梁慶衛(wèi), 張 鑫, 閆曉航

節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)多AUV協(xié)同系統(tǒng)全網(wǎng)完成度的影響

梁慶衛(wèi), 張 鑫, 閆曉航

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

多AUV協(xié)同系統(tǒng)(MAUVS)具有作業(yè)范圍廣、功能強(qiáng)、工作效率高等特點(diǎn)。面對(duì)復(fù)雜的海洋環(huán)境,系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中需要調(diào)整自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間通信距離發(fā)生變化, 并產(chǎn)生多普勒頻移, 影響協(xié)同系統(tǒng)通信性能。基于此, 文中從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā), 考慮誤碼率和水下通信的時(shí)延特性, 提出使用全網(wǎng)完成度來(lái)描述系統(tǒng)通信性能的可靠性, 并給出全網(wǎng)完成度的計(jì)算方法。通過(guò)算例分析了不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下通信距離變化對(duì)通信鏈路的影響, 給出了節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)MAUVS全網(wǎng)完成度的影響, 從一定程度上證明了全網(wǎng)完成度描述MAUVS通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的合理性。

多AUV協(xié)同系統(tǒng); 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng); 可靠性; 全網(wǎng)完成度

0 引言

自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)是海洋探測(cè)與開(kāi)發(fā)中不可缺少的重要工具[1-2]。由于單個(gè)AUV已不能滿足日益多樣化、復(fù)雜化和精確化的任務(wù), 此時(shí)就需要由多種AUV組成的AUV群即多AUV協(xié)同系統(tǒng)(multiple autonomous undersea vehicle system, MAUVS)進(jìn)行協(xié)同工作。

隨著MAUVS更多地投入實(shí)際應(yīng)用, 其可靠性研究顯得越發(fā)重要[3]。目前關(guān)于MAUVS可靠性的研究較少且多為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可靠性的研究。戴伏生[4]引入一個(gè)歸一化容量加權(quán)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo), 將網(wǎng)絡(luò)連通性和傳輸容量綜合在一起, 分析了網(wǎng)絡(luò)的可靠性能和節(jié)點(diǎn)、鏈路對(duì)網(wǎng)絡(luò)的重要性。何明[5]提出了一種MANET Routing Reliability算法, 將網(wǎng)絡(luò)可靠性與移動(dòng)路由因素相結(jié)合。李浩等[6]針對(duì)水面艦艇協(xié)同系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò), 歸納了其隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

MAUVS在完成任務(wù)過(guò)程中, 單個(gè)AUV節(jié)點(diǎn)處于時(shí)變狀態(tài), 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不斷變化會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的通信距離發(fā)生變化, 同時(shí)引起多普勒頻移[7-8]。多普勒頻移是水聲信道的一個(gè)重要特性, 它的產(chǎn)生與收發(fā)機(jī)的相對(duì)速度和海水介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)等因素有關(guān)。MAUVS在進(jìn)行水下通信時(shí), AUV節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致收發(fā)雙方在數(shù)據(jù)接收端產(chǎn)生多普勒頻移, 多普勒頻移對(duì)數(shù)據(jù)幀在時(shí)域上產(chǎn)生展寬或壓縮的影響在接收端將嚴(yán)重惡化接收機(jī)的載頻跟蹤和相位符號(hào)的同步, 從而導(dǎo)致誤碼率增大, 最終影響系統(tǒng)的可靠度。文中在多AUV構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上, 從水下通信鏈路的誤碼率和時(shí)延特性出發(fā), 采用有效性指標(biāo)——全網(wǎng)完成度描述協(xié)同系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠度, 分別研究了當(dāng)AUV節(jié)點(diǎn)處于勻速、勻加速和勻減速狀態(tài)時(shí), 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化所引起的相對(duì)距離變化對(duì)MAUVS可靠性的影響。

