1 引言

由于水下搜救、海洋资源开发和**等需求,蛙人的作用愈加突出^[1-2]。执行水下任务时环境复杂,情况多变,蛙人之间需要保持良好的通信来互相配合,因此有效和可靠的水下通信技术对于蛙人之间的配合至关重要。现有的水下通信方式包括水声通信、无线电通信和无线光通信等。声波在水中有着诸多的限制,如衰减强、能耗高、传播速率低和误码率高等,并不适合蛙人间通信^[3]。由于无线电在水下的强衰减特性,通信方式主要采用甚低频通信,该方法须使用很长的拖曳天线,且通信速率慢,不能实现实时通信^[4]。水下无线光通信作为一种新型通信技术,具有相对较宽的传播范围和较高的数据速率,且能耗低,抗干扰能力强,所以近年来得到了越来越多的关注和研究^[5]。蛙人在水中的状态经常变化,蛙人间的相对位置也是动态的,这对于需要对准的无线光通信方式是一个很大的挑战。要想在这种情况下快速和其他蛙人建立通信,必须要有可靠、有效和快速的邻居发现方法。

研究水下无线光通信中的邻居发现方法,首先要考虑的是无线光在水下的传播特性。研究表明,450~550 nm波段的蓝绿光在水中的传播衰减较小,因此水下无线光通信多采用蓝绿光^[6]。水以及水中的各种微小物质都对光束有吸收和散射的作用,会影响光在水中的传播^[7-9];并且不同水质、不同通信距离和光束几何参数对信号的脉冲展宽都有影响^[10]。

最大比合并分集接收技术应用于水下光通信系统时可以有效降低误码率和增加水下通信距离^[11]。用低密度奇偶校验码和低阶脉冲位置调制相结合的方法也可以降低数据传输的误码率^[12]。文献[ 13]使用半导体激光器,在34.5 m的距离上实现了最高2.7 Gbps的通信速率,说明水下无线光通信具有较高的可行性。本文对水下直视通信链路模型的路径损耗和误码率性能进行分析,这为研究出具有良好性能的邻居发现方法提供了必要的参考。对水下通信网络邻居发现的研究多集中在水声通信网,文献[ 14]表明基于到达角估计的邻居发现协议可以基本保障发现过程的安全性。基于链路质量信息的分布式ID分配和拓扑发现协议能提高通信链路的稳健性,有效保证信息传输^[15]。文献[ 16]提出了一种水声传感器网络中的基于位置验证的最短路径邻居发现协议,在能量效率和吞吐量等方面均有良好的性能。

蛙人在水下处于三维空间,当采用无线光通信方式时,若要使通信范围内的区域能被光束完全覆盖,则需要设计合理的通信节点结构。球形节点结构是最理想的形状,为了简化设计和方便安装,本文设计了一种半球形节点结构模型,在实际中可以成对使用。在该节点结构模型的基础上研究一种基于握手交互信息的邻居发现方法,该方法不需要额外的定位信息。另外,为了减少收发节点在相对运动时的通信链路中断次数,本文还研究了对已建立的通信链路进行跟踪保持的方法。

2 直视通信链路模型

蓝绿光在水中衰减较小,故采用波长为532 nm的绿光作为水下无线光通信的信号载体。在水下通信时主要依靠直视通信方式,因此先对水下无线光直视链路模型进行研究,图1为水下无线光通信直视链路模型示意图。

图 1. 水下无线光通信直视链路模型

Fig. 1. Line of sight link model of underwater wireless optical communication

下载图片 查看所有图片

图1中发信机发出的光束在水中传播到达接收端,传播过程中与各种粒子发生散射、吸收等作用,造成光强衰减。图中,d为通信距离,θ₀为光束发散半角,θ为收发链路相对于光束轴线的偏轴角。

该直视链路模型中接收机的接收光功率与通信距离、链路偏轴角、发射光功率和衰减作用等因素都有关系。因此,接收机接收到的光信号功率可以表示为^[17]

PR=PTexpc(λ)dcosθARcosθ2πd2(1-cosθ0),(1)

