肖蟄水 ,陳 發(fā) ,方坤升 ,王 巍 ,黃海寧

(1.蘇州桑泰海洋儀器研發(fā)有限責任公司,江蘇 蘇州,215000;2.中國科學院 聲學研究所,北京,100086)

0 引言

體域網(wǎng)是一種以人體為中心的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡,適合人體可穿戴、可嵌入設備間的數(shù)據(jù)傳輸和管理,在醫(yī)療、保健和消費類電子等領域應用前景廣闊。針對體域網(wǎng)已有諸多研究成果[1-6],但大都針對陸地(空氣中)體域網(wǎng)的建設。電氣與電子工程師協(xié)會(institute of electrical and electronics engineers,IEEE)為體域網(wǎng)制定了專門的IEEE 802 15.6標準[7],詳細描述了體域網(wǎng)應用領域的物理層規(guī)范、介質訪問控制層規(guī)范以及傳輸層跨層協(xié)議服務質量和安全模式等內容。在眾多研究中,Otto等[8]設計的體域網(wǎng)架構可用來處理網(wǎng)絡內部及與多層遠程醫(yī)療系統(tǒng)中的醫(yī)療服務器之間的通信;孫彥贊等[9]提出了一種基于隨機不完全著色算法,通過控制已著色節(jié)點繼續(xù)參與下一輪的著色算法實現(xiàn)網(wǎng)絡更高的資源空間復用,通過限制相鄰節(jié)點分配顏色數(shù)量差距保證節(jié)點間資源分配的公平性,仿真證明了該算法對體域網(wǎng)網(wǎng)間干擾的抑制效果;王靜賢[10]針對體域網(wǎng)采用時分多址(time division multiple access,TDMA)物理層技術在合作共存場景中的網(wǎng)間干擾問題進行討論分析,提出一種基于討價還價博弈模型的功率控制機制,將最大化網(wǎng)絡納什積模型等效轉化為凸優(yōu)化模型以得到納什討價還價解,在仿真中取得了較好的結果;Kazemi 等[11]提出運用非協(xié)作博弈來降低多個無線體域網(wǎng)的網(wǎng)間干擾,在提升系統(tǒng)容量的同時,避免了用戶在信道增益和功率預算較低時增大發(fā)送功率;Ibarra 等[12]提出一種基于能量采集的協(xié)議,協(xié)議中節(jié)點能量由能量采集模塊供給,節(jié)點具備一定處理能力,能夠從監(jiān)測信號中檢測到事件的發(fā)生,并選擇性地傳輸有價值的信息,提高了能量效率。

水下體域網(wǎng)作為智慧海洋跨介質物聯(lián)網(wǎng)絡的一個分支,是一種以蛙人為中心的短距離通信網(wǎng)絡。目前,國內外針對體域網(wǎng)在蛙人水下隨身裝備數(shù)據(jù)傳輸與設備控制應用領域的研究仍屬空白,但體域網(wǎng)標準為水下體域網(wǎng)的構建提供了重要思路。受水介質吸收作用影響,IEEE 802 15.6 標準規(guī)定的物理層通信頻段作用距離和可靠性均大幅下降,導致體域網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議失效,因此體域網(wǎng)技術無法直接應用在蛙人水下隨身裝備體系中。針對此,文中從裝備體系狀態(tài)控制、信息管理與設備集成需求角度出發(fā),參考現(xiàn)有體域網(wǎng)網(wǎng)絡框架,結合水下通信設備特點以及水下信息傳輸所面臨的關鍵問題展開研究,并提出適合蛙人水下隨身裝備體系應用的水下體域網(wǎng)架構。

1 水下體域網(wǎng)系統(tǒng)架構

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1 所示,水下體域網(wǎng)由多個傳感器、執(zhí)行器和1 個數(shù)據(jù)綜合處理中心組成。

圖1 水下體域網(wǎng)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition diagram of underwater body area network

傳感器是水下體域網(wǎng)對人體域內的信息采集終端,水下體域網(wǎng)利用可植入/穿戴/手持的各功能傳感器采集人體生命體征(如體溫、血壓、心率、血氧濃度等)、蛙人水下隨身裝備工作狀態(tài)(如氣瓶氣壓、照明裝備電池電量等)、工作水域水文變化(如水溫、水壓、鹽度等)等信息,并通過有線/無線(聲光通信、磁通信)連接的方式將采集的信息上傳至數(shù)據(jù)綜合處理中心。

