水下体域网系统架构及关键技术

肖蛰水 ,陈 发 ,方坤升 ,王 巍 ,黄海宁

(1.苏州桑泰海洋仪器研发有限责任公司,江苏 苏州,215000;2.中国科学院 声学研究所,北京,100086)

0 引言

体域网是一种以人体为中心的数据传输网络,适合人体可穿戴、可嵌入设备间的数据传输和管理,在医疗、保健和消费类电子等领域应用前景广阔。针对体域网已有诸多研究成果[1-6],但大都针对陆地(空气中)体域网的建设。电气与电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineers,IEEE)为体域网制定了专门的IEEE 802 15.6标准[7],详细描述了体域网应用领域的物理层规范、介质访问控制层规范以及传输层跨层协议服务质量和安全模式等内容。在众多研究中,Otto等[8]设计的体域网架构可用来处理网络内部及与多层远程医疗系统中的医疗服务器之间的通信;孙彦赞等[9]提出了一种基于随机不完全着色算法,通过控制已着色节点继续参与下一轮的着色算法实现网络更高的资源空间复用,通过限制相邻节点分配颜色数量差距保证节点间资源分配的公平性,仿真证明了该算法对体域网网间干扰的抑制效果;王静贤[10]针对体域网采用时分多址(time division multiple access,TDMA)物理层技术在合作共存场景中的网间干扰问题进行讨论分析,提出一种基于讨价还价博弈模型的功率控制机制,将最大化网络纳什积模型等效转化为凸优化模型以得到纳什讨价还价解,在仿真中取得了较好的结果;Kazemi 等[11]提出运用非协作博弈来降低多个无线体域网的网间干扰,在提升系统容量的同时,避免了用户在信道增益和功率预算较低时增大发送功率;Ibarra 等[12]提出一种基于能量采集的协议,协议中节点能量由能量采集模块供给,节点具备一定处理能力,能够从监测信号中检测到事件的发生,并选择性地传输有价值的信息,提高了能量效率。

水下体域网作为智慧海洋跨介质物联网络的一个分支,是一种以蛙人为中心的短距离通信网络。目前,国内外针对体域网在蛙人水下随身装备数据传输与设备控制应用领域的研究仍属空白,但体域网标准为水下体域网的构建提供了重要思路。受水介质吸收作用影响,IEEE 802 15.6 标准规定的物理层通信频段作用距离和可靠性均大幅下降,导致体域网网络协议失效,因此体域网技术无法直接应用在蛙人水下随身装备体系中。针对此,文中从装备体系状态控制、信息管理与设备集成需求角度出发,参考现有体域网网络框架,结合水下通信设备特点以及水下信息传输所面临的关键问题展开研究,并提出适合蛙人水下随身装备体系应用的水下体域网架构。

1 水下体域网系统架构

1.1 系统组成

如图1 所示,水下体域网由多个传感器、执行器和1 个数据综合处理中心组成。

图1 水下体域网系统组成示意图Fig.1 Composition diagram of underwater body area network

传感器是水下体域网对人体域内的信息采集终端,水下体域网利用可植入/穿戴/手持的各功能传感器采集人体生命体征(如体温、血压、心率、血氧浓度等)、蛙人水下随身装备工作状态(如气瓶气压、照明装备电池电量等)、工作水域水文变化(如水温、水压、盐度等)等信息,并通过有线/无线(声光通信、磁通信)连接的方式将采集的信息上传至数据综合处理中心。

数据综合处理中心是水下体域网的中心节点,负责收集、存储、分析和管理水下体域网传感器节点上传的数据。数据综合处理中心具备一定的计算能力,可根据采集数据分析结果做出决策,并通过有线/无线方式控制和协调水下体域网各执行器终端完成响应(如头盔显示、送气调节、声光报警及外骨骼助力等)。数据综合处理中心集成了水声通信终端,可以接入水下专用网络,实现与岸基保障中心、水下其他体域网络间的信息交互。在此意义上,每个独立的水下体域网也可以看成是跨介质物联网络的一个复合传感器节点。

1.2 架构设计

如图2 所示,水下体域网可以用感知层、传输层和应用层3 层架构来描述。

图2 水下体域网架构图Fig.2 Architecture of underwater body area network

1)感知层

感知层由蛙人水下随身装备中集成的各类传感器和执行器构成,是水下体域网的基础。感知层传感器采集人体生理数据和外部环境数据,并通过执行器响应体域网决策。常见的感知层传感器/执行器可分为生命体征传感器、装备状态监测传感器以及环境感知传感器3 类。

