節(jié)點地震儀無線傳輸系統(tǒng)設計

王甫康，庹先國，劉 勇，榮文鉦

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

0 引言

近年來，節(jié)點地震儀逐漸發(fā)展成熟，被廣泛應用于石油物探行業(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、檢修等耗時工作，可適應復雜地形條件下的地震勘探，但同時無法進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控也其最大的缺點。有效的現(xiàn)場實時監(jiān)控可快速判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，檢查炮檢關系，及時進行補炮等[2]，從而確保有效的數(shù)據(jù)采集。因此，設計高效的節(jié)點地震儀無線傳輸系統(tǒng)進行現(xiàn)場實時監(jiān)控，對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。

目前市場上多數(shù)節(jié)點地震儀在勘探現(xiàn)場放棄對數(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)點地震儀利用成熟的無線通信技術實時傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控[1，4～6]。但是由于采集節(jié)點眾多、數(shù)據(jù)龐大、無線網(wǎng)絡自身的缺點，使得無線信道競爭激烈、網(wǎng)絡容易出現(xiàn)擁塞。針對以上問題，本文采用WLAN通信技術構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用中繼模式擴大網(wǎng)絡覆蓋面積。利用傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)固定、流量可控等特點，對多節(jié)點的傳輸機制進行優(yōu)化，通過實驗方法確定單個AP節(jié)點、多個中繼節(jié)點獲得最優(yōu)吞吐量時同時傳輸?shù)墓?jié)點個數(shù)，并將同時傳輸?shù)墓?jié)點盡可能均勻分布到各個中繼AP節(jié)點，使每個中繼節(jié)點連接的采集節(jié)點在信道資源競爭時避免了劇烈的碰撞，從而提高了整個系統(tǒng)的傳輸效率。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

節(jié)點地震儀數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由節(jié)點的無線傳輸單元、無線傳輸網(wǎng)絡、終端計算機組成，如圖1所示。采集節(jié)點連接檢波器采集震動信號，采用ASCII碼存儲采集時間，二進制格式存儲地震數(shù)據(jù)，由無線傳輸單元傳輸至終端。震源記錄儀檢測人工震源的敲擊，記錄敲擊時間，通過無線傳輸單元向終端發(fā)送。終端計算機是整個系統(tǒng)的監(jiān)控中心，在線配置采集節(jié)點參數(shù)、監(jiān)控狀態(tài)，接收采集節(jié)點的地震數(shù)據(jù)、震源記錄儀的震源激發(fā)時間，并實時展示二維地震數(shù)據(jù)波形。

圖1 節(jié)點地震儀傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 無線傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計

在進行地震勘探時，采集節(jié)點按照一定間距均勻布設在一條直線上，節(jié)點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)絡應具有靈活性、可擴展、覆蓋范圍大等特點。在WLAN的組網(wǎng)方式中，基礎拓撲結(jié)構(gòu)是應用最廣泛的結(jié)構(gòu)，通過單個AP與多節(jié)點連接，但網(wǎng)絡覆蓋面積有限。中繼模式是對基礎拓撲結(jié)構(gòu)在傳輸距離上的擴展，可通過靈活添加中繼AP擴大覆蓋范圍。因此，本文基于中繼模式設計了如圖2所示的傳輸網(wǎng)絡，中心AP節(jié)點與上位機通過有線連接，分擔中心節(jié)點傳輸壓力，布設多個無線中繼節(jié)點與中心AP連接，每個無線中繼節(jié)點通過WLAN與多個采集節(jié)點建立連接，并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

1.3 節(jié)點無線傳輸單元設計

為了提高無線傳輸性能，本系統(tǒng)采用專門的網(wǎng)絡處理器設計了節(jié)點的無線傳輸單元，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。節(jié)點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)絡處理器AR7161為核心的無線網(wǎng)絡處理單元，采用AR7161支持的5GHz頻段，2*2的MIMO技術，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，將基帶信號進行編碼、調(diào)制等處理后，控制無線射頻功率放大器SST11LP12進行放大，最終由天線發(fā)送。收發(fā)切換器對無線信號的收發(fā)進行切換，接收到的高頻信號通過低噪聲放大器進行放大濾波，在數(shù)據(jù)收發(fā)單元進行解調(diào)、解碼等處理。低噪聲放大器與收發(fā)切換器的實現(xiàn)采用SKY85601-11，該芯片專門為802.11a/n設計，其內(nèi)部同時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)點傳輸機制優(yōu)化

