新一代箭载无线传感器网络系统架构综述

罗煜缤 李 洪 周广铭 路 娟

(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.中国航天科技集团有限公司，北京 100048)

1 引 言

为了精确地把握火箭整体状况，在火箭飞行过程中，需要对火箭内部的压力、温度、湿度、振动等诸多参数进行测量，因此在火箭内部按照需求布置了众多功能各异的传感器。在传统的箭上测量系统中这些传感器设备之间都通过电缆进行连接。冗长的电缆不仅为火箭带来了多余的载荷，而且会给火箭内部设备的布局和安装造成影响，这就对箭上传感器网络的设计提出了新的要求。

随着以物联网技术为代表的新兴通信技术的发展，具备自组织、可扩展、高可靠特性的无线传感器网络[1]技术进入了人们的视野。将无线传感器网络应用于对火箭舱段内环境参数的无线测量，不但可以减少电缆布置时间、节约成本，还可以实现测点的灵活布置、减轻重量，有效解决了研制阶段中频繁增添或改动测点的需求，对提升工程进度、减少人力消耗有着巨大的帮助。尤其在未来，随着我国重型运载火箭等新型号的发展，箭上布置的传感器数量将以几何倍数的形式递增。无线传感器网络技术的引进，将对重型运载设计难度的降低和运载能力的提升起到至关重要的作用[2]。

目前，世界各国的箭载无线传感器网络研制工作仍处于初级阶段，所使用的技术也各有不同，尚未形成一个统一标准。基于此原因，急需一个清晰的系统架构来引导行业标准的形成。在总结各国现有技术的基础上，提出了由能量(Energy)、协议(Protocol)、信号(Signal)、环境(Environment)和节点(Node)五个模块构成的EPSEN箭载无线传感器网络系统架构，针对未来新一代箭上无线传感系统给出了设计建议和解决方案，实现了网络的模块化设计，为工程人员开展研制工作提供了技术保障。

2 现有系统

目前已搭载使用无线传感器系统的火箭并不多，主要有日本的可重复使用飞行器实验(Reusable Vehicle Test,RVT)、欧洲的阿里安5号火箭、中国航天科技集团的长征3号乙火箭、中国零壹空间公司的OS-X0火箭及中国凌空天行公司的天行1号火箭。这五个火箭型号搭载的无线传感器网络系统有着不同的技术特点，下面将分别进行简单介绍。

2.1 RVT

日本宇航局近年来一直在尝试将无线传感器网络布置在RVT中，并相继提出了几种设计方案。2014年在RVT上进行了箭上健康状态监测的试验[3]，试验中设置了3个传感器节点，进行压力、温度和氢气的测量，工作人员通过PC控制基站向传感器节点发送指令以进行数据传输。通信方面选择920MHz作为发射频段，使用ZigBee协议的物理层和时分复用的MAC层进行组网通信，测量了不同情况下的接收信号强度和误码率，以此检验通信的质量。2015年做了第二次试验[4]，传感器节点的数目上升到了5个，仍进行压力、温度和氢气的测量。能量方面引入了微波传能技术，通过在5.8GHz的频段发送微波来进行传能。通信方面使用了2.4GHz频段进行射频通信，通过时分复用的方式进行无冲突传输，测试时通过笔记本电脑与基站节点的无线通信获取箭上数据。

2.2 阿里安5号火箭

为减少线缆负重，无线传感器网络在阿里安5号火箭仪器舱内的遥感子系统中得到应用[5]。遥感子系统利用红外进行数据通信并在单个节点上集成了多种智能传感设备，包括温度传感器、湿度传感器、可见光强传感器、红外光强传感器、加速度传感器、压力传感器和输出精度为10bit的ADC。