生命体征传感器/执行器通常布放于人体体表或植入人体内部,用于监测蛙人水下作业时的身体状态,是蛙人水下作业的健康保障。常用的生命体征传感器包括蛙人恒温系统执行器、呼吸频率传感器、心率监测传感器、血氧浓度传感器以及体温传感器。1997 年,英国Robert 等研制出基于水肺潜水的水下心电图超声传输系统;Garmin 公司推出HRM-Swim 和HRM-Tri 心率带能够获取蛙人心律;2011 年,海军医学研究所研制了水下实时心率监测系统,实现了蛙人心率监测和体域内无线传输[13]。

装备状态监测传感器/执行器用于监控蛙人生命维持装备和辅助运动装备的设备状态。常见的装备状态监测传感器包括气瓶气压测量传感器、气瓶送气气压调节执行器、电池电量监测传感器、蛙人外骨骼助力装备运动传感器和运动辅助执行器等。

环境感知传感器是水下体域网中具有鲜明特色的装备。常见的环境感知传感器包括声学探测设备、指挥通信设备和导航定位设备等。利用环境感知传感器可大幅扩展蛙人对水下世界的认知能力。声学探测设备主要包括头戴式和手持式声呐,从成像原理可分为机械扫描式、二维多波束和三维多波束3 类。成熟设备主要有美国Ocean Marine Industies Inc 公司研制的手持双频识别声呐(dual-frequency identification sonar,DIDSON);Sound Metrics 公司研制的ARIS Defender 系列手持声呐等,如图3 所示。

图3 典型水下探测设备Fig.3 Typical underwater detection equipment

指挥通信设备主要通过水下语音通信或数字指令通信方式实现。如图4 所示,加拿大DIVELINK公司研制的COM 系列对讲机可使蛙人在3 km距离内实现语音交流和信息交互;美国OTS 公司研制的SSB-210 水声通信机有效通信距离可达1 500 m。

图4 典型水下通信设备Fig.4 Typical underwater communication equipment

导航定位装备主要为蛙人提供航向和位置信息以及航路规划等。英国的ARTEMIS PRO 手持式导航定位系统集成了前视多波束声呐、多普勒计程仪、全球导航卫星系统和声学定位等功能。加拿大Sharkmarine 公司的DiverNavigator 手持导航仪集成了导航定位和声呐成像功能,如图5所示。

图5 典型水下定位导航设备Fig.5 Typical underwater positioning and navigation equipment

2)传输层

传输层利用标准化的数据传输设备和统一的通信协议实现感知层和应用层间以及体域网内传感器间的信息传递与设备控制。

水下体域网采用有线/无线混合的信息传输手段实现网络数据交互。此外,受限于工作原理,不同功能的蛙人水下随身装备在体积大小、使用方式、数据率传输等方面差异性很大,导致无线体域网通信终端与传输层技术无法直接应用在水下体域网中,因此需要设计适配水下体域网应用环境和需求的物理层算法和网络接入协议,研制标准化的信息接入终端用以满足水下体域网信息传输需求。

在通信技术方面,受限于电磁波水下传输快速衰减导致的通信距离短、稳定性和可靠性差等问题,建议采用以太网、声通信、光通信和磁通信等方式满足不同感知层传感器接入与系统应用需求。如图1 中体温、呼吸频率及心率监测等布放在人体身上的传感器,可采用有线数据传输的方式完成传感器与数据处理中心间的数据交互。气瓶气量传感器可采用无线光通信的方式完成传感器与数据处理中心间的数据传输。对于数据综合处理中心接入跨介质网络等水下专用网络时,可采用声学通信技术实现体域网与其他水下专用网络的远距离信息交互。

3)应用层

应用层是体域网的核心层,由蛙人随身配置的数据综合处理中心以及其他专用网络信息处理设备构成,负责汇集和分析感知层数据,并根据协议通过控制执行器对感知事件自动响应。

应用层在传输层的支持下,对获得的来自感知层的生命体征参数和环境感知参数,结合历史数据库进行分析,并将分析结果反馈到感知层控制特定的执行器,完成规定动作或自动执行特定的任务,从而实现体域网内感知层各传感器节点间联动。

2 关键技术问题与初步解决思路

2.1 设备多样性导致体域网系统集成困难

1)问题分解

受工作原理等因素影响,蛙人水下随身装备传感器层各类设备在设备体积、应用方式及数据传输需求等方面差异巨大。同时,现阶段行业内水下装备缺乏统一标准,来自于不同厂商的设备在数据格式、交互协议及物理接口等方面存在差异,导致体域网系统设备集成困难。

2)解决思路

研制小型化、低功耗、标准化的信息传输终端,制定规范的水下体域网接入协议,是解决体域网系统集成困难的有效手段。

具体而言,在网络协议制定方面,需根据接入设备计算能力和网络流量需求,简化传输控制协议/网际协议(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)有线网络协议,设计标准化、轻量化的水下体域网数据传输与网络接入协议栈,解决用户接入便捷性、数据传输稳健性以及网络负载均衡性问题。

