通信并作出最基本的判定[1]。我國在“863”計(jì)劃的牽引下,各科研院所紛紛對水下探測及通信領(lǐng)域展開研究,并已通過湖上試驗(yàn)、研制樣機(jī)等手段取得了一定的科研成果。目前,中科院聲學(xué)所研制的ACN系列產(chǎn)品,在AUV的控制方面得到有效應(yīng)用,廈門大學(xué)AMLink系列的水下Modem將水聲通信與定位合二為一,能更好的完成水下網(wǎng)絡(luò)通信和定位任務(wù)。

2 UUV組網(wǎng)的總體部署方案設(shè)計(jì)

總體部署方案:水下UUV組網(wǎng)過程中,岸基指揮中心統(tǒng)過有線傳輸方式(海底光纜),將命令傳遞至水下基站,水下基站接收信息后轉(zhuǎn)發(fā)至UUV中繼節(jié)點(diǎn),這些中繼節(jié)點(diǎn)通過水聲通信方式,將特定信息傳遞至相應(yīng)的UUV任務(wù)單元,以完成指令信息的發(fā)送過程,若將信息傳遞至岸基則與上述過程相反。圖1所示為UUV的通信部署方案圖[2]。

圖1 UUV通信組網(wǎng)部署方案Fig.1 UUV communication network deployment scheme

3 Ad Hoc的組網(wǎng)模式

針對UUV具有移動(dòng)性強(qiáng),高度智能化的特點(diǎn),水下組網(wǎng)選用移動(dòng)自組網(wǎng)(Mobile Ad Hocnetwork)模式。MANET(移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò))不依賴于水下有線通信設(shè)備,各節(jié)點(diǎn)由移動(dòng)終端(UUV)組成,通過信號(hào)覆蓋區(qū)進(jìn)行通信,如果兩通信節(jié)點(diǎn)距離超出覆蓋范圍時(shí),需通過相鄰UUV充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn),形成多跳無線網(wǎng)絡(luò)對信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。該系統(tǒng)具有抗毀能力強(qiáng),無需架設(shè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,可快速部署的特點(diǎn),已成為戰(zhàn)術(shù)組網(wǎng)的核心技術(shù)。

3.1 Ad Hoc 的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在建立水下網(wǎng)絡(luò)時(shí),需根據(jù)水下組網(wǎng)的任務(wù)需求,綜合考慮網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模,信息傳輸速率等因素,對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。

Ad Hoc有兩種結(jié)構(gòu),分別為平面結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu),圖2、圖3為Ad Hoc的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 平面結(jié)構(gòu)Fig.2 Planar structure

圖3 層次結(jié)構(gòu)Fig.3 Hierarchical structure

平面結(jié)構(gòu)上的各節(jié)點(diǎn)能力相同,僅需存在多條路徑便可用于通信,但其存在路由開銷較大,可擴(kuò)展性較差的缺點(diǎn)。

層次結(jié)構(gòu),將網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)簇(cluster),每個(gè)簇相互獨(dú)立,低級簇的簇頭形成高級簇并對路由信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[3]。采用此類結(jié)構(gòu),可將拓?fù)渥兓瘜β酚傻挠绊懣刂圃趩蝹€(gè)簇中,旨在減少節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響,此外根據(jù)配置不同該結(jié)構(gòu)可分為單級分層和多級分層結(jié)構(gòu)。從使用上分析,分級結(jié)構(gòu)路由開銷較小、節(jié)點(diǎn)定位簡單,且抗毀性、擴(kuò)展性較好,因此在實(shí)際運(yùn)用中更有價(jià)值。

由于Ad Hoc在網(wǎng)絡(luò)中采用多跳傳輸方式,在此過程中為保證信息的有效傳輸,需滿足能量守恒和干涉兩個(gè)約束條件。

(1)流量守恒條件:即節(jié)點(diǎn)發(fā)送的流量與接收的流量差是恒定的,等于自身產(chǎn)生流量的速率。其公式如下:

(2)干涉條件:即任意一節(jié)點(diǎn)的接收與發(fā)送流量之和不能超過一固定值:

3.2 網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)

根據(jù)UUV網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn),結(jié)合水聲環(huán)境因素,綜合考慮水下節(jié)點(diǎn)傳輸帶寬及能耗的限制,在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議選擇中需減小開銷、優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)且應(yīng)具備較強(qiáng)的自適能力,因此無法將傳統(tǒng)的有線及無線路由協(xié)議運(yùn)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中?，F(xiàn)有三種適用于Ad Hoc的路由協(xié)議分別為:動(dòng)態(tài)源路由(Dynamic Source Routing,DSR)、臨時(shí)按需距離矢量路由(Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing,AODV)、優(yōu)化的鏈路狀態(tài)路由(Optimized Link State Routing,OLSR),對比以上三種網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,如表1所示:

