适用于固定节点的水下传感器网络物理层设计

适用于固定节点的水下传感器网络物理层 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 论? 适用于固定节点的水下传感器网络物理层设计 付予婧张效民于 洋赵延安, , , 西北工业大学 航海学院陕西 西安 ,, 710072, 摘 要时间反转法利用声学互易原理应用于节点位置固定的水下传感器网络物理层中可在没有任何先验知【】 ,,识情况下具有自适应匹配声学信道的作用 使声信号能量在空间和时间上得到聚焦提高接收端信噪比从而获得 ,, 一个高速的网络链路验证了水平阵列的时间反转法在水平方向上的聚焦性能并在此基础 通过计算机仿真研究。 ,,上扩展到时反法用于任意阵型的时反阵为水下传感器网络实现高数据率低功耗的网络物理层链路提供了支持,、。 关键词时间反转水下传感器网络聚焦【】 , , 中图分类号文献标识码【】 TN91 【】 A Underwate Sensor Network Physical Layer Design Based on Time Reversal r FU Yu-jing, ZHANG Xiao-min, YU Yang, ZHAO Yan-an ,College of Marine Engineerin, Northwesterng Polytechnical Universit,y Xi′an 71007,2 China, 【Abstract】 Time reversal method using the reciprocity principle of acoustic can be used in the physical layer of underwater sensor networks. It could obtain sound energy focus in the temporal and spacia,l which enables to realize a high-speed network link in the absence of any prior knowledge of the circumstances of adaptive matching the acoustic channel. Through computer simulatio n, the focus capability of time reversal method applied in horizontal array is testifies,d and the support to the implement of high data rate and low bit error rate physical layer link in the underwater senesor network is provided. 【Key words】 time reversa,l underwater sensor network, focus [5]结石的试验年美国加利福尼亚大,, 1996~1999 引言1 等人在美国海军研究机构的支持下在Kuperman , 在复杂海洋环境中, 由于界面反射和声线弯曲等 论证了时海开展了 次实际海洋时反实验研究, 3 因素的影响使带宽受限的水声信道具有双重扩展的“” 并转后声场在探测声源位置的时间和空间聚焦,[6] 特点由于水声信号多径传播产生的时延扩展和环境了时间反转法的稳健性,。 变化或发射机与接收机之间的相对位移产生的多普勒 时反技术利用了声互易原理线性波动方程, 其中时延扩展引起了接收信号相邻符号间干扰扩展, 间反转的不变性在不需要介质和换能器阵列性,, 在过去的十几年中为,,,。 , Inter-Symbol InterferenceISI 在不均匀的声学介质结构等先验知识的条件下,了实现高速率低误码率的水声通信研究者投入了大 、, 通过这种聚焦可以得到声现声束的自适应聚焦,量精力采用各种调制编码及均衡方式来改善信道对 ,、[7] 置并实现声源信号重构实现时反过程的装置称。 系统的影响抑制或避免时变多径从而达到减少码间 ,,反镜它类似于无线 ,Time Reversal Mirror,TRM,, 干扰降低误码率的效果。 中具有多个发射接收天线的基站时反技术又分/。 时间反转法近年来一个相对简单的处理方法, , 在数学模型上它们分别等价动时反与被动时反, 频域称为相位共轭其作为一种,,, ,, TimeR eversalTR 即主动时统通信链路中的上行链路与下行链路,[1-3] 时反技术新的自适应技术引入到水声通信领域中。 程可以看作是通信中的上行链路从基站到用户,,[4] 首先在非线性光学实验中被证实其后法国巴黎大,, 入单输出而被动时反过程可以看作是下行链路,,学的 教授等人在超声实验室对时反技 MathiasA. Fink [8] 用户到基站单输入多输出由于时间反转法具,,。 