水下无线多点通信系统研究

水下声学传感网络的一个重要用途是对水下传感器节点所覆盖的区域进行中长期的水下预警、目标检测、海洋水文环境要素监测等；同时，在未来多基地和舷外分布式传感器系统构成的庞大的反潜战网络中，水下数据通信是关键，而水下传感网承担着探测、数据通信的重要使命。所谓的水下无线传感网就是在一定的水下区域内，通过各种传感器节点获取水下信息，并对水下节点进行声学通信和组网，最终通过特定的节点，重新以无线电和有线的形式把在覆盖区域中所获取的信息纳入岸上的常规网络，并发送给观察者的水下子网。

由于水声信道的传输条件十分恶劣，特别是浅海水声信道，信道的带宽有限，取决于距离和频率，在这种有限的带宽内，声信号受强环境噪声，时变多径的影响，可能会导致严重的码间干扰(ISI)、大的多普勒频移扩展及长的传输时延。另外，无线电磁波和光波在水中的衰减非常大，无法实现远程传输。所以，在设计水声传感网时可以借鉴无线电组网技术，但是还要考虑水声信道的特点。

1 水下无线多点通信系统

1．1 系统的总体构架

基于水声信道的特点，同时考虑到频域上相邻点的间隔必须大于信道的相干带宽，所以采用FSK调制方式的跳频通信来实现。与陆地上的无线传感网络结构一样，水声传感网的拓扑结构可分为两大类：一种是小规模网络中采用典型的星型结构；另一种，大规模、多节点、分散密集的环境中，组建的分布式对等网络拓扑结构。

该设计实现的是小规模网络，采用星型结构，由一台PC机，一个主节点、多个分节点组成网络系统。一台和Internet网络连接的PC机是网络的监控中心，由主节点来广播信息实现数据传输与命令控制，终端设备直接受控于主节点，构建的水下无线传感网络，系统如图1所示。

1．2 水下无线多点通信系统的通信协议

为了水下无线传感网络能稳定、无误码地完成命令发送和数据传输，也需要通信协议来保证其可靠性。结合水下无线传感网的需求，在此分别定义PC机到节点下行的发送数据通信协议，节点到PC机的上行接收数据通信协议两种不同的通信协议。

开始符 用"％"的ASCII码表示数据帧头。

从机编号 用0～99表示命令是要控制第几个分节点。0编号作为广播式设定，即如果是0编号，则水面中继器向各水声通信从机群发送控制信息。

控制命令 设定从节点需要处理的动作类型编号，控制指令的编号对应水下无线传感网分节点采取不同的控制操作。

结束符 用"MYM"的ASCII码表示数据帧尾。

(2)接收数据的通信协议

开始符 采用"％"的ASCII码表示数据帧头。

从机编号 当前回送的数据来自水下无线传感网的分节点编号。

数据类型 表示所传输的数据代表的含义。

数据内容 具体监测到的数据。

结束符 采用"MYM"的ASCII码占表示数据帧尾。

2 通信节点的系统设计

在水下无线传感网络里有两种设备：主节点和分节点。主节点主要负责各项监测任务的下达和数据等反馈信息的简单聚合与处理，是其余各节点与主控制PC机之间连接沟通的桥梁；分节点主要负责搜集传感器或者接口设备的测量数据，并直接向主节点反馈响应信号或数据。PC机和主节点之间的通信是通过RS 232实现的，而主节点和各节点之间的通信是通过水声换能器实现。

2．1 系统硬件结构

系统硬件结构如图2所示。

作者：朱晓明，程 恩，伊锦旺   来源：现代电子技术