式中:c(λ)为总衰减系数,c(λ)=α(λ)+β(λ),α(λ)为吸收系数,β(λ)为散射系数;P_T为发射光功率;A_R为接收机孔径面积。从(1)式可以看出,接收光功率主要受通信距离和衰减系数的影响,而衰减系数与水质和水中的各种物质有关,一般情况下,水的浑浊度越高,衰减系数越大。根据文献[ 18],误码率可表示为

Pe=12erfc(ηPR/N0),(2)

式中:η为光电转换系数,单位为A/W;N₀为接收电路的热噪声谱密度,N₀=4KTB/R,K为玻尔兹曼常数,T为开氏温度,B为接收机带宽,R为接收机阻抗。根据水下无线光直视链路模型可以分析信号传输特点,获得误码率特性,这对于设计通信节点结构和邻居发现方法有重要的参考价值。

3 邻居发现方法

水下无线光通信的特点是具有方向性,在通信过程中需要大致对准。而蛙人在水下处于运动状态,蛙人之间的相对位置也一直在发生变化,所以需要设计合理的节点结构并配套适用的邻居发现算法。

3.1 通信节点结构设计

为了能发现节点通信范围内的所有相邻节点,发信机发出的光束须覆盖节点周围的水下三维空间。球形节点的覆盖性能最好,所以用球形结构作为基础,在其表面排列多个LED即可实现全向发送。为了简化设计可将球形结构改为半球形,在实际使用中成对使用即可完成三维覆盖,图2为半球形节点结构示意图,该结构的直径一般在10 cm左右。

图 2. 半球形通信节点结构

Fig. 2. Hemispherical communication node structure

下载图片 查看所有图片

图2中的节点为半球形结构,表面划分为M个纬线方向(下文简称纬向)和N个经线方向(下文简称经向),在经纬向交点处安装LED,顶部为全向接收机。该结构三维覆盖效果与LED的排列密度和LED光束发散角都有关系。如图3所示,相邻LED之间的光束存在覆盖盲区,LED排列的越密集且发散角越大,则盲区区域越小,覆盖效果越好。但如果LED排列密集,控制复杂度会急剧上升且效率降低。另外,大的LED发散角会减小有效通信距离,所以需要根据实际情况合理选择和布置LED。

若所有LED同时发送信息,只要接收节点在有效通信范围内,则一定会接收到信息,但在水下时蛙人携带的能量有限,这种方式功耗过大且效率很低,不再适用。另外,若多个蛙人同时全向发送信息会使信号之间互相干扰,无法正常通信。所以,为了让多个蛙人在动态过程中保持高效和可靠的通信,要在该节点的基础上研究一种适用的邻居发现方法。该节点结构需要满足以下两点:1)每个LED都有自身的编码,由纬向编码和经向编码组成,该编码反映LED发射光束相对于节点自身的方向;2)每个LED可独立控制,能独立发送信息。

图 3. 相邻LED覆盖盲区示意图

Fig. 3. Schematic of adjacent LED coverage blind area

下载图片 查看所有图片

3.2 邻居发现方法

蛙人在水下执行任务时面临的环境复杂,无法实现准确定位,因此所需要的邻居发现方法应该不依靠外部定位信息。

理论上,半球形通信节点结构在成对使用时能够覆盖所有通信范围内的节点,因此可以采用扫描的方式进行邻居发现。为了确认收发节点双方的身份并确定双方的相对方向,需要设计适用的握手交互协议。握手交互协议包括3种信息帧:请求信息帧、应答信息帧和确认信息帧。各个信息帧的结构如图4所示。其中,请求信息帧由发起邻居发现的节点发送,表示发起并建立链路请求;应答信息帧是接收到请求信息帧后对发起节点的应答帧;确认信息帧是收发双方互相发现后由发起节点发送给接收节点的确认建立链路的信息帧。

