基于EMD方法和MAC協議的水聲傳感網絡研究

姜愉 胡文君 葉雪云 梁劍烽 楊忠強

摘 ? 要：水聲傳感網絡為水下信號目標檢索和水下開發等提供技術支持，但網絡節點間傳輸時存在數據擁堵、數據丟失等現象，因此，對于網絡傳輸協議MAC的研究與改進尤為重要。由于水聲傳輸過程中存在復雜噪聲，需要采用適當的方法去除噪聲干擾。文章提出一種通過MAC協議優化節點數據傳輸和通過EMD分解方法去除水聲信號噪聲的水聲傳感方案，可有效提高節點傳輸效率、去除噪聲干擾。

關鍵詞：網絡節點;介質訪問控制;經驗模態分解;水聲信號;噪聲

海洋覆蓋地球70%以上地區，充分地開發、利用海洋資源在陸地資源逐漸枯竭的情況下尤為重要。我國海岸線長達1.8萬km，濱臨東海、南海、黃海和渤海海域，具有豐富的海洋資源，主要包括石油天然氣資源、銅錳等礦產資源、豐富的漁業資源。因此，海洋技術的開發對我國發展尤為重要[1]。

海洋內部通信主要通過水聲無線傳感網絡實現。由于水對聲音具有透明性，水聲信號傳感網絡中廣泛采用水聲作為載體。水聲傳感網絡已廣泛用于海洋資源開發、海洋環境勘測、水下災害預警和水下目標源檢測等領域，但水聲傳播過程中的時間延時、水下復雜噪聲環境和傳輸帶寬有限等原因，導致產生傳輸數據包誤碼率較高、多節點傳輸數據收到時間差異大等問題，因此，結合水下傳感環境特征，建立有效的水聲無線傳感網絡組網協議可有效地解決水聲信號傳輸中的各類問題。對接收到的信號采用濾波去噪，結合經驗模態分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）去噪后重構的方式可較好地還原信號。

1 ? ?系統設計

傳感節點將數據匯聚至匯聚節點發送給水面控制平臺，水面控制平臺對發送過來的數據包進行解析和協議轉換，然后通過通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）將數據發送至遠程控制終端[2]，在終端對數據進行EMD去噪重構分析。

均勻分布的多個水聲傳感器節點，在匯聚節點附近的水聲傳感器節點較少。離匯聚節點較遠的水聲傳感器節點采用多跳的方式傳輸到匯聚節點，因此，靠近匯聚節點的傳感節點需處理的數據量較大，遠離匯聚節點的傳感節點處理的數據量較小，造成網絡傳輸數據不均衡現象。由于靠近匯聚節點的傳感節點需處理多個遠距離傳感節點發送過來的數據[3]，易造成數據發送沖突、數據擁堵等現象，導致數據包丟失、數據傳輸癱瘓。介質訪問控制（Medium Access Control，MAC）協議是解決網絡傳輸問題的主要方法。

選用GPRS技術主要是由于其具有覆蓋范圍廣、通信質量高以及傳輸速度快和永不離線等優點[4]。作為分組型數據網絡，可通過傳輸控制協議/因特網互聯協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）直接與以太網連接，在海洋等信號要求較高場所尤為適用。

無線傳感器網絡構成框架如圖1所示，控制平臺收集節點數據通過GPRS發送至遠程終端。

2 ? ?網絡協議

水聲傳感網絡中常用的MAC協議有MACA協議和載波監聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）協議，MACA屬于基于請求發送/清除發送協議（Request to Send/Clear to Send，RTS/CTS）機制的MAC，而CSMA屬于基于載波偵聽機制的MAC。

RTS/CTS機制的基本特性是發送端，首先，發送一個RTS幀提醒接收端即將發送數據;其次，接收端收到提醒幀后回復發送端一個CTS幀通知可接收數據，同時，通知其他節點不再接收數據[5]。當多個發送端同時發送RTS幀提醒接收端時會發生沖突，其中，發送失敗的一方會等待一段時間再次發送RTS幀。這種方法可減少網絡延時，但當多個節點發送請求時，傳輸延時依然較大。例如水聲傳感系統中接近匯聚節點的位置傳感節點較少，傳感數據多，極有可能造成噪聲節點大量堵塞。

基于載波偵聽機制的CSMA機制是當節點準備發送數據時，首先，偵聽接收節點是否在接收其他節點數據，如信道忙則等待至信道空閑再進行發送。在數據傳輸過程中同時進行沖突檢測[6]，沖突檢測包括物理偵聽和虛擬偵聽，通過對讀到信息與發送信息進行對比確定是否發生沖突。由于水下傳感系統時延較長，為保證通信正常進行，對于水下傳感系統采用輪詢方式偵聽沖突，同時，采用一個固定的順序進行數據幀傳遞來減少數據傳輸沖突。其次，當水聲節點采集時間和方式固定時，給出固定的順序發送數據可最大限度地減少延時時間。同時，為檢測數據是否丟失，通過增加數據頭來反饋數據幀丟失情況，對錯誤數據進行重新發送。針對傳輸網絡中靠近匯聚節點處信息傳輸擁堵問題，考慮采用接收節點同時接收多個發送節點RTS幀的方法，然后分析各個發送節點數據量大小，根據發送節點準備發送的數據量，給出最佳接收方案[7]。

以上方案比較適合水聲傳感網絡較小的情況，當網絡增大時可考慮輪詢方式與競爭方式結合設計優化算法。各個水下無線傳感節點在采集數據數量固定時，如水下環境監測時可采用固定發送順序方式傳輸數據至匯聚節點，如水下目標檢測時只對目標附近節點進行采集，其他節點可停止工作，只對目標附近節點進行輪詢傳輸或競爭傳輸[8]。對于節點數據傳輸的密集區域，可采用擴頻傳輸，為各個節點傳輸給予固定的擴頻碼，確保數據準確快速傳輸，減少了信道競爭并提高了傳輸效率。

將水聲傳感網絡通信中常用的傳感協議歸納如表1所示，分為競爭協議、非競爭協議和混合協議3類[9]。

3 ? ?EMD方法

EMD適合處理非線性、非平穩時間信號，本質是平穩化處理信號，將單個頻率無規則的信號轉化為多個固有模態函數和殘余分量的形式。對于傳輸到控制平臺的節點數據，重新進行解析后傳輸至遠程終端進行EMD分解，將信號分解為多層固有模態函數（Intrinsic Mode Function，IMF），分析各層函數尺度特性，對其中的噪聲進行去除，然后重構信號，結合重構信號分析所傳數據[10]。

4 ? ?結語

本文針對水下無線傳感網絡水聲瞬態信號傳輸過程中存在的噪聲和傳感節點擁堵問題，給出了利用經驗模態分解、重構、去除噪聲和通過改進MAC協議來提高節點傳輸效率的方法，這種方法對于水下目標定位和水下勘探等領域具有一定的參考價值。

后續研究主要對EMD算法計算速度和計算量方面進行提升，并提高水下目標處理的實時性。

[參考文獻]

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