本文采用中繼方式擴大了網(wǎng)絡覆蓋范圍，眾多的采集節(jié)點也為網(wǎng)絡帶載能力提出了挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)傳輸時，每個中繼節(jié)點連接10～20個節(jié)點，由多個中繼節(jié)點將數(shù)據(jù)匯聚到終端。如果這些節(jié)點同時進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡負荷將嚴重超載，信道資源的競爭非常激烈，進而影響傳輸速率。不同于日常無線局域網(wǎng)，節(jié)點地震儀傳輸網(wǎng)絡是專用網(wǎng)絡，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與各節(jié)點位置均是固定的。同時，節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸是被動的，由終端進行控制，因而數(shù)據(jù)流量是可控的。利用這些特點，本文對多節(jié)點傳輸機制進行優(yōu)化。

2.1 基于最佳并發(fā)數(shù)的擁塞控制

網(wǎng)絡擁塞的出現(xiàn)與帶載能力、傳輸負載有著密切關系。實際的數(shù)據(jù)傳輸中吞吐量與負載的關系如圖4所示，輕負載時，網(wǎng)絡吞吐量隨負載增加而呈現(xiàn)上升趨勢[7]，但是隨著負載逐步地靠近最大臨界點時，網(wǎng)絡中的各個傳輸節(jié)點的也達到了處理瓶頸，一部分數(shù)據(jù)包被逐漸丟棄，此時網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞，網(wǎng)絡中傳輸速率不斷減小，最終造成整個網(wǎng)絡因擁塞而崩潰。

圖4 吞吐量與負載關系

在本系統(tǒng)中，采用中繼模式進行數(shù)據(jù)傳輸，這使得隨著傳輸節(jié)點的增多，越靠近中心的節(jié)點傳輸壓力過大，越容易出現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞。系統(tǒng)中同時傳輸?shù)墓?jié)點數(shù)在一定程度上決定了整個傳輸網(wǎng)絡的負載，因而理論上存在一個最優(yōu)的并發(fā)數(shù)，使整個系統(tǒng)獲得最大吞吐量。本文通過實驗方法測試該并發(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)可能并不是一個確定的定值，但由于該傳輸網(wǎng)絡是固定的，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相對較為穩(wěn)定的N值即可。

2.2 中繼節(jié)點傳輸負載分配

在基于IEEE802.11的無線網(wǎng)絡環(huán)境中，為了實現(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/沖突避免機制[8]。該協(xié)議要求設備主動避免沖突，盡量避免各節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸沖突。節(jié)點數(shù)量較少時，該機制可以有效協(xié)調(diào)各節(jié)點對信道的訪問，但當節(jié)點較多時，各節(jié)點間的碰撞加劇，造成誤碼率提高，從而導致信道利用率急劇降低[8]。

本系統(tǒng)中，各個中繼節(jié)點均會連接多個節(jié)點，在進行多節(jié)點傳輸時，多數(shù)據(jù)流將在各個中繼節(jié)點形成信道競爭，因此，為了避免單個中繼節(jié)點由于信道競爭過于激烈而導致傳輸速率減小，將傳輸負載均勻分配到各個中繼節(jié)點。對于單個中繼節(jié)點，首先通過實驗方法測試使得信道利用率最大的節(jié)點傳輸數(shù)量。在數(shù)據(jù)傳輸前將采集節(jié)點按照連接的中繼節(jié)點進行劃分。多節(jié)點傳輸時，將同時傳輸?shù)墓?jié)點盡量均勻分布到各個中繼節(jié)點，并且使每個中繼節(jié)點上進行傳輸?shù)墓?jié)點數(shù)不超過n。此時，每個中繼節(jié)點均能獲得較大吞吐量，向后一個中繼點傳輸數(shù)據(jù)，形成一個穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸程序設計