术在声学领域的应用开展大量深入的理论研究和实验 因此可以重组多途信号间压缩与空间聚焦性能,论证并于 年使用时反技术进行了超声波粉碎肾,1992 制码间干扰并且减小信道衰落的影响这 个特, 2 得此方法可以广泛应用于水声通信中若在水下传感, 器网络协议的物理层中采用主动式时间反转法则可以 更好地提高接收端信噪比满足水下传感器网络对高 , 数据率低误码率特性物理层的需求、。 笔者主要关注于主动式时间反转法在水下传感器 网络通信中的应用目前时间反转法应用于水下通信 。 , 时均采用垂直时反阵列由于水下传感器网络的各节 , 点要求具有低复杂度及低成本的特点若各个节点均 , 采用传统垂直阵列作为时反通信阵列增加了节点复 , 杂度及成本而传感器网络中密集布置的大量传感器 , 节点本身即可作为时反阵列的阵元在不增加节点结 , [10] 综合以上原数 及各阵元之间的空间分布情况等。 N 构及成本的前提下通过网络协议可以将网络内的多 , 因可以知道在时反通信中为了使 达到最小就希, ISI 个节点组成时反阵列来实现节点间的高速网络数据链 望 函数尽可能接近于升余弦函数然而在实际时 Q-,, 反通信过程中由于环境干扰等因素的存在不能完全,, 路由于水下节点网络中各节点通常处于同一深度上海消除 故时反通信系统并不能发挥其最优性能。,。 ISI 或深度相差不大故首先需要对处于同一深度内不洋环境是一个动态环境水声信道的状态随时间不断,,,, 同接收点的水平阵列的时反聚焦性能进行研究变化并在而时反通信是建立在假设水声信道不变基础上, , 此基础上推广到任意阵型的情况的因此若在时反通信中采用自适应信道均衡技术可 并构建了一个基于 , ,, 主动时间反转法的水下节点网络物理层以在一定程度上改善系统性能补偿由于信道波动带 。 , 来的干扰消除残余 ,ISI。 主动时间反转技术的基本原理2 仿真实验及网络物理层的构建3 由探测声源主动时间反转的基本过程为首先, , 仿真实验 个探测信号后 发射 经过波导传,,, , ProbeS ourcePS1 3.1 笔者仿真水平阵列时反通信图 为实测到的某。 2 输个收发合置的时反阵由 , 1 ,Source ReceiverArr ay, 而后对每个阵元接收的信号进行时反处接收海洋声速分布海深约 图 为仿真实验中阵元, , ,。 SRA100 m3 的布放情况探测声源 深度为 时反阵共 个 ,PS 60 m,4 理再通过相应阵元重新发射出去即先到后发后到,,、[9]阵元每个阵元深度为 水平间距 首阵元 ,60 m,300 m,先发结果产生的声场近似于探测声源声场的时间反 , 布放位置距探测声源水平距离为 3 500 m。 转在探测声源处形成时间和空间的聚焦,。 实现主动时反通信的数学模型如图 所示其中1 ,, 与 分别表示发射传感器和接收传感器表示TR,s,t, x x a iθ,t, 为解调时的本地载波接收传感器接收到的信号。, e 由探测声源发射的已知信号 在波导中传播s,t,=g,t,, 0 时反阵的第 个阵元处接收到的信号为 ,SRA,i r,t,= i 其中 为 个阵元的时反阵表示s,t, h,t,, SRA N ,h,t, ii * 波导中各信道的信道冲激响应表示卷积计算,“”。* 接收阵元将各自接收到的信号进行时间反转并将 则探测声源位置接收到这些时反信号分别发射出去, 的信号可写为 N 在此水文条件下利用基于简正波的 模型, ,,,,*Kraken *=s,t,Q,t, ,1, st=s-th*,-t, Σh,t,ΣΣ psiii=1 在计算机中对水声信道建模可以得到收发节点位于,、 号反向传输在探测声源处得到的波形可以看到, 的波形已经恢复为正弦信号由此可以得出在水,, 列中应用主动时间反转法也可在探测声源处得 焦从而为实现高数据率低误码率的网络物理层 ,、 提供了理论支持。 的信道冲激响应 图 为计算所得到的 函数,。 5 Q- 由于仿真是在假设声速与距离无关且发射声 无指向性条件下进行的所以可认为在以声源, , 同一半径圆上的所有接收点的传输函数是心, 在此结论的基础上就可以将仿真实验中水平 的, 在探测声源处发射 个 的正弦信号在 , 1 200 ms 4 个阵元处所接收到的波形分别如图 所示可这就使将主动时的情况扩展为任意阵型的情况,,,,, ,6a~d 转法应用于水下传感器网络构建一个高数据率低误码对聚焦性能及通信速率的影响下一步的工作将考虑, 海洋信道时变特性对聚焦的影响并验证任意时反阵 率的网络数据链路物理层成为可能, ,,。 列应用于网络数据链路的可行性。 网络物理层的构建3.2 参考文献 由于水下传感器网络节点的结构简单, 造价低廉 [1] EDELMANNG F,AKAL T,HODGKISSW S,et al. An initial 且节点数量众多单个节点本身所提供的计算资源极,demonstrationof underwater acoustic communication using 其有限故应该优化利用本地资源并使路由算法尽可,time reversal mirror[J]. IEEE J. Oceanic Eng, 200.2,27 能简单路由表尽可能稳定这样分簇式层次网络结构,,,,, 3602-609.就成为惟一的选择分簇式层次网络结构如图 所示。 