1 全網(wǎng)完成度

MAUVS的通信能力是保障系統(tǒng)協(xié)同工作的重要條件。在水下通信網(wǎng)絡(luò)中, 誤碼率和通信時(shí)延表現(xiàn)得尤為明顯, 對(duì)MAUVS通信性能的可靠性具有重要影響。全網(wǎng)完成度[9]是協(xié)同系統(tǒng)在指定的時(shí)間內(nèi)完成特定通信業(yè)務(wù)性能要求的量度[10]。從網(wǎng)絡(luò)性能出發(fā), 把傳輸時(shí)延作為研究網(wǎng)絡(luò)可靠性的出發(fā)點(diǎn), 綜合誤碼率構(gòu)成的通信鏈路可靠度, 利用信息流量對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行加權(quán)平均, 充分反映了網(wǎng)絡(luò)在通信時(shí)的時(shí)延特性。

1.1 基本概念

MAUVS在進(jìn)行水下通信時(shí), 節(jié)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)多普勒頻移, 會(huì)影響節(jié)點(diǎn)間通信鏈路可靠度, 然而在研究基于時(shí)延的全網(wǎng)完成度時(shí), 多普勒頻移還會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延[12], 表示為

則基于時(shí)延的全網(wǎng)完成度[14]為

該指標(biāo)利用傳輸時(shí)延和誤碼率計(jì)算MAUVS網(wǎng)絡(luò)可靠性, 并以業(yè)務(wù)到達(dá)率對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行加權(quán), 充分反映了網(wǎng)絡(luò)在失效環(huán)境中的時(shí)延特性。

1.2 計(jì)算步驟

全網(wǎng)完成度在固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的計(jì)算流程圖如圖1所示。

圖1 全網(wǎng)完成度計(jì)算步驟

1) 確定MAUVS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型;

2 實(shí)例分析

根據(jù)全網(wǎng)完成度的計(jì)算方法可以看出, 要研究節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化對(duì)全網(wǎng)完成度的影響, 需要先確定MAUVS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 MAUVS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

假設(shè)MAUVS所處的海洋環(huán)境為理想狀態(tài), 滿足:

1) 單體AUV節(jié)點(diǎn)都可靠且通信半徑相同;

2) AUV間的通信相互獨(dú)立且各條通信鏈路是否失效相互獨(dú)立;

3) 海洋環(huán)境恒定且溫度為277 K;

表1 AUV初始位置

圖3 AUV部署圖

式中: v為初速度;a為加速度。

為使分析結(jié)果更全面, 算例設(shè)定各AUV節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)各不相同, 有加速、勻速和減速3種狀態(tài), 在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中, 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)一直處于動(dòng)態(tài)變化中, 各節(jié)點(diǎn)間的通信距離均呈現(xiàn)由短變長(zhǎng)再變短的趨勢(shì), 且成對(duì)存在通信距離基本保持一致的節(jié)點(diǎn), 充分反映了拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)全網(wǎng)完成度的影響。

對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下MAUVS全網(wǎng)完成度的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究, 假設(shè)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如表2所示, 則根據(jù)式(9)計(jì)算得到各AUV運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖4所示。

由圖2可看出網(wǎng)絡(luò)中共有10條通信鏈路, 即有210個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。系統(tǒng)可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的概率為

表2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖4 AUV軌跡

根據(jù)式(9)和圖4可得節(jié)點(diǎn)間通信距離的變化趨勢(shì)如圖5所示。

從圖5中可以看出, 隨著節(jié)點(diǎn)周期性運(yùn)動(dòng), 大部分節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路距離出現(xiàn)S型變化趨勢(shì), 且隨著時(shí)間推移, 由于節(jié)點(diǎn)內(nèi)有加速和減速運(yùn)動(dòng)的AUV節(jié)點(diǎn), 節(jié)點(diǎn)間的通信距離在后期變化也越來(lái)越快。

已知節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化會(huì)影響節(jié)點(diǎn)間通信距離的變化和多普勒頻移的產(chǎn)生, 隨之會(huì)影響節(jié)點(diǎn)間通信誤碼率的變化和通信鏈路的可靠度。根據(jù)通信距離對(duì)誤碼率影響和多普勒頻移對(duì)誤碼率影響的關(guān)系可以得出, 隨著5個(gè)AUV節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化, 節(jié)點(diǎn)間誤碼率變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)間誤碼率變化趨勢(shì)

