基于可控节点的水声传感器网络控制系统

李丹

（1.钦州学院电子与信息工程学院，广西 钦州 535011；2.钦州市物联网先进技术重点实验室，广西 钦州 535011）

1 引言

水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Network，UASN)作为水下环境监测和数据传输的有效解决方案[1]受到研究人员的广泛关注。水声信道复杂多变的特性会造成数据传输信号发生不同程度的衰减[2,3]，水流和生物活动又会造成水下节点的位置偏移，因此水声信道难以保证链路和路由的稳定性。频繁的数据重传或者使用较大发射功率发送数据会快速消耗水下节点的能量，如何保证通信成功并延长UASN的生命周期已成为该领域的热点问题。在无法提供持续能量供给的情况下，有研究针对链路接入[3]和路由寻路[4-6]等方面进行算法改进，在一定程度上提高了UASN的连通性并降低水下节点的通信能耗，但是无法很好地解决因节点位置偏移或能量耗尽带来的网络瘫痪等问题。基于自组织型的网络协议[3-6]是基于水下节点可用的情况，从而改进网络性能和延长网络生命周期，其缺点是缺乏对失效或者失联节点的维护。

针对UASN因节点位置偏移和能量耗尽所造成的网络瘫痪问题，设计一种基于可控节点的水声传感器网络控制系统（Control System Based on Controllable Nodes，CSCN），有助于改进UASN的可靠性和可持续性。可控节点（Controllable Nodes，CN）是在普通水下节点的基础上安装推动器，可执行下沉、上浮、平面移动等简单的移动命令。CSCN通过对CN的部署、调整和召回等操作实现对网络拓扑的控制，增加网络稳定性，能够对召回的节点进行能量补充，从根本上解决水声传感器网络生命周期受限的问题。

2 可控节点的设计

传统的UASN水下节点多采用电池功能和自组网工作模式，在缺乏中央控制的条件下，节点会出现位置偏移和能量耗尽的现象，从而导致网络的不稳定，甚至是瘫痪等问题。目前大部分研究[3-6]通过优化通信协议来解决拓扑重组的问题，这一做法在解决网络连通性问题的同时，会带来存活节点运算量和网络通信量增加的问题，不利于节点能量的节约和网络性能的优化。可控节点，即CN，是在普通水下节点的基础上安装具有独立电池的推动器，以帮助节点在水下完成下沉、上浮、平面移动等活动。推进器的外形设计如图1所示，CN外形如图2所示。

图1 推进器螺旋桨外形设计图

图2CN外形图

CN安装有两个推进器，推进器的旋转夹角为90°。当推进器处于完全水平状态时，旋转轴可以从水平位置向下旋转至垂直位置；当推进器处于完全垂直状态时，旋转轴可以从垂直位置向上旋转至水平位置。当CN需要执行上浮活动时，可调整旋转轴，将推进器置于如图1(b)所示的垂直状态；当CN需要执行水下平移活动时，可调整旋转轴，将推进器置于如图1(a)所示的水平状态。CN的推进器配备独立电池，该部分能量不参与数据的采集和发送活动。中央控制系统可以命令CN上浮至水面，便于工作人员对节点进行充电和维修等维护工作。虽然在普通水下节点上安装推进器会增加设备生产成本，但是从设备的可持续使用性和可维护性来看，这一改进措施有利于降低设备损耗和维护成本。

3 控制系统的设计

CSCN系统主要从网络部署控制、汇总数据监控和网络拓扑控制三个方面维护网络。其中网络部署控制是在网络设备部署阶段，利用部署在陆地上的拓扑控制服务器(Topology Control Server,TCS)对网络覆盖区域中投放的CN发出定位指令，通过对CN的下沉和平移等操作完成整个网络水下节点的部署活动，具体步骤如下：

(1)根据网络的覆盖面积，人工在水域中投放CN。

(2)TCS按照拓扑设计脚本中各CN的位置信息，命令Sink节点使用足够大的发射功率通过水声信道依次向各CN发送定位帧，定位帧格式如图3所示。帧首部和尾部各带1个字节的Flag字段，内容为01111110，用以标记帧的开始和结束。帧序号字段用于区分重复帧。FCS字段为帧校验码。在网络部署阶段，帧中的源地址为Sink节点MAC地址，目的地址为全1的广播地址。

图3 定位帧格式示意图

(3)CSCN系统规定最短有效帧长度为60个字节。当CN收到定位帧后，首先检查帧长度L，若L<60，则直接丢弃；若L≥60，则继续校验FCS。若定位帧没有出错，CN检查帧中的“CN设备编号”字段，若与自己的编号相同，则按照帧中定位数据调整推进器完成下沉和平移等活动。若定位帧出错或者设备编号与自身不符，则丢弃该帧。

(4)CN完成定位活动后，必须使用最大发射功率向Sink节点发送一个确认帧，确认帧的格式和定位帧相同，确认帧序号填写收到的定位帧序号，源地址为自己的MAC地址，目的地址为Sink节点的MAC地址，CN设备编号为自己的编号，数据部分用填充40个字节的0。