图 4. 握手信息帧结构

Fig. 4. Structure of handshake information frame

下载图片 查看所有图片

发起节点首先发送请求信息,因为不知道邻居节点的具体方位,所以需要以扫描的方式发送。若采用逐颗LED依次扫描的方式,扫描周期过大,邻居发现的实时性不高。可以采用纬向扫描和经向扫描交替的方式,能大幅降低扫描周期,也可降低控制电路的复杂性。在这种扫描方式中,每颗LED都发送自身的纬向和经向编码。当相邻节点接收到来自同一发起节点发出的经纬向编码后,以该发起节点为目的节点,通过同样的经纬向交替扫描的方式发送应答信息。如图4中的应答信息帧结构,该信息不仅包含接收节点自身的ID和发送信息的方向编码,还包含发起节点ID和它发送请求信息的方向编码。因此,发起节点接收到该应答信息后,可以确定出该接收节点相对于自身的方向编码,即发起节点已经“发现”该接收节点。但此时,接收节点还未确定发起节点的相对方向,所以发起节点要向接收节点发送确认信息。确认信息包含发起节点自身ID、接收节点ID和接收节点发送对应的应答信息时的方向编码。不同之处在于,发起节点已经知道接收节点相对于自身的方向编码,则可以直接使用对应方向的LED发送该确认信息。接收节点收到确认信息后可根据此方向编码确定发起节点相对于自身的方向,即“发现”了发起节点。至此,两个节点之间邻居发现过程结束,可以在建立起来的可见光链路上进行通信,邻居发现示意图如图5所示。

图 5. 邻居发现原理示意图

Fig. 5. Schematic of the principle of neighbor discovery

下载图片 查看所有图片

图5中假设A节点为发起节点,经纬向交替扫描发送请求信息。B节点只能接收到由A节点编码为(3,4)的LED发出来的请求信息。当B节点接收到A节点发出的请求信息后,B节点将包含该方向编码的信息扫描发送出来。同理,A节点只能接收到B节点编码为(2,0)的LED发出的应答信息,A节点接收到应答信息后即可确定出B节点在自身的(3,4)方向。A节点直接从(3,4)方向发送包含B节点发送应答信息方向编码的确认信息,B节点接收到后即可确定A节点在自身的(2,0)方向。

3.3 通信链路跟踪保持方法

适用的邻居发现方法能够保证节点快速、可靠地发现邻居节点。当建立起通信链路后,双方都由1颗LED向对方发送信息,但蛙人在水下执行任务时处于运动状态,当节点位置或者自身方向发生变化时通信链路很容易中断。若每次中断后重新发起邻居发现会造成通信质量不佳,数据速率下降等问题。双方互相发现时收发节点已经知道对方的方向信息,并且人的运动速度远小于LED的扫描速度。节点位置或状态的变化是一个连续的过程,故可认为收发节点在位置或状态变化时保持通信的LED位置也相邻。因此,利用这些特点可以设计出合适的链路跟踪保持方法,减少链路中断次数,提高通信质量。

如图6所示,1号LED此时与接收节点建立了通信链路,并且在保持通信。此时在发送通信消息时留出一个时隙间隔用于相邻LED发送邻居发现的请求信息帧,每个时隙只有1颗LED发送,依次进行扫描。本研究设计的半球形节点结构的邻居发现效果较好,相邻LED光束覆盖区域有重叠,所以接收节点在一些位置可以接收到来自同一节点的不同LED发送的信息。这种情况下,在收发节点发送通信消息的间隔期间,接收节点在运动过程中可以接收到来自该发送节点的邻居发现请求信息帧。接收节点对接收信号功率进行测量,若该请求信息的平均功率更高,则将该情况反馈给发送节点,发送节点切换发送通信信息的LED。另外,当通信LED切换时,发送节点以新的通信LED为中心,所有与其相邻的LED重新构成如图6所示的扫描阵列,在每个通信时隙依次发送请求信息,重新开始链路跟踪保持的过程。

图 6. 通信链路跟踪保持方法示意图

Fig. 6. Schematic of communication link track-and-hold method

下载图片 查看所有图片

4 仿真结果分析

4.1 无线光水下传输特性仿真

对无线光水下传输特性和邻居发现算法的性能进行数值仿真,分析通信节点结构各项参数对邻居发现性能的影响。首先对无线光在水下的传输特性进行仿真,表1为仿真参数。图7为绿光在水下传播的路径损耗,图8为绿光在水下传播时误码率与通信距离的关系。