數(shù)據(jù)綜合處理中心是水下體域網(wǎng)的中心節(jié)點,負責收集、存儲、分析和管理水下體域網(wǎng)傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)綜合處理中心具備一定的計算能力,可根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析結果做出決策,并通過有線/無線方式控制和協(xié)調水下體域網(wǎng)各執(zhí)行器終端完成響應(如頭盔顯示、送氣調節(jié)、聲光報警及外骨骼助力等)。數(shù)據(jù)綜合處理中心集成了水聲通信終端,可以接入水下專用網(wǎng)絡,實現(xiàn)與岸基保障中心、水下其他體域網(wǎng)絡間的信息交互。在此意義上,每個獨立的水下體域網(wǎng)也可以看成是跨介質物聯(lián)網(wǎng)絡的一個復合傳感器節(jié)點。

1.2 架構設計

如圖2 所示,水下體域網(wǎng)可以用感知層、傳輸層和應用層3 層架構來描述。

圖2 水下體域網(wǎng)架構圖Fig.2 Architecture of underwater body area network

1)感知層

感知層由蛙人水下隨身裝備中集成的各類傳感器和執(zhí)行器構成,是水下體域網(wǎng)的基礎。感知層傳感器采集人體生理數(shù)據(jù)和外部環(huán)境數(shù)據(jù),并通過執(zhí)行器響應體域網(wǎng)決策。常見的感知層傳感器/執(zhí)行器可分為生命體征傳感器、裝備狀態(tài)監(jiān)測傳感器以及環(huán)境感知傳感器3 類。

生命體征傳感器/執(zhí)行器通常布放于人體體表或植入人體內部,用于監(jiān)測蛙人水下作業(yè)時的身體狀態(tài),是蛙人水下作業(yè)的健康保障。常用的生命體征傳感器包括蛙人恒溫系統(tǒng)執(zhí)行器、呼吸頻率傳感器、心率監(jiān)測傳感器、血氧濃度傳感器以及體溫傳感器。1997 年,英國Robert 等研制出基于水肺潛水的水下心電圖超聲傳輸系統(tǒng);Garmin 公司推出HRM-Swim 和HRM-Tri 心率帶能夠獲取蛙人心律;2011 年,海軍醫(yī)學研究所研制了水下實時心率監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了蛙人心率監(jiān)測和體域內無線傳輸[13]。

裝備狀態(tài)監(jiān)測傳感器/執(zhí)行器用于監(jiān)控蛙人生命維持裝備和輔助運動裝備的設備狀態(tài)。常見的裝備狀態(tài)監(jiān)測傳感器包括氣瓶氣壓測量傳感器、氣瓶送氣氣壓調節(jié)執(zhí)行器、電池電量監(jiān)測傳感器、蛙人外骨骼助力裝備運動傳感器和運動輔助執(zhí)行器等。

環(huán)境感知傳感器是水下體域網(wǎng)中具有鮮明特色的裝備。常見的環(huán)境感知傳感器包括聲學探測設備、指揮通信設備和導航定位設備等。利用環(huán)境感知傳感器可大幅擴展蛙人對水下世界的認知能力。聲學探測設備主要包括頭戴式和手持式聲吶,從成像原理可分為機械掃描式、二維多波束和三維多波束3 類。成熟設備主要有美國Ocean Marine Industies Inc 公司研制的手持雙頻識別聲吶(dual-frequency identification sonar,DIDSON);Sound Metrics 公司研制的ARIS Defender 系列手持聲吶等,如圖3 所示。

圖3 典型水下探測設備Fig.3 Typical underwater detection equipment

指揮通信設備主要通過水下語音通信或數(shù)字指令通信方式實現(xiàn)。如圖4 所示,加拿大DIVELINK公司研制的COM 系列對講機可使蛙人在3 km距離內實現(xiàn)語音交流和信息交互;美國OTS 公司研制的SSB-210 水聲通信機有效通信距離可達1 500 m。

圖4 典型水下通信設備Fig.4 Typical underwater communication equipment

導航定位裝備主要為蛙人提供航向和位置信息以及航路規(guī)劃等。英國的ARTEMIS PRO 手持式導航定位系統(tǒng)集成了前視多波束聲吶、多普勒計程儀、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)和聲學定位等功能。加拿大Sharkmarine 公司的DiverNavigator 手持導航儀集成了導航定位和聲吶成像功能,如圖5所示。

圖5 典型水下定位導航設備Fig.5 Typical underwater positioning and navigation equipment

2)傳輸層

傳輸層利用標準化的數(shù)據(jù)傳輸設備和統(tǒng)一的通信協(xié)議實現(xiàn)感知層和應用層間以及體域網(wǎng)內傳感器間的信息傳遞與設備控制。