(5)当Sink节点收到帧序号最大的确认帧时，对已收到的确认帧序号进行遍历，若发现序号不全，则向对应的CN重新发送定位帧。

(6)CN重复收到属于自己的序号且相同的定位帧时，丢弃重复的定位帧，但必须向Sink节点发送确认帧。

CSCN系统的汇总数据监控阶段，主要是对Sink节点收到的数据进行分析，若在2个分析周期内发现某CN一直没有参与网络数据传输，则对该节点进行位置调整或者召回操作，具体步骤如下：

(1)TCS中设置分析计时器，用以设置系统的分析周期。

(2)Sink节点收到的数据报文都必须发送到TCS，数据报文格式如图4所示。源地址为发送数据的CN地址，目的地址为Sink节点地址，路由序列为各数据转发节点编号序列，类型为报文类型字段，FCS为报文校验字段。路由序列的开始是数据发送节点的编号，各转发节点在转发数据时会将自己的节点编号添加到路由序列末尾。

图4 报文格式示意图

(3)TCS中的分析计时器超时后，服务器对该周期内收到的数据报文进行分析，与此同时，分析计时器归零并重新计时。

(4)TCS主要对报文中的路由序列部分进行遍历，统计上一个分析周期内参与数据发送或转发的CN编号，并与部署脚本的编号集合进行对比，找出没有出现的CN编号，并放入失效节点集合。分析周期分为奇数周期和偶数周期，奇数周期只能在失效节点集合中添加节点，偶数周期可以在失效节点集合中添加或删除节点。

(5)若当前处于偶数分析周期，在分析结束后，TCS按照失效节点集合中记录的CN编号，命令Sink节点使用足够大的发射功率依次向水下CN发送定位帧，命令CN向网络中心位置移动。

(6)CN在正常运行过程中收到定位帧，则暂停一切数据采集活动，并在完成相关下沉、上浮或者平移活动后，使用最大发射功率向Sink节点回复确认帧。

(7)Sink节点收到CN的确认帧后，则向TCS回复一个确认消息，TCS根据确认消息中携带的CN编号，从失效节点集合中删除该节点记录。

(8)每个CN在TCS中都配置一个失效计时器。当CN被添加到失效节点集合时，计时器启动；当CN被从失效节点集合删除时，计时器归零。当CN的失效计时器超时后，TCS命令Sink节点使用最大发射功率向该CN发送定位帧，从而命令CN上浮到指定的人工维护区域，以便工作人员进行充电、维修等维护工作。

CSCN系统的网络拓扑控制阶段，是在需要对整个UASN进行重新部署时，按照拓扑设计脚本对所有水下CN进行重新定位，具体步骤如下：

(1)TCS命令Sink节点使用足够大的发射功率通过水声信道发出一段时间的干扰信号，在干扰周期结束后，再广播发送一个暂停命令帧，命令帧的格式和定位帧相同，只是将定位数据字段的内容放入命令代码。

(2)CN在干扰周期中因为信号冲突而停止一切数据发送活动。

(3)CN收到暂停命令帧后，停止一切数据的采集和发送活动。

(4)TCS在经过一个等待周期后，执行与网络部署控制阶段相同的步骤。

(5)经过一个部署周期后，TCS对没有反馈确认帧的CN执行召回操作。TCS命令Sink节点使用最大发射功率向该

CN发送定位帧，从而命令CN上浮到指定的人工维护区域，完成召回操作。

4 结语

水声信道复杂多变，仅通过优化通信协议的办法难以保证UASN的稳定性和可持续性。针对UASN因节点位置偏移和能量耗尽所造成的网络瘫痪问题，设计一种基于可控节点的水声传感器网络控制系统，即CSCN系统。首先，在普通水下节点的基础上安装独立供电的推进器，实现水下节点在水中的上浮、下沉和平移等活动。其次，CSCN系统以TCS作为控制中心，从网络部署控制、汇总数据监控和网络拓扑控制三个方面实现对网络稳定性和可持续性的维护。CSCN系统目前处于设计阶段，下一步将进行系统编程实现的研究，为系统的实例化提供实验依据。

[1]Hanjiang Luo，Zhongwen Guo，Kaishun Wu，et al． Energy Balanced Strategies for Maximizing the Lifetime of Sparsely Deployed Underwater Acoustic Sensor Networks[J]．Sensors (Basel)，2009，9(9)：6626–6651.

[2]李丹．Aqua-Sim水声信道仿真平台扩展研究[J]．电脑与电信，2014(8)：38-41．

[3]李丹．基于休眠的Slotted-F A MA协议改进[J]．钦州学院学报，2015，30(2)：41-45．

[4]张剑，黄本雄，张帆，等．一种适合水下无线传感器网络的能量有效路由协议[J]．计算机科学，2008，35(1)：38-42．

[5]姜卫东，雷辉，郭勇．低时延能耗均衡的水声传感器网络簇间路由算法[J]．声学技术，2014，33(2)：176-179．

[6]姜卫东，郭勇，刘胤祥．基于能耗均衡的水下传感器网络分簇路由算法[J]．声学技术，2015，34(2)：134-138．