基于3G的水声通信海测平台的设计与实现

陈柯宇,程　恩,苏　为,高春仙

(厦门大学 水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建 厦门　361005)



基于3G的水声通信海测平台的设计与实现

陈柯宇,程恩,苏为,高春仙

(厦门大学 水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建 厦门361005)

摘要:实际水声信道的复杂情况远非实验室仿真环境所能模拟,而传统的海测实验存在成本高、风险大和效率低等问题,文章在研究传统海测平台的基础上设计一套基于3G的水声通信海测平台,以实现在低成本的情况下,利用一种可靠、实时的实验方式提高水声通信的研究效率。该平台可以替代传统出海测试的方式进行水声通信实验,并实现远程控制、数据保存等功能。

关键词:水声通信;海测平台;3G;远程控制;数据保存

21世纪是海洋的世纪,人类进入了大规模开发利用海洋的时期。在海洋产业的发展中,水声通信技术是国内外学者研究的最热门领域之一。然而,由于实验室仿真环境或者水池实验不能真实地模拟水声实际海洋环境信道条件,导致大部分水声通信实验平台在实际应用方面的性能与研究者期望所能达到的理想效果之间存在差距,要进一步验证研究成果就需要出海进行繁重、冗长、对财力要求很高的海测实验。传统的水声海测实验方法是研究者租用科考船到特定海域进行实验,该方法具有很大的局限性:① 实验部署繁重,研究者每次实验都要携带大量仪器上船,反复在不同位置部署信号点,调试实验平台,工作效率低,故障率高;② 实验受环境影响,由于海测实验受环境噪声等因素的影响较大,研究者通常需选择在凌晨船只较少的海域进行实验,对实验环境要求较高,恶劣的气候有时会使海测实验过程变得十分困难,风险较大;③ 实验验证困难,考虑到水声信道的复杂性和其他因素的影响,有时需要多次重复相同的测试才能验证结果是否正确。以上这些因素导致出海实验工作繁重,时间冗长,极大地制约了水声通信技术的发展[1]。

水声通信海上实验平台的研究起步于20世纪90年代,涉及水下传感网领域的实验平台较多。20世纪90年代初,美国的AOSNs(自组织采样网)率先提出“水声网”概念,并以海网SeaWeb计划进行实践、验证,标志着海上实验平台的研究正式起步[2]。俄亥俄州立大学开发了面向多种应用的无线传感网络测试的Kansei平台[3],该试验平台是由210个传感节点组成的15×14矩形规则阵列,每一个传感节点包含XSM以及Stargate单板计算机2部分。当前Kansei平台还处于开发过程中,仍有许多不足之处,如系统访问控制等功能并未完全实现、多数节点大多采用IEEE802.15.4协议进行通信,例如TelosB、Mica等。哈佛大学开发了无线传感器网络的MoteLab平台[4],该平台支持基于Web方式的用户访问方式,允许全世界的用户通过网络接口对测试平台的网络进行远程操作,从而进行自己的实验。MoteLab试验平台对于测试评估的方法考虑仍有所欠缺,例如对能量的测试评估方法等。康涅狄格大学开发了基于湖面研究设计的Aqua-TUNE平台[5],该平台包含软件及硬件2个模块,平台易于安装,由一系列即插即用的网络节点组成,并通过混合无线网络将节点相连。国内的海上实验平台研究方面,文献[6]设计了一种水下传感器网络海上实验平台,提出了双头硬件节点;该平台利用水下传感器网络的路由分发规则和协议进行了研究,针对水下网络和水下移动网络的性能展开了测试并远程控制。文献[7]提出了一种以WiFi、数传电台、GPS、SD卡为载体,搭建由浮子节点、汇聚节点、系统管理分析中心组成的现场测试采集系统,可进行单/双向通信及图片传输等现场级实验。

本文在总结以往关于水声通信实验平台工作的基础上,提出一种可远程控制、数据保存的海测平台[8]。

该平台采用B/S模式和分布式架构,整合水声通信技术、嵌入式处理技术、数据库技术、无线通信技术,实现集分布式数据收发、实时传输、信息处理发布为一体的水声通信海测平台系统。