图 7. 水下通信路径损耗曲线

Fig. 7. Underwater communication path loss curve

下载图片 查看所有图片

图 8. 水下通信误码率曲线

Fig. 8. Bit error rate curves of underwater communication

下载图片 查看所有图片

图7和图8中的c(λ)为总的衰减系数,光在清水中的衰减系数值约为0.15,c(λ)越大,水越浑浊,对光的衰减就越大^[17]。从图7可以看出,随着距离增加,路径损耗与距离近似为线性关系,通信距离越远,路径损耗越大。当距离大于40 m时,三条曲线的路径损耗均超过60 dB。随着衰减系数c(λ)的增大,路径损耗也变大,并且随着距离增加,不同衰减系数对应的路径损耗之间的差距也在变大。图8中的三条曲线均存在一个误码率快速上升的过程,说明通信距离的增加会使误码率急剧增大。从图8中可以看出,对于衰减系数为0.15,0.30和0.50这三种不同浑浊程度的水,有效的通信距离分别在45,25,15 m以内。

以上结果分析了水在不同浑浊程度情况时,水及水中的杂质对光信号的衰减作用。而实际上水中的各种杂质、不同大小的气泡和温度梯度等都有可能使光束发生不同程度的展宽和光强闪烁^[19-20]。这些影响会使通信链路质量降低,影响通信距离和速率。因此对邻居发现仿真验证时,最大通信距离应小于上述的理论值。

4.2 邻居发现方法性能仿真

以成对使用的半球形通信节点结构为基础,对文中的邻居发现方法进行仿真,对比分析各种情况下邻居发现方法的性能。邻居发现成功概率可以作为衡量邻居发现方法性能的重要参数,而蛙人编队一般规模不大,该参数需要通过多次仿真求取统计平均值的方法获得。仿真的具体场景如下:在50 m×50 m×50 m的范围内分布3个位置随机确定的蛙人节点,3个节点依次发起邻居发现,假设通信范围在30 m以内,进行多次仿真实验,图9为发现成功概率与LED光束发散半角的关系曲线。

图 9. 邻居发现成功概率曲线。(a)经向个数不同; (b)纬向个数不同

Fig. 9. Curves of neighbor discovery success probability. (a) Different number of longitude; (b) different number of latitude

下载图片 查看所有图片

图9(a)和9(b)分别是经向或纬向个数不同时邻居发现成功概率与LED光束发散半角之间的关系曲线。两图表明,随着光束发散角度增大,发现成功概率显著增加,且经纬向个数越多发现成功概率越大。这是因为接收节点处于发起节点的覆盖盲区时,虽然处于节点的通信范围内,但没有任何一个方向的光束能够传输到该位置。光束发散角越大使覆盖盲区的范围越小,经纬向个数增大使LED排列更密集,也可以减小覆盖盲区,所以邻居节点的发现成功概率随之增加。但对比图9(a)和9(b)可以发现,经向和纬向个数增加对发现成功概率的影响程度不同。经向个数增加发现成功概率增加的程度明显高于纬向个数增加时。这是因为仿真起始纬向个数为5,经向个数为8,成对使用时绕纬线方向有8颗LED,而绕经线方向有20颗LED,已经处于较为密集的状态,光束在经线方向上大多已经重叠。所以纬向个数增加,覆盖盲区的范围减小程度有限,经向个数增加更能有效改善覆盖性能。

虽然发散角越大,发现成功概率越高,但是发送功率一定时,有效通信距离会下降,光束重叠后效率也不高,所以需要选取一个合适的值,而不是越大越好。根据图9的结果,可以看出在M为5,N为16的情况下,LED光束发散半角为15°时邻居发现成功概率非常接近1,选取该参数比较合适。

实际通信距离对误码率会产生影响,进而会影响邻居发现成功概率,所以有必要对邻居发现成功概率与通信距离的情况进行仿真分析。图10为3种不同浑浊度下邻居发现成功概率与实际通信距离的关系。此时节点结构的参数选用上文分析的最佳参数,即M为5,N为16,LED光束发散半角为15°。

图 10. 邻居发现成功概率与距离的关系曲线

Fig. 10. Relationship curves between neighbor discovery success probability and distance