表1 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議比較Tab.1 Comparison of network routing protocol

通過比較可知AODV作為一種按需路由協(xié)議,不需要對路由表進(jìn)行實(shí)時(shí)更新,可有效減小路由開銷,縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延,提高通信效率,對節(jié)點(diǎn)變化的網(wǎng)絡(luò)有較好的適應(yīng)性,因此在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中需采用AOCD路由協(xié)議。

3.3 水下組網(wǎng)分層協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)中的UUV通信協(xié)議采用層級結(jié)構(gòu)劃分,以開放系統(tǒng)互聯(lián)模型OSl(Open System Interconnection model)和TCPIP模型的協(xié)議結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),結(jié)合海洋環(huán)境的特點(diǎn),水聲通信網(wǎng)絡(luò)被分為4層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧演化圖Fig.4 Evolution of underwater acoustic network protocol stack

圖5 水聲自適應(yīng)OFDMA方案Fig.5 Acoustic adaptive OFDMA scheme

物理層:主要實(shí)現(xiàn)對接收信號(hào)調(diào)制及傳送的功能,通常采用OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交頻分多址)方式進(jìn)行信息傳輸,OFDMA是正交復(fù)用技術(shù)(OFDM)的優(yōu)化,是利用OFDM對信道進(jìn)行子載波化后,是在部分子載波上加載傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)[4]。

數(shù)據(jù)鏈路層:主要負(fù)責(zé)對來自網(wǎng)絡(luò)層信息的傳輸,為實(shí)現(xiàn)這一功能需將數(shù)據(jù)組合成數(shù)據(jù)塊(幀),并借助循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC(Cyclic Redundancy Check)的檢測技術(shù)進(jìn)行差錯(cuò)檢測。當(dāng)多個(gè)終端同時(shí)訪問同一資源(如共享的通信信道)時(shí),就可能會(huì)產(chǎn)生信息碰撞[5],導(dǎo)致通信失敗,在網(wǎng)絡(luò)中,采用媒體訪問控制(M e di a A c c e ss Control,MAC)進(jìn)行尋址,以保證幀的準(zhǔn)確遞送及資源的合理分配。

4 UUV節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)

在通信網(wǎng)絡(luò)中,伴隨著探測任務(wù)的變化,UUV節(jié)點(diǎn)將隨機(jī)移動(dòng)至新海域,通常情況下采用累計(jì)分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function,CDF)計(jì)算UUV的自由分布概率,同時(shí)構(gòu)建隨機(jī)游走模型以表示這一變化過程。具體如公式(3)所示:

其中R為新圓形區(qū)域的半徑,d為節(jié)點(diǎn)的變化距離

同時(shí)為保證UUV的合理布局,在確保UUV組網(wǎng)的順利進(jìn)行的同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)間的重疊覆蓋率,在UUV 水下運(yùn)動(dòng)過程中需引入間距閾值ijK,根據(jù)截八面體覆蓋區(qū)域探測方式,其中R為節(jié)點(diǎn)感知半徑。

當(dāng)UUV節(jié)點(diǎn)間距小于ijK時(shí),兩節(jié)點(diǎn)做相斥運(yùn)動(dòng),以降低節(jié)點(diǎn)間的重復(fù)覆蓋率,反之則需做相向運(yùn)動(dòng),圖6、圖7分別表示為受相鄰節(jié)點(diǎn)作用下的排斥運(yùn)動(dòng)圖[6]。

圖6 兩節(jié)點(diǎn)排斥運(yùn)動(dòng)Fig.6 Two-node exclusion motion

圖7 多干預(yù)方向排斥運(yùn)動(dòng)Fig.7 Multiple intervention directional exclusion movement

UUV節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向研究:設(shè)一節(jié)點(diǎn)P在ijK內(nèi)受另一節(jié)點(diǎn)P1的影響,為避免碰撞,其干預(yù)量F的大小與間距r成反比。公式表示為:

對節(jié)點(diǎn)p有多個(gè)干預(yù)節(jié)點(diǎn)的公式表示為:

由上述公式可根據(jù)U U V的相對距離判斷其運(yùn)動(dòng)的趨勢。

5 結(jié)語

隨著電子戰(zhàn)向多維作戰(zhàn)空間擴(kuò)展,使用UUV作為水下信息通信的中繼,具有極大的可達(dá)性,可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程遞送。為優(yōu)化水聲通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)信息的快速傳輸,本文對組網(wǎng)過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行比較,得出適用于水下移動(dòng)組網(wǎng)的相關(guān)技術(shù),即采取MAC協(xié)議可降低能量損耗,構(gòu)建層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可降低路由開銷,同時(shí)路由層采用AODV協(xié)議,可減少路由發(fā)現(xiàn)過程的延時(shí),進(jìn)而提高UUV的組網(wǎng)通信能力。