水下無線多點通信系統(tǒng)研究
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由于水聲信道的傳輸條件十分惡劣，特別是淺海水聲信道，信道的帶寬有限，取決于距離和頻率，在這種有限的帶寬內(nèi)，聲信號受強環(huán)境噪聲，時變多徑的影響，可能會導(dǎo)致嚴重的碼間干擾(ISI)、大的多普勒頻移擴展及長的傳輸時延。另外，無線電磁波和光波在水中的衰減非常大，無法實現(xiàn)遠程傳輸。所以，在設(shè)計水聲傳感網(wǎng)時可以借鑒無線電組網(wǎng)技術(shù)，但是還要考慮水聲信道的特點。
1 水下無線多點通信系統(tǒng)
1．1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架
基于水聲信道的特點，同時考慮到頻域上相鄰點的間隔必須大于信道的相干帶寬，所以采用FSK調(diào)制方式的跳頻通信來實現(xiàn)。與陸地上的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一樣，水聲傳感網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)可分為兩大類：一種是小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中采用典型的星型結(jié)構(gòu)；另一種，大規(guī)模、多節(jié)點、分散密集的環(huán)境中，組建的分布式對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
該設(shè)計實現(xiàn)的是小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，采用星型結(jié)構(gòu)，由一臺PC機，一個主節(jié)點、多個分節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一臺和Internet網(wǎng)絡(luò)連接的PC機是網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控中心，由主節(jié)點來廣播信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與命令控制，終端設(shè)備直接受控于主節(jié)點，構(gòu)建的水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)如圖1所示。
1．2 水下無線多點通信系統(tǒng)的通信協(xié)議
為了水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)能穩(wěn)定、無誤碼地完成命令發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸，也需要通信協(xié)議來保證其可靠性。結(jié)合水下無線傳感網(wǎng)的需求，在此分別定義PC機到節(jié)點下行的發(fā)送數(shù)據(jù)通信協(xié)議，節(jié)點到PC機的上行接收數(shù)據(jù)通信協(xié)議兩種不同的通信協(xié)議。
開始符 用“％”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀頭。
從機編號 用0～99表示命令是要控制第幾個分節(jié)點。0編號作為廣播式設(shè)定，即如果是0編號，則水面中繼器向各水聲通信從機群發(fā)送控制信息。
控制命令 設(shè)定從節(jié)點需要處理的動作類型編號，控制指令的編號對應(yīng)水下無線傳感網(wǎng)分節(jié)點采取不同的控制操作。
結(jié)束符 用“MYM”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀尾。
(2)接收數(shù)據(jù)的通信協(xié)議
開始符 采用“％”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀頭。
從機編號 當(dāng)前回送的數(shù)據(jù)來自水下無線傳感網(wǎng)的分節(jié)點編號。
數(shù)據(jù)類型 表示所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)代表的含義。
數(shù)據(jù)內(nèi)容 具體監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。
結(jié)束符 采用“MYM”的ASCII碼占表示數(shù)據(jù)幀尾。
2 通信節(jié)點的系統(tǒng)設(shè)計
在水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)里有兩種設(shè)備：主節(jié)點和分節(jié)點。主節(jié)點主要負責(zé)各項監(jiān)測任務(wù)的下達和數(shù)據(jù)等反饋信息的簡單聚合與處理，是其余各節(jié)點與主控制PC機之間連接溝通的橋梁；分節(jié)點主要負責(zé)搜集傳感器或者接口設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，并直接向主節(jié)點反饋響應(yīng)信號或數(shù)據(jù)。PC機和主節(jié)點之間的通信是通過RS 232實現(xiàn)的，而主節(jié)點和各節(jié)點之間的通信是通過水聲換能器實現(xiàn)。
2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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