1海测平台的架构设计

海测平台由3个子系统组成[9-10],分别是服务器子系统、无线通信子系统、数据处理子系统。服务器子系统包含系统网站和数据库，通过与后台数据库的交互,系统网站提供了研究者可操作的交互界面,可以实现设备信息的显示与定位、选择发送数据、试验数据回传和处理等功能;无线通信子系统实现海上节点与服务器的连接与数据传输,提供无线3G网络的网口通信方式;数据处理子系统由STM32开发板、功率放大器和水声换能器组成,实现信号的ADC/DAC转换以及水声数据收发的功能。

(1)服务器子系统。服务器的架构如图1所示。用户对海测平台的操作都集中在服务器子系统,为了方便人机交互,使用成熟的面向对象语言C#,使用的工具为Visual Studio2010。控制中心的软件系统共分为UI(用户界面)部分、后台代码、数据接口3个部分。实验设备浏览与操作示意模块包括界面中的“水上平台浏览”、“水下节点浏览”、“选择添加栏”、“操作示意图”以及“设备信息与历史记录”,主要为实现对实验设备位置信息及历史文件信息的浏览以及操作选择,同时对实验操作及数据走向进行清晰化的呈现,便于实验人员了解及更改整个实验过程。实验数据与控制指令传输模块负责在实验人员建立好所需的实验连接后,提供“网络数据传输”、“串口数据传输”及“移位控制指令”3种功能服务。实验数据分析与波形显示模块可让实验人员选择需要的文件进行波形显示及数据分析。

(2)无线通信子系统。海上节点通过无线通信子系统与服务器连接,通信方式基于电信3G EVDO网络的移动网络通信。无线通信设备提供网口方式,具有传输速度快、可靠性高、组网简单等优点,适合大容量波形数据、视频监控图像和GPS定位信息的传输处理。在无线通信子系统中,将采用流式套接字进行移动网络通信。实际通信时,监控软件需首先创建套接字,并将其绑定到一个IP地址和端口号上,接着将套接字设为监听模式,准备接收海上节点的请求,如图2所示。海上节点中的IP Modem也需要创建一个套接字,但无需绑定IP地址和端口号,只要明确监控软件的IP地址和端口号即可,然后向监控软件发出连接请求。监控软件收到海上节点的请求后,为该节点创建一个Socket句柄,两者之间的通信就通过该Socket句柄完成。基于此原理,水声通信海测平台的服务器可以和多个海上节点建立连接,海上节点也可以通过服务器与其他节点进行数据通信[11-12]。

图1　服务器的架构

图2　基于Winsock的网络通信

(3)数据处理子系统。此系统是整个海测平台的硬件核心,如图3所示。它由STM32芯片、功率放大器和水声换能器组成。STM32具有接口丰富、资源充足的优点,利用其上集成的SPI接口、网口、UART、DMA数据传输系统和ADC/DAC数据模块实现发送端和接收端的数据处理。

图3　数据处理子系统架构

发送端从IP Modem的网口接收到数据后通过SPI将数据发送到STM32内,STM32利用UIP协议对网口接收到的数据进行TCP协议分析并将获取的数据交给STM32进行处理。STM32对数据进行分析后,判断是否为水下控制指令,若是,则将控制指令进行调制和帧封装后通过DAC发送出去,由其下属的水下指令通信模块进行解调和响应;若不是,则直接通过DMA控制器将数据传输到DAC模块进行数字模拟转换。最后利用功率放大器和水声换能器将波形发送出去。为了提高系统的抗干扰和抗衰弱能力,提高指令的准确性,采用跳频-多进制频移键控(Frequency-Hopped Multiple Frequency Shift Keying,FH-MFSK)调制解调技术来设计水下控制指令[13],并为指令信息设计了一个稳定可靠的帧结构。接收端则是利用ADC模块将水声换能器和功率放大器得到的数据进行模拟数字转换,然后通过DMA控制器将数据传输到STM32,最后STM32利用UIP协议将数据打包成TCP协议包通过IP Modem发送出去。