對(duì)比圖5和圖6可以看出, 節(jié)點(diǎn)間誤碼率變化趨勢(shì)與節(jié)點(diǎn)間通信距離變化趨勢(shì)基本相同?？梢?jiàn)在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中, 通信距離對(duì)誤碼率的影響要遠(yuǎn)大于多普勒頻移對(duì)誤碼率影響。通過(guò)節(jié)點(diǎn)0~3間通信誤碼率曲線和節(jié)點(diǎn)1~2間誤碼率曲線可以看出, 在通信距離較短時(shí), 多普勒頻移對(duì)誤碼率影響較大。

圖7 節(jié)點(diǎn)間可靠度變化趨勢(shì)

圖8 時(shí)變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下MAUVS全網(wǎng)完成度變化趨勢(shì)

3 結(jié)束語(yǔ)

MAUVS在進(jìn)行水下任務(wù)時(shí), 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)引起的節(jié)點(diǎn)間通信距離的變化和多普勒頻移會(huì)對(duì)傳輸時(shí)延和業(yè)務(wù)到達(dá)率造成影響, 最終影響系統(tǒng)的全網(wǎng)完成度。文中給出了傳輸時(shí)延和誤碼率的水下拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)完成度的計(jì)算方法, 并通過(guò)全網(wǎng)完成度分析了節(jié)點(diǎn)處于勻速、勻加速、勻減速狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的節(jié)點(diǎn)間通信距離變化和多普勒頻移對(duì)多AUV協(xié)同系統(tǒng)可靠度的影響, 表現(xiàn)為若節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)引起節(jié)點(diǎn)間通信距離和多普勒頻移的增大, 會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間通信誤碼率升高, 從而使節(jié)點(diǎn)間通信鏈路可靠度降低。同時(shí), 多普勒頻移還會(huì)影響節(jié)點(diǎn)間通信傳輸時(shí)延, 最終會(huì)導(dǎo)致MAUVS的全網(wǎng)完成度下降; 反之, 若節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)引起節(jié)點(diǎn)間通信距離和多普勒頻移的下降, 則系統(tǒng)的全網(wǎng)完成度會(huì)升高。

水下通信鏈路的可靠性除了受節(jié)點(diǎn)間通信距離和多普勒頻移的影響外, 還受外部噪聲譜級(jí)的影響。文中將3個(gè)因素納入全網(wǎng)完成度指標(biāo)中, 主要分析了節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)所引起的通信距離變化和多普勒頻移對(duì)全網(wǎng)完成度的影響。在之后的研究中, 需結(jié)合任務(wù)環(huán)境, 對(duì)噪聲譜級(jí)及其影響分析進(jìn)行研究。

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Influence on Nodes Movement to Holistic-network Performability of Multi-AUV Collaborative System

LIANG Qing-wei, ZHANG Xin, YAN Xiao-hang

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

The multi-AUV collaborative system(MAUVS) has a wide space range, strong functions and high efficiency. While facing the complex ocean environment, system nodes are required to adjust their movement during execution of tasks. The change in the movement of the nodes will affect communication distance between nodes, and Doppler frequency shifts, which will in turn affect the reliability of MAUVS. Based on the topology, considering the bit error rate and the delay characteristics of underwater communication, the reliability of communication performance is described herein in terms of holistic-network performability, and a method for calculation of holistic-network performability is discussed. The effect of communication distance on links under different motion states is analyzed using examples, and the effect of the movement of nodes on the holistic-network performability of the entire network is discussed. This study verifies the reliability of the MAUVS communication network described using holistic-network performability.

multi-AUV collaborative system,; node movement,; reliability,; holistic-network performability

TJ630; TN929.3

A

2096-3920(2021)02-0170-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.006

梁慶衛(wèi), 張?chǎng)? 閆曉航. 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)多AUV協(xié)同系統(tǒng)全網(wǎng)完成度的影響[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(2): 170-175.

2020-09-02;

2020-09-25.

國(guó)家留學(xué)基金委項(xiàng)目資助(CSC NO. 201606295006); 陜西省自然科學(xué)基金(2017M6089).

梁慶衛(wèi)(1970-), 女, 博士, 副教授, 主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程.

(責(zé)任編輯: 許 妍)