在设备研制方面,需通过研制小型化、低功耗的数据接口转换终端,确保网络接入传感器设备与数据综合处理中心间可实现数据稳健交互;研制便携式水声通信终端,以完成体域网之间、体域网与其他水下专用网络间的数据交互。

在集成设计方面,可采用水下体域网数据传输连线与潜水服共型设计方式,解决体域网传感器层复杂连线对蛙人运动干扰问题;可采用电源集中管理方式,利用数据综合处理中心管理供电系统为传感器层设备集中供电,减小水下体域网设备整体体积和质量,减轻蛙人载荷负担。

2.2 复杂信道环境导致水下无线通信不可靠

1)问题分解

传输可靠性问题是影响水下体域网系统发展的核心问题。当体域网需要与其他体域网、水下专用网进行数据交互时,有线数据传输方式会极大限制蛙人水下作业范围和效率,因此只能通过水声通信手段解决网络间的信息传输问题。

受声波水下传播速度慢、信号能量衰减快、蛙人水下作业环境复杂等综合因素影响,水声链路通信质量起伏明显[14],同时水声链路的开放性导致网络容易受到来自外部的噪声干扰和网络攻击,给蛙人水下作业带来严重的安全隐患。

2)解决思路

设计具备环境认知能力的水声通信技术是解决无线传输链路通信质量起伏的有效手段,数据综合处理中心通过集成环境认知技术,实时监控信道环境变化,并根据信道状态变化,调节通信数据率、信号发送功率等通信参数,在保障通信稳健性的同时,降低水下体域网能耗开销。

采用抗干扰能力强的物理层通信方案结合数据重传机制是解决环境噪声对水下体域网干扰的有效手段。体域网外部环境噪声干扰来源包括地动、冰裂、海洋生物叫声及水下其他声呐主动脉冲等,该类干扰持续时间短、出现频率低,但噪声突发性强、脉冲能量强,对声通信信号破坏性较大。针对环境噪声干扰问题,可采用抗脉冲干扰能力强的扩频、跳频等通信体制提升通信链路的可靠性,采用选择性重传技术解决由于噪声干扰等因素导致的数据传输丢失问题。

数据加密技术是对抗体域网受外部攻击风险的有效手段。水下体域网是一个局部开放性的信息网络,网络中的各传感器容易受到外部利用水声链路对其实施的攻击,导致水下体域网中数据的机密性和完整性无法得到保证[15]。针对数据安全问题,可采用轻量化的数据安全性加密机制[16],设计跨层的安全协议[16],在保障水下体域网信息安全的同时,降低安全校验算法复杂度,减少由于复杂加密算法导致网络能耗大的问题。

2.3 分布式设计导致水下体域网信息冗余和计算性能受限

1)问题分解

传感器层各设备为了保证其自身功能完整性和设备独立性,集成了其所必需的所有传感器用以采集外部信息。水下体域网在集成这些设备后,体系中会存在复数个功能相同、性能相近的传感器设备,导致大量重复的信息被系统采集和处理,增加网络能源消耗;同时,为平衡计算需求和能源消耗,传感器层设备选择的芯片性能也受到限制,影响了水下体域网系统网络自动信息处理和智能化应用管理能力的进一步提升。

2)解决思路

利用数据处理中心对传感器层设备进行集中化管理,是解决体系设备冗余和信息处理能力受限的有效手段。数据处理中心通过传输层协议控制感知层各设备集成的传感器工作状态,以避免信息重复采集,降低网络功耗;通过构建信息分布采集、集中计算的水下体域网信息处理架构,以水下体域网数据处理中心强大的处理和存储能力作为支撑,完成对感知层设备采集数据的实时处理、分析及挖掘,从而迅速、准确、智能地控制传感层执行器响应,提升水下体域网效率。

当数据综合处理中心接入水下专用网络后,还可以获得专用网络中信息处理终端的计算支持,进一步提升水下体域网自动信息处理和智能应用管理水平。

3 结束语

水下体域网作为一种以蛙人穿戴和携带设备为对象的专用网络技术,具有广泛的应用前景。受水下无线信号传输衰减快速等因素影响,现有的体域网技术无法直接应用在蛙人水下装备体系中。多样的装备形态、复杂的环境噪声干扰等因素为水下体域网设计者带来了巨大的挑战。文中探讨了水下体域网的分层系统架构,针对水下体域网应用所面临的实际困难,重点分析了水下体域网设计过程中所面临的网络标准化设计、信息稳健传输等热点问题,并针对性给出了解决思路,旨在为水下体域网的研究工作提供参考。