2海测平台的部署与测试

海测平台的部署与测试实验在实际海洋信道环境下进行,以验证系统的实际性能。实验中海上节点设备如图4所示。

图4　海测平台海上节点设备

本文设计完成了一套水声通信海测平台系统,目的是集成分布在海上的实验节点,实现远程控制海测实验目标。海测平台的实验流程如图5所示。

图5　海测平台测试框图

研究者的实验数据经过调制后保存成txt文件,海测平台将文本信息传输给海上节点进行海测后传送回服务器供研究者分析下载。因此,文本信息的传输性能和ADC/DAC转换至关重要,实验的测试将围绕此方面展开。

首先,进行海测平台各个子系统的部署配置,包括服务器、SQL数据库的部署和IP Modem的初始化配置,实现用户访问系统网站和IP Modem的信号点上线。其次,上传方波和chirp 2个信号文件分别进行海测实验。示波器布放在发送端的功率放大器之前和接收端的前置预处理之后,分别采集信号波形以验证底层设备的有效性。最后,将接收到的实验数据通过网站的在线图表功能进行收发端对比,验证海测平台的准确性。

海测实验在厦门五缘湾海域进行。实验地点为五缘湾木栈道同侧,收发两端换能器放置距离水面约1.5 m。根据国家海洋局厦门海洋预报台数据,实验当日五缘湾实验海域海洋情况如下:海浪情况轻到中浪,海浪下限 0.8 m,海浪上限1.5 m；风力2～3级,阵风4级；水温下限20.5℃,上限22.5℃。

设备定位显示如图6所示,网站“信号点浏览”界面显示收发端设备的定位信息,借助百度地图工具,测量得到实验距离约为108 m。发送“实验文件”(chirp)波形数据,开始海测实验流程。实验chirp信号频率为5～10 kHz,码元时间为1 ms,数据处理模块的采样率为100 kHz。海测实验结束后网站在线绘制的发送端和接收端的信号波形如图7所示(下部图形为接收端信号),发送端和接收端的功率谱密度如图8所示(下部图形为接收端功率谱密度),可以看出接收端信号的功率谱呈现频率选择性衰落。

图6　设备定位显示

图7　信号波形

图8　功率谱密度

3结束语

海测平台是可以替代传统出海测试方式的新手段,为便捷、高效、准确地研究水声通信技术提供了有效的方法。本文在总结以往关于水声通信实验平台工作的基础上,设计一种可远程控制、数据保存的海测平台。通过在厦门五缘湾海域进行海测实验,实现并验证了该平台的准确性。但该平台的系统整合性有待提高,并且由于是利用3G无线网络方式进行数据传输,在信号覆盖范围外应用时会有局限,所以计划下一步将该平台移植到浮标系统中,并且尝试采用北斗卫星传输方式,实现多点浮标式的海测平台系统。

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(责任编辑张淑艳)

Design and implementation of underwater acoustic communication trial platform based on 3G

CHEN Ke-yu,CHENG En,SU Wei,GAO Chun-xian

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology of Ministry of Education,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:At present,the complexity of the real underwater acoustic channel can not be simulated exactly in the laboratory.Facing the high-cost and high-risk traditional marine surveying experiment with low efficiency,the underwater acoustic communication trial platform based on 3G is designed,which can improve the efficiency of underwater acoustic communication by means of reliable and real-time experiment research in the case of low cost.The platform can be used to replace the traditional marine surveying way and make the underwater acoustic communication experiment,while realizing remote control,data storage and other functions.

Key words:underwater acoustic communication;trial platform;3G;remote control;data storage

收稿日期：2015-07-01；修回日期：2016-02-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61501386)

作者简介：陈柯宇(1985-),男,河北邯郸人,博士,厦门大学工程师,硕士生导师;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.008

中图分类号:TN914.43

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)04-0471-05

程恩(1965-),男,福建福州人,博士,厦门大学教授,博士生导师.