遥感子系统的核心是通过一个微控制器来控制智能传感器采集信息并进行能量管理和数据通信。在通信方式的选取上，为了使火箭内部所存在的电磁干扰最小化，采用红外信号进行通信，并利用仪器舱表面覆盖的多层绝缘材料来反射信号，从而解决非直射通信的问题。能源供给采用的是多功能太阳能板，不仅可以通过它来为节点提供能量，而且可以通过它上面安装的可见光通信设备来接收基站节点发送的一些控制信息，比如节点唤醒等指令。由于红外信号的类光特性，不像无线电波一样可以向外发散，节点摆放的位置需要经过预先计算，不利于在大规模无线传感器系统中使用。目前阿里安5号火箭上只实现了单个传感器节点与基站之间的通信，尚未完成多点组网。

2.3 长征3号乙火箭

国内最早搭载无线传感器网络的长征3号乙运载火箭于2018年5月发射升空。此次发射中搭载了多种类型的传感器，进行温度、湿度、压力和高低频振动频率的测量。测量的数据经过汇聚节点发送到发射机，发射机通过箭外的发射天线传递给地面接收站。

此系统主要针对以下四个关键技术进行了研究：环境适用性技术、无线传输技术、能源控制技术和小型化要求[6]。环境适应性方面主要考虑的是耐热能力和电磁兼容性设计；无线通信方面，物理层采用了915MHz频段ZigBee协议的标准参数，MAC层利用时分复用技术来避免传输冲突；能源控制方面采用了休眠机制，在无需进行数据通信时通过管理节点发布休眠指令进行休眠，以便节省能量；小型化方面则是要求将电池、传感器、嵌入式设备及射频模块封装在一起时尽可能紧凑，以达到缩小节点体积的目的。

2.4 OS-X0火箭/天行1号火箭

OS-X0火箭和天行1号火箭的无线传感网系统来自同一个研发团队，分别于2018年5月和2019年4月完成首飞，主要目的是解决使用电缆网造成的定制周期长、负载重量大以及接插件引起的可靠性问题。在OS-X0火箭中，信号体制方面率先采用了超宽带(Ultra Wideband,UWB)通信技术[7]，并验证了其在舱内传输的可靠性；网络传输的数据类型主要是伺服系统的信令，对传输时延有很高的要求，为此研发团队定制了低时延保证的专有协议，相比传统的ZigBee协议等更加轻量、可靠。

天行1号火箭在OS-X0箭上系统的基础上进行了改进，使专有协议适配了多种数据类型。在箭上实验中主要有伺服信令、视频图像和众多传感器数据的传输，分别对应低延迟、高吞吐和时间同步的要求。实验结果显示，定制的专有协议搭配上UWB技术取得了很好的传输效果。不过系统中仍存在一些需要改进的地方，比如UWB的带宽利用率太低，实验中在500M的带宽内只能传输6Mbps的数据。除此以外，箭上的无线传感器节点仍使用电缆进行供电，对网络的可扩展性造成了一定限制。

2.5 技术比较

将上述五个系统按照能量供给方式、传输协议和信号体制三个方面进行比较，其结果见表1。从表中可以看出，有些技术较为适应未来箭上系统的发展趋势，比如RVT和阿里安5号的供能方式、OS-X0/天行1号的传输协议和信号体制；有些技术急需改进，比如阿里安5号未曾进行的组网设计、OS-X0/天行1号的有线供能。

表1 各类系统比较Tab.1 Comparison of various systems名称能量协议信号RVT无线(5.8GHz微波传能)时分复用2.4GHz 频段射频信号阿里安5号无线(光能)无红外信号长征3号乙无线(航天锂电池)时分复用915Mhz频段射频信号OS-X0/天行1号有线专有协议UWB信号

综上所述，从现有的系统中可以了解到决定系统性能的一些重要因素，比如能源供给方式、传输协议和信号体制等，但是由于没有一个清晰的系统架构的支撑，导致各个系统的整体表现都不尽如人意。因此，为了提升箭载无线传感器网络的整体性能，适应未来的发展需求，促进行业标准的形成，在下一章中提出了EPSEN系统架构，并针对箭上不同的应用场景和各类问题给出了相应的设计建议和解决方案。