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

多節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D如圖5所示。在進行數(shù)據(jù)傳輸前，首先根據(jù)各個節(jié)點位置關系大致判斷各個采集節(jié)點所連接的中繼節(jié)點，按照中繼節(jié)點對采集節(jié)點進行劃分。數(shù)據(jù)傳輸時，采用一個FTP下載管理器實現(xiàn)優(yōu)化后的多節(jié)點傳輸機制。采集節(jié)點上傳的文件名被傳遞到FTP下載管理器，當下載隊列中正在下載的文件數(shù)為N時，將該文件信息直接加入等待隊列。當此時正在下載的文件數(shù)小于N時，若該文件所在節(jié)點分組中正在傳輸?shù)臄?shù)目等于n，將該文件信息加入到等待隊列，否則直接開啟FTP下載。當下載隊列中發(fā)出文件下載完成信號后，從等待隊列中選擇一個所在分組中節(jié)點并發(fā)數(shù)最少的一個文件開啟下載，并從等待隊列刪除。

圖5 多節(jié)點傳輸流程圖

3 測試與分析

3.1 單個AP最優(yōu)吞吐量測試

針對單個AP節(jié)點，測試不同距離時，不同數(shù)量采集節(jié)點進行傳輸時的系統(tǒng)吞吐量，如圖6為測試結(jié)果。由結(jié)果可知，當同時進行傳輸?shù)夭杉緮?shù)目小于4時，網(wǎng)絡吞吐量隨著采集站個數(shù)增多而逐漸變大。節(jié)點數(shù)量大于4的時候，單個AP的吞吐量呈現(xiàn)下降趨勢。不同距離時，測試結(jié)果大致相同。測試結(jié)果表明，n=4時單個AP的吞吐量最大。

圖6 單個AP最優(yōu)吞吐量測試

3.2 多AP最優(yōu)吞吐量測試

分別測試了布設兩個AP與三個AP時，連接不同數(shù)量節(jié)點時，整個系統(tǒng)的吞吐量。依次為每個AP增加節(jié)點，并且從距離最近的AP開始增加，使所有的節(jié)點盡量均勻分布到各個中繼AP，兩個AP之間的距離為50米。由圖7所示的實驗結(jié)果可知，當AP節(jié)點數(shù)據(jù)為2時，同時傳輸?shù)墓?jié)點N=5時系統(tǒng)吞吐量最大，AP節(jié)點數(shù)為3時，同時傳輸?shù)墓?jié)點N=7時系統(tǒng)的吞吐量最大。

圖7 多個AP最優(yōu)吞吐量測試

3.3 中繼節(jié)點傳輸負載分配測試

布設三個中繼AP，間隔50米，每個AP連接4個采集節(jié)點，每個節(jié)點傳輸2000個數(shù)據(jù)文件到終端，終端采用WireShartk捕獲流量。分別進行兩組測試，第一組測試時第一個AP（離中心點最近）連接的全部節(jié)點首先同時進行傳輸，接著是第二中繼節(jié)點，直至所有節(jié)點完成傳輸。第二組測試時，7個采集站同時進行傳輸，這7個采集站盡量均勻分布在3個AP下。如圖5～圖7所示為系統(tǒng)瞬時吞吐量。第二組測試中，最初的吞吐量比較大，這是由于第一個AP節(jié)點靠近終端，但是隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M行，系統(tǒng)吞吐量逐漸降低，整個過程平均吞吐量為7.42MB/s，第一組測試中，系統(tǒng)吞吐量較為穩(wěn)定，平均吞吐量為7.13MB/s。測試結(jié)果表明，將傳輸負載均勻分配到各中繼節(jié)點可以提高傳輸效率。

3.4 野外實際測試

在野外共布設了51個采集節(jié)點，節(jié)點間距離約為3米。采用3個AP組建網(wǎng)絡，AP之間距離約為60米，每個AP連接的節(jié)點數(shù)為17個左右，對51道數(shù)據(jù)進行單炮數(shù)據(jù)文件回收，連續(xù)實驗100炮數(shù)據(jù)，并在軟件中記錄數(shù)據(jù)傳輸時間，如圖8為其中某一幀的地震數(shù)據(jù)，測得數(shù)據(jù)回收的平均吞吐量為7.32MB/s。

圖8 傳輸負載均衡分配吞吐量測試

圖9 數(shù)據(jù)實時監(jiān)控界面圖

4 結(jié)語

本文采用WLAN無線通信技術設計了節(jié)點地震儀無線傳輸網(wǎng)絡，基于中繼模式的組網(wǎng)方式擴大了網(wǎng)絡覆蓋范圍，優(yōu)化的多節(jié)點傳輸機制提高了傳輸速率，系統(tǒng)具有一定實用價值，可被廣泛應用于節(jié)點地震儀的數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。