下载图片 查看所有图片

图10表明,在最佳节点结构参数下,通信距离小于一定范围时,发现成功概率接近1且基本保持不变,但通信距离超过某一值时,发现概率快速下降直至为0。对于3种不同的浑浊度,该距离界限分别为45,25,15 m。与图8误码率曲线对比可以发现该界限值与误码率突变的门限值基本一致,当误码率增大到一定值后发现成功概率会急剧下降。所以在实际中需要使通信范围保持在一定范围内,在该范围内邻居发现成功概率基本保持稳定且接近1,即可保证邻居发现算法的可靠性和稳定性。

4.3 跟踪保持方法性能仿真

让接收节点以一定的速度绕发送节点作圆周运动,将接收节点的位置限制在发送节点的通信范围内。分别仿真通信链路跟踪保持方法的性能和未使用该方法时的情况,可以使用链路中断的次数来衡量跟踪保持方法的性能。具体过程如下:先进行邻居发现,当建立通信链路后接收节点开始移动。发送节点采用通信链路跟踪保持方法来跟踪接收节点,若通信链路发生中断,则重新开始邻居发现,并记录中断次数。另外,对不采用跟踪保持方法时的通信链路中断情况也进行仿真。图11为中断次数与通信节点结构模型中经向个数N的关系,仿真中纬向个数M的值为5,光束发散半角为15°,接收节点进行圆周运动,多次仿真,每次随机选择一个圆周运动的方向,最终结果为求取的平均值。

图 11. 通信链路跟踪保持方法性能曲线

Fig. 11. Performance curves of communication link track-and-hold method

下载图片 查看所有图片

从图11可以看出,采用跟踪保持算法的链路中断次数远小于不采用该方法的情况,另外随着经向个数增加,即LED分布密度增加,采用跟踪保持方法的中断次数随之减小,而未采用的中断次数与其关系不大。这是因为LED分布密度增加使光束覆盖盲区减小,光束重叠区域增大,更有利于通信链路的跟踪保持。而不采用跟踪保持方法时,中断次数主要依赖于光束发散角,光束发散角越大,单颗LED的覆盖范围越大,中断次数就会越少。但经上文分析可知,发射光功率一定时,光束发散角越大,有效通信距离越短。因此仿真分析通信距离对跟踪保持算法的影响也很有必要,图12为链路中断次数与实际通信距离的关系,此时M为5,N为16,LED光束发散半角为15°。

图 12. 通信链路中断次数与通信距离关系曲线

Fig. 12. Relationship curves between the number of link interrupt and distance

下载图片 查看所有图片

由图12可知,同邻居发现算法一样,通信距离小于一定范围时,链路跟踪保持算法的性能处于一个较好且稳定的状态。但超过这个范围后性能会快速下降,表现为中断次数快速增加。当中断次数增加到15次后已不具有跟踪保持的效果,距离再增加时也无法完成邻居发现过程,因此通信距离要保持在能有效进行通信过程的范围内。

5 结论

本研究分析了波长为532 nm的无线光在水下的路径损耗和误码率。由于光功率随距离呈指数衰减,所以有效通信距离存在一个临界值,在本研究仿真条件下通信距离最大为45 m左右,这对于研究蛙人水下无线光通信邻居发现方法具有较高的参考价值。结合无线光的传输特点,设计半球形通信节点结构,在此基础上研究基于握手交互信息帧的邻居发现方法。通过对该方法的仿真分析可以发现,要想取得良好的邻居发现效果,同时保证较大的有效通信距离,需要选取具有合适光束发散角的LED,并确定合理的经纬向个数。当收发节点发生相对运动时,已建立的通信链路容易发生中断,为此提出一种通信链路的跟踪保持方法,仿真结果表明,该方法能有效减少通信链路的中断次数,提高通信质量。另外,仿真分析了实际通信距离对邻居发现和跟踪保持算法的影响,结果表明,必须将通信距离保持在一定范围内,否则性能将迅速下降。该节点邻居发现和链路跟踪保持方法对蛙人在水下采用无线光通信具有重要的实用意义。在后续工作中,为了提高通信距离和通信能力,可以对基于该节点结构的路由转发过程进行研究,提出行之有效的方法。