3 EPSEN系统架构

新一代箭上无线传感器网络系统架构EPSEN由能量、协议、信号、环境和节点五个模块组成，能量、协议、信号模块是系统性能的决定因素，而环境、节点模块是工程实用性的可靠保证。各个模块之间相互影响，共同决定了整个箭载无线传感网系统的性能。EPSEN的系统架构及模块之间的相互关系如图1所示。

图1 EPSEN系统架构及模块间相互关系Fig.1 System architecture of EPSEN and module relationship

首先是能量模块与其他模块的相互关系：对能耗的不同需求将影响网络协议的设计，网络协议的不同设计也将影响网络的能耗；环境的恶劣与否会影响供能的可靠性需求；电池或供能设备的体积及形状会影响节点整体的设计；不同的发射信号所带来的能量消耗也不同。其次是信号模块：不同的信号特性会影响协议的设计，比如红外信号及光信号无法实现广播；环境对不同信号的衰减或干扰会影响信号的选择；信号的收发装置会影响节点的整体设计。然后是节点模块：节点的损坏或能量耗尽会对网络拓扑结构产生影响，进而影响协议的设计；恶劣的箭上环境会对节点的可靠性和安全性提出要求。最后环境模块会对协议的可靠性设计造成影响。下面将结合新一代箭上系统的特性，对各个模块分别进行介绍。

3.1 能量模块

能量供给模块是网络运作的核心。传统的箭上传感网使用电缆进行供电，对火箭的设计和性能造成了很大影响。新一代箭载无线传感器网络要求传感器节点应能在不连接充电线缆的情况下完成供电，一般有自带电池、光传能、微波传能、自供能四种形式。

3.1.1自带电池

这是目前民用无线传感器网络中最常用的做法，足够简单可靠，配上低功耗芯片与合理的休眠机制，可以让网络工作很长时间。箭上无线传感器网络也可以采用这个做法，但是由于箭上热环境与震动环境较为恶劣，对电池的可靠性与安全性提出了很高的要求。此外，由于不能充电，不适合长时间运行的应用，比如未来将要开展的火星、木星探测。

3.1.2光传能

光传能主要有两种方法，一个是环境光传能，一个是激光传能。环境光传能可以通过在箭内布置一些固定的光源实现，激光传能则需要在箭内布置好节点之后再安装激光发射器。环境光传能的效率较低，激光传能的效率较高，需根据具体应用需求进行选择。

3.1.3微波传能

微波传能是近年无线传能技术中研究的热点，在日本的RVT实验中已经得到应用。微波传能的效率虽然不高，但是相比环境光传能的效率提升了许多，并且由于无线传感器节点的本身功率消耗很低，因此可以很好地满足箭上无线传感器网络的需求。

3.1.4自供能

所谓的自供能指的是利用无源传感器的某种特性获取自然或环境中的能量，从而维持自身正常工作[8]。箭载无线传感器网络主要研究的是基于声表面波的无源传感器和基于能源材料的压电无源传感器，前者利用自身配备的叉指换能器将声表面波的机械能转化为传感器工作所需的电能，目前，NASA打算将其应用于箭上健康监测系统中[9]；后者利用压电材料将火箭箭体产生的振动转化为电能，由于其产生的电压较低，实用性还有待考证。

传统的无线传能技术中还有电磁耦合的方法，但是其传输距离过短，在箭上系统中尚未得到应用。将上述四种供能方式进行比较可以看出，微波传能和自供能技术是新一代箭载无线传感器网络能源技术的最佳选择，具体在箭上应用还需进行深入的研究。

3.2 信号模块

信号模块是通信的基础。主要的研究内容是设计信号体制，在物理层面保证传输的速率及可靠性，箭上系统常用的主要有射频、红外或激光和UWB三种通信方式。

3.2.1射频通信

射频通信是无线通信中最常用的手段，也是目前市场中最成熟的技术。但是在火箭这类密闭舱体中使用射频通信将会存在严重的多径效应，并且信道特性类似梳状滤波，给通信带来了很大的难度，需要通过一些措施来减弱影响，比如减小码速率、增加发射功率等。