8 , [2] ROUSEFF ,DJACKSOND R,FOX W L J,et al. Underwater 其中共有 个传感器节点若该网络采用对等多跳网 12 ,acoustic communications by passive- phase conjugatio,n 络结构其路由选择将会变得极为复杂而采用分簇式 ,,theory and experimental results[J]. IEEE J. Oceanic Eng ,. 层次网络结构将 个节点分为 个簇簇 与簇 ,12 2 ,A B, 2001,26,4,, 821-831. 与 分别作为簇 与簇 的簇头又称为骨干节A0 B0 A B , [3] YANG T C. Temporal resolutions of time-reversed and 基于上一节所得出点路由选择将会变得十分简单,,。passive -phase conjugation for underwater acoustic com - 的结论可以设计如下通信方式当簇 向簇 发送信, A B mun-ications[J]. IEEE J. Oceanic En g.,2003,28,2,,229-245. 息 时 首 先 由 将 信 息 序 列 以广播方式发送给 , A0 S FINK M. Timereversed acoustics[J]S. cientifi c American, -[4] 同时唤醒 作为时反阵的探测声源发射 A1~A5,B0,B0 1999, 91-97. 信号作为时反阵的阵元接收到 经过声 PS ,A1~A5 ,B0 [5] JACKSON D R,DOWLING D R. Time reversal of ultra- 信道传输过来的 信号分别进行时反处理后与信息 PS ,sonie fields-Part ?,experimental results[J]IEEE. Trans.on 序列 叠加发送并聚焦于 处根据发射的 信S B0 ,B0 PS Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contro, 1992l,39,,567-578. [6] KUPERRNANW A, HODGKISSW S, SONG He e-Chun, 号做相干解调即可回复出信息序列 同理簇 向簇, SB 发送信息时也可采用上述方法A 。 et al. Phase conjugation in the ocean,experimental demonstration of an acoustic tim e-reversal mirror [J]. J. Acoust. Soc. A,m 1.998, 103,l,,25-40. 汪 素 萍 宫 先 仪 杜 栓 平主 动 时 间 反 转 聚 焦 技 术[7] , , . [J]. 声学与电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ,2005,79,10,,12-14. [8] SONG He-echun, HODGKISS W S, KUPERMAN W A. MIMO Time Reversal Communications[C]// Proceedings of International Conference on Mobile Computing and Net - working. New York,ACM,2007,5-10. 张碧星陆铭慧用时间反转法在水下波导介汪承灏, , [9] . 质 中 实 现 自 适 应 聚 焦 的 研 究 声 学 学 报 [J]. ,2002,27 ,6,, 541-548 [10] MATHIAS F. Time-reversal of ultrasonicfield s-part ?, 小结4 basic principles[J]. IEEE Trans. on Ultrasonic,s Ferro- 笔者采用海洋实测数据, 通过计算机仿真实验验electrics and Frequency Contro,199l2,39,5,,555-566. 证了水平阵列采用时间反转法能够在探测声源形成聚 作者简介 并在假设条件的基础上给出了网络物理层的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 焦,付予婧硕士研究生主要研究方向为水下通信水下组网通信,,、, 张效民教授博导陕西省声学学会理 事 中 国 兵 工学 会 引 设计在探测声源处发射 个标准正弦信号经过水平,,,, 。 , 1 信专业委员会委员 主要研究方向为 水 下通 信 系 统 现 代 信 阵列的时反处理可在探测声源处得到 个标准正弦 ,、 , 1 物理场与传感技术信号在水平时反阵列处对时反信号叠加信息序列即、, ,, 号检测 于洋博士研究生主要研究方向为水下通信系统水下组网,,、 可实现水平阵列的时反通信从而使构建高数据率低, 但笔者只进行了水误码率的网络数据链路成为可能。