水下體域網(wǎng)采用有線/無線混合的信息傳輸手段實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互。此外,受限于工作原理,不同功能的蛙人水下隨身裝備在體積大小、使用方式、數(shù)據(jù)率傳輸?shù)确矫娌町愋院艽?導致無線體域網(wǎng)通信終端與傳輸層技術無法直接應用在水下體域網(wǎng)中,因此需要設計適配水下體域網(wǎng)應用環(huán)境和需求的物理層算法和網(wǎng)絡接入?yún)f(xié)議,研制標準化的信息接入終端用以滿足水下體域網(wǎng)信息傳輸需求。

在通信技術方面,受限于電磁波水下傳輸快速衰減導致的通信距離短、穩(wěn)定性和可靠性差等問題,建議采用以太網(wǎng)、聲通信、光通信和磁通信等方式滿足不同感知層傳感器接入與系統(tǒng)應用需求。如圖1 中體溫、呼吸頻率及心率監(jiān)測等布放在人體身上的傳感器,可采用有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞酵瓿蓚鞲衅髋c數(shù)據(jù)處理中心間的數(shù)據(jù)交互。氣瓶氣量傳感器可采用無線光通信的方式完成傳感器與數(shù)據(jù)處理中心間的數(shù)據(jù)傳輸。對于數(shù)據(jù)綜合處理中心接入跨介質網(wǎng)絡等水下專用網(wǎng)絡時,可采用聲學通信技術實現(xiàn)體域網(wǎng)與其他水下專用網(wǎng)絡的遠距離信息交互。

3)應用層

應用層是體域網(wǎng)的核心層,由蛙人隨身配置的數(shù)據(jù)綜合處理中心以及其他專用網(wǎng)絡信息處理設備構成,負責匯集和分析感知層數(shù)據(jù),并根據(jù)協(xié)議通過控制執(zhí)行器對感知事件自動響應。

應用層在傳輸層的支持下,對獲得的來自感知層的生命體征參數(shù)和環(huán)境感知參數(shù),結合歷史數(shù)據(jù)庫進行分析,并將分析結果反饋到感知層控制特定的執(zhí)行器,完成規(guī)定動作或自動執(zhí)行特定的任務,從而實現(xiàn)體域網(wǎng)內感知層各傳感器節(jié)點間聯(lián)動。

2 關鍵技術問題與初步解決思路

2.1 設備多樣性導致體域網(wǎng)系統(tǒng)集成困難

1)問題分解

受工作原理等因素影響,蛙人水下隨身裝備傳感器層各類設備在設備體積、應用方式及數(shù)據(jù)傳輸需求等方面差異巨大。同時,現(xiàn)階段行業(yè)內水下裝備缺乏統(tǒng)一標準,來自于不同廠商的設備在數(shù)據(jù)格式、交互協(xié)議及物理接口等方面存在差異,導致體域網(wǎng)系統(tǒng)設備集成困難。

2)解決思路

研制小型化、低功耗、標準化的信息傳輸終端,制定規(guī)范的水下體域網(wǎng)接入?yún)f(xié)議,是解決體域網(wǎng)系統(tǒng)集成困難的有效手段。

具體而言,在網(wǎng)絡協(xié)議制定方面,需根據(jù)接入設備計算能力和網(wǎng)絡流量需求,簡化傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)有線網(wǎng)絡協(xié)議,設計標準化、輕量化的水下體域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)絡接入?yún)f(xié)議棧,解決用戶接入便捷性、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)健性以及網(wǎng)絡負載均衡性問題。

在設備研制方面,需通過研制小型化、低功耗的數(shù)據(jù)接口轉換終端,確保網(wǎng)絡接入傳感器設備與數(shù)據(jù)綜合處理中心間可實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)健交互;研制便攜式水聲通信終端,以完成體域網(wǎng)之間、體域網(wǎng)與其他水下專用網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)交互。

在集成設計方面,可采用水下體域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸連線與潛水服共型設計方式,解決體域網(wǎng)傳感器層復雜連線對蛙人運動干擾問題;可采用電源集中管理方式,利用數(shù)據(jù)綜合處理中心管理供電系統(tǒng)為傳感器層設備集中供電,減小水下體域網(wǎng)設備整體體積和質量,減輕蛙人載荷負擔。

2.2 復雜信道環(huán)境導致水下無線通信不可靠

1)問題分解

傳輸可靠性問題是影響水下體域網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的核心問題。當體域網(wǎng)需要與其他體域網(wǎng)、水下專用網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互時,有線數(shù)據(jù)傳輸方式會極大限制蛙人水下作業(yè)范圍和效率,因此只能通過水聲通信手段解決網(wǎng)絡間的信息傳輸問題。