3.2.2红外或激光通信

红外或激光方向性好，不易受电磁干扰，将其应用于箭上固定场景的通信时具有极佳的性能。使用此技术将摆脱射频通信存在的多径效应和梳状滤波特性，但对于动态性较强的场景应用受限，比如在对火箭进行总装测试时通常需要不停更换测点，每更换一次就需要对节点发射器/接收器的角度进行调整。

3.2.3UWB通信

火箭密闭金属舱不存在功率泄露，箭内有着丰富的频谱资源可供使用，具备了引入UWB技术的条件。UWB通信是对射频通信的拓展，它提出使用特别宽的频带来进行通信，这将能很好地削弱信道梳状滤波特性所带来的影响。除此以外，通过牺牲频带利用率，增加冗余，来换取通信的可靠性；通过高带宽来换取低时延；利用其功率扩展特性来提升抗干扰的性能。但是采用UWB会带来传输能耗的增加，因此需要搭配能量模块共同进行改进。正是由于UWB的优良性能，使其在箭上系统中的应用得到了广泛关注。

3.3 协议模块

协议是通信质量的保证。民用领域使用较多的WIFI和蓝牙协议采用的CSMA/CA接入，具有强烈的时延抖动，不利于实时性较强的数据传输；ZigBee协议传输速率较低，且激活、接入的时延较高。因此这几类协议都不适合新一代箭载无线传感网，需要专门为其进行设计。协议模块总共分为MAC层、网络层、传输层和应用层。

3.3.1MAC层

由于随机多址接入会带来时延的不确定性，为保证接收数据的实时性，箭载无线传感器网络应使用固定多址接入。固定多址接入主要包括频分多址、时分多址、码分多址、空分多址等方法。频分多址不适用于电磁环境较为复杂的箭上系统；码分多址对箭上设备的计算能力和小型化提出了很高的要求；空分多址主要针对光通信和红外通信这一类。综上，箭载无线传感器网络应优先考虑时分多址技术，这在目前已有的箭上系统中已经得到验证。

3.3.2网络层

网络层是箭上网络中常常被忽视的一部分。目前箭上无线传感器网络仍停留在小规模理论验证阶段，汇聚节点能够实现全网一跳覆盖，因此网络层直接使用的星型结构。但随着技术的发展和重型运载火箭的研制，中规模、大规模箭载无线传感器网络将会得到应用，有必要对网络层的协议进行研究。针对不同的应用场景，提出了不同的设计思路。

对于能量富裕的场景，路由协议所考虑的主要是对降低传输时延等QoS的保证。箭内传感器节点的位置发射前就已固定，在整个网络的运行过程中节点的位置将保持不变，因此可以在网络初始化时通过方位角、接收信号强度等方式构建出网络拓扑，再根据拓扑结构规划出符合QoS要求的路由。

对于能量受限的场景，路由协议所考虑的主要问题应该是节省能量，此时必须引入功率控制和睡眠调度机制等，在此基础上进行网络的拓扑控制。可以根据网络的规模大小进行分簇集群，在上层再引入多跳机制，以此达到节省能量的目的。

当节点规模大到一定程度的时候，单纯分簇加多跳的方式对网络性能的提升有限，此时可引入多汇聚节点[10]和多级异构网[11]的思想，在网络中布置多个汇聚节点，并在其中加入一些计算能力和续航能力更强的执行器节点[12]。虽然这使网络结构更加复杂，但是网络的生存时间、传输时延等性能将得到极大的提升。

3.3.3传输层

传输层是目前箭上网络中尚未进行研究的一部分，因为单跳网络的差错控制可以直接通过分配重传时隙来进行重传，而未来箭上的多跳网络中则需要引入从源到宿的差错控制以保证传输的可靠性。传统互联网中的TCP协议并不能直接应用于箭上无线传感器网络，因为其在保证传输可靠性的同时也带来了巨大的通信开销。无线传感器网络的传输控制协议应该尽可能地简单高效、公平可靠。无线传感器网络传输控制协议主要分为两类，一类是拥塞控制，另一类是可靠性保障，箭上网络主要考虑的是第二类。具体协议应该根据具体应用场景下的链路质量及网络规模进行设计。

3.3.4应用层

应用层协议是为了满足应用的特殊需求而专门设计的协议。比如为了保证箭上伺服系统数据的传输时延尽可能小，则可以在协议中加入短报文敏捷传输技术和快速响应技术；为了保证视频数据传输的高吞吐量需求，则可以为其设计轻量化压缩包头及分配较多的链路资源。箭上系统应用层协议的设计应充分考虑任务的需求，并尽量使协议专有化和轻量化，从而达到更好的性能。

3.4 环境模块

环境模块并不是具体的软硬件，而是为保障箭上系统稳定可靠运行所必须考虑的针对环境因素的设计。环境模块的设计会直接影响到其余模块的性能。关于环境模块的设计应主要考虑防热、抗震和电磁兼容性两个方面。

3.4.1防热、抗震设计

传感器节点分布在火箭的各部位，在火箭各级尾段的传感器工作在极其恶劣的热、力环境下，这就需要对传感器节点进行相应的防热、抗震设计，防止物理层面的损坏。

3.4.2电磁兼容性设计

火箭内电子电气设备相当密集，使得整个箭内的电磁环境十分复杂，这就要求箭载无线传感器网络能与其余设备做到互不干扰。由于一般射频信号的功率较低，因此主要考虑的是电磁环境对传感器网络的干扰。为了能够合理地选择通信频带，需要建立箭内的无线信道传播模型，常见的做法是先建立简化的信道模型，再根据实际测出来的频率衰落特性对模型进行修正。

3.5 节点模块

节点模块是针对传感器节点整体的设计要求。主要包括小型化设计、固定方式和安全性设计。

3.5.1小型化设计

随着箭上测量需求的不断增多，箭上传感器的数目也日趋庞大。为了能在狭小的箭内空间布置更多的传感器节点，传感器节点的体积应尽可能小，这就要求对处理器设备、能源供应设备和射频设备分别进行小型化设计，最后整体进行小型化封装。

3.5.2固定方式

为了能更加方便地布置和更换传感器节点，传统的打孔安装方式在新一代箭上系统中不再适用，取而代之的是使用胶粘的形式。但使用胶粘存在节点异常脱落的风险，为保证系统的稳定性，粘贴胶的选取应经过严格把关，需对其物理性能、固化条件、机械性能、化学性能和电气性能进行深度测试。

3.5.3安全性设计

为保证箭上系统的可靠性，要求在有节点失效或故障时不能影响其余设备的正常工作，因此需要对节点的安全性进行设计。安全性设计主要是考虑节点在极端环境下的电池爆炸、漏电等影响，通过引入一定的保护措施使得风险最小化，保证箭上系统持续、稳定地工作。

4 结束语

无线传感器网络技术是新一代箭上测量系统数据获取的主要途径，具有提升运载能力、减少设计周期、测点布置灵活等优势。目前世界各国箭上系统的研究刚刚起步，针对箭上系统的设计还没有一个统一的系统架构。于是在现有箭上系统的基础上，结合新一代测量系统的需求，提出了新一代箭载无线传感器网络系统架构EPSEN。不仅总结了现有系统的技术特点，也针对未来运载火箭的发展趋势提出了新一代箭载无线传感器网络的设计思路。EPSEN所提出的设计思路是未来可期的，既能为现有系统的改进指明方向，又能为新一代箭上系统的研制提供理论依据。本文只给出了一些设计思路和解决方案，并没有介绍具体的工程实现方法，在实际应用中，应根据真实的系统环境选择相应的技术手段，以完成箭上系统的研制工作。