受聲波水下傳播速度慢、信號能量衰減快、蛙人水下作業(yè)環(huán)境復雜等綜合因素影響,水聲鏈路通信質量起伏明顯[14],同時水聲鏈路的開放性導致網(wǎng)絡容易受到來自外部的噪聲干擾和網(wǎng)絡攻擊,給蛙人水下作業(yè)帶來嚴重的安全隱患。

2)解決思路

設計具備環(huán)境認知能力的水聲通信技術是解決無線傳輸鏈路通信質量起伏的有效手段,數(shù)據(jù)綜合處理中心通過集成環(huán)境認知技術,實時監(jiān)控信道環(huán)境變化,并根據(jù)信道狀態(tài)變化,調節(jié)通信數(shù)據(jù)率、信號發(fā)送功率等通信參數(shù),在保障通信穩(wěn)健性的同時,降低水下體域網(wǎng)能耗開銷。

采用抗干擾能力強的物理層通信方案結合數(shù)據(jù)重傳機制是解決環(huán)境噪聲對水下體域網(wǎng)干擾的有效手段。體域網(wǎng)外部環(huán)境噪聲干擾來源包括地動、冰裂、海洋生物叫聲及水下其他聲吶主動脈沖等,該類干擾持續(xù)時間短、出現(xiàn)頻率低,但噪聲突發(fā)性強、脈沖能量強,對聲通信信號破壞性較大。針對環(huán)境噪聲干擾問題,可采用抗脈沖干擾能力強的擴頻、跳頻等通信體制提升通信鏈路的可靠性,采用選擇性重傳技術解決由于噪聲干擾等因素導致的數(shù)據(jù)傳輸丟失問題。

數(shù)據(jù)加密技術是對抗體域網(wǎng)受外部攻擊風險的有效手段。水下體域網(wǎng)是一個局部開放性的信息網(wǎng)絡,網(wǎng)絡中的各傳感器容易受到外部利用水聲鏈路對其實施的攻擊,導致水下體域網(wǎng)中數(shù)據(jù)的機密性和完整性無法得到保證[15]。針對數(shù)據(jù)安全問題,可采用輕量化的數(shù)據(jù)安全性加密機制[16],設計跨層的安全協(xié)議[16],在保障水下體域網(wǎng)信息安全的同時,降低安全校驗算法復雜度,減少由于復雜加密算法導致網(wǎng)絡能耗大的問題。

2.3 分布式設計導致水下體域網(wǎng)信息冗余和計算性能受限

1)問題分解

傳感器層各設備為了保證其自身功能完整性和設備獨立性,集成了其所必需的所有傳感器用以采集外部信息。水下體域網(wǎng)在集成這些設備后,體系中會存在復數(shù)個功能相同、性能相近的傳感器設備,導致大量重復的信息被系統(tǒng)采集和處理,增加網(wǎng)絡能源消耗;同時,為平衡計算需求和能源消耗,傳感器層設備選擇的芯片性能也受到限制,影響了水下體域網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡自動信息處理和智能化應用管理能力的進一步提升。

2)解決思路

利用數(shù)據(jù)處理中心對傳感器層設備進行集中化管理,是解決體系設備冗余和信息處理能力受限的有效手段。數(shù)據(jù)處理中心通過傳輸層協(xié)議控制感知層各設備集成的傳感器工作狀態(tài),以避免信息重復采集,降低網(wǎng)絡功耗;通過構建信息分布采集、集中計算的水下體域網(wǎng)信息處理架構,以水下體域網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心強大的處理和存儲能力作為支撐,完成對感知層設備采集數(shù)據(jù)的實時處理、分析及挖掘,從而迅速、準確、智能地控制傳感層執(zhí)行器響應,提升水下體域網(wǎng)效率。

當數(shù)據(jù)綜合處理中心接入水下專用網(wǎng)絡后,還可以獲得專用網(wǎng)絡中信息處理終端的計算支持,進一步提升水下體域網(wǎng)自動信息處理和智能應用管理水平。

3 結束語

水下體域網(wǎng)作為一種以蛙人穿戴和攜帶設備為對象的專用網(wǎng)絡技術,具有廣泛的應用前景。受水下無線信號傳輸衰減快速等因素影響,現(xiàn)有的體域網(wǎng)技術無法直接應用在蛙人水下裝備體系中。多樣的裝備形態(tài)、復雜的環(huán)境噪聲干擾等因素為水下體域網(wǎng)設計者帶來了巨大的挑戰(zhàn)。文中探討了水下體域網(wǎng)的分層系統(tǒng)架構,針對水下體域網(wǎng)應用所面臨的實際困難,重點分析了水下體域網(wǎng)設計過程中所面臨的網(wǎng)絡標準化設計、信息穩(wěn)健傳輸?shù)葻狳c問題,并針對性給出了解決思路,旨在為水下體域網(wǎng)的研究工作提供參考。