新一代箭載無線傳感器網絡系統架構綜述

羅煜繽 李 洪 周廣銘 路 娟

(1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.中國航天科技集團有限公司，北京 100048)

1 引 言

為了精確地把握火箭整體狀況，在火箭飛行過程中，需要對火箭內部的壓力、溫度、濕度、振動等諸多參數進行測量，因此在火箭內部按照需求布置了眾多功能各異的傳感器。在傳統的箭上測量系統中這些傳感器設備之間都通過電纜進行連接。冗長的電纜不僅為火箭帶來了多余的載荷，而且會給火箭內部設備的布局和安裝造成影響，這就對箭上傳感器網絡的設計提出了新的要求。

隨著以物聯網技術為代表的新興通信技術的發展，具備自組織、可擴展、高可靠特性的無線傳感器網絡[1]技術進入了人們的視野。將無線傳感器網絡應用于對火箭艙段內環境參數的無線測量，不但可以減少電纜布置時間、節約成本，還可以實現測點的靈活布置、減輕重量，有效解決了研制階段中頻繁增添或改動測點的需求，對提升工程進度、減少人力消耗有著巨大的幫助。尤其在未來，隨著我國重型運載火箭等新型號的發展，箭上布置的傳感器數量將以幾何倍數的形式遞增。無線傳感器網絡技術的引進，將對重型運載設計難度的降低和運載能力的提升起到至關重要的作用[2]。

目前，世界各國的箭載無線傳感器網絡研制工作仍處于初級階段，所使用的技術也各有不同，尚未形成一個統一標準。基于此原因，急需一個清晰的系統架構來引導行業標準的形成。在總結各國現有技術的基礎上，提出了由能量(Energy)、協議(Protocol)、信號(Signal)、環境(Environment)和節點(Node)五個模塊構成的EPSEN箭載無線傳感器網絡系統架構，針對未來新一代箭上無線傳感系統給出了設計建議和解決方案，實現了網絡的模塊化設計，為工程人員開展研制工作提供了技術保障。

2 現有系統

目前已搭載使用無線傳感器系統的火箭并不多，主要有日本的可重復使用飛行器實驗(Reusable Vehicle Test,RVT)、歐洲的阿里安5號火箭、中國航天科技集團的長征3號乙火箭、中國零壹空間公司的OS-X0火箭及中國凌空天行公司的天行1號火箭。這五個火箭型號搭載的無線傳感器網絡系統有著不同的技術特點，下面將分別進行簡單介紹。

2.1 RVT

日本宇航局近年來一直在嘗試將無線傳感器網絡布置在RVT中，并相繼提出了幾種設計方案。2014年在RVT上進行了箭上健康狀態監測的試驗[3]，試驗中設置了3個傳感器節點，進行壓力、溫度和氫氣的測量，工作人員通過PC控制基站向傳感器節點發送指令以進行數據傳輸。通信方面選擇920MHz作為發射頻段，使用ZigBee協議的物理層和時分復用的MAC層進行組網通信，測量了不同情況下的接收信號強度和誤碼率，以此檢驗通信的質量。2015年做了第二次試驗[4]，傳感器節點的數目上升到了5個，仍進行壓力、溫度和氫氣的測量。能量方面引入了微波傳能技術，通過在5.8GHz的頻段發送微波來進行傳能。通信方面使用了2.4GHz頻段進行射頻通信，通過時分復用的方式進行無沖突傳輸，測試時通過筆記本電腦與基站節點的無線通信獲取箭上數據。

2.2 阿里安5號火箭

為減少線纜負重，無線傳感器網絡在阿里安5號火箭儀器艙內的遙感子系統中得到應用[5]。遙感子系統利用紅外進行數據通信并在單個節點上集成了多種智能傳感設備，包括溫度傳感器、濕度傳感器、可見光強傳感器、紅外光強傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器和輸出精度為10bit的ADC。

遙感子系統的核心是通過一個微控制器來控制智能傳感器采集信息并進行能量管理和數據通信。在通信方式的選取上，為了使火箭內部所存在的電磁干擾最小化，采用紅外信號進行通信，并利用儀器艙表面覆蓋的多層絕緣材料來反射信號，從而解決非直射通信的問題。能源供給采用的是多功能太陽能板，不僅可以通過它來為節點提供能量，而且可以通過它上面安裝的可見光通信設備來接收基站節點發送的一些控制信息，比如節點喚醒等指令。由于紅外信號的類光特性，不像無線電波一樣可以向外發散，節點擺放的位置需要經過預先計算，不利于在大規模無線傳感器系統中使用。目前阿里安5號火箭上只實現了單個傳感器節點與基站之間的通信，尚未完成多點組網。

2.3 長征3號乙火箭

國內最早搭載無線傳感器網絡的長征3號乙運載火箭于2018年5月發射升空。此次發射中搭載了多種類型的傳感器，進行溫度、濕度、壓力和高低頻振動頻率的測量。測量的數據經過匯聚節點發送到發射機，發射機通過箭外的發射天線傳遞給地面接收站。

此系統主要針對以下四個關鍵技術進行了研究：環境適用性技術、無線傳輸技術、能源控制技術和小型化要求[6]。環境適應性方面主要考慮的是耐熱能力和電磁兼容性設計；無線通信方面，物理層采用了915MHz頻段ZigBee協議的標準參數，MAC層利用時分復用技術來避免傳輸沖突；能源控制方面采用了休眠機制，在無需進行數據通信時通過管理節點發布休眠指令進行休眠，以便節省能量；小型化方面則是要求將電池、傳感器、嵌入式設備及射頻模塊封裝在一起時盡可能緊湊，以達到縮小節點體積的目的。

2.4 OS-X0火箭/天行1號火箭

OS-X0火箭和天行1號火箭的無線傳感網系統來自同一個研發團隊，分別于2018年5月和2019年4月完成首飛，主要目的是解決使用電纜網造成的定制周期長、負載重量大以及接插件引起的可靠性問題。在OS-X0火箭中，信號體制方面率先采用了超寬帶(Ultra Wideband,UWB)通信技術[7]，并驗證了其在艙內傳輸的可靠性；網絡傳輸的數據類型主要是伺服系統的信令，對傳輸時延有很高的要求，為此研發團隊定制了低時延保證的專有協議，相比傳統的ZigBee協議等更加輕量、可靠。

天行1號火箭在OS-X0箭上系統的基礎上進行了改進，使專有協議適配了多種數據類型。在箭上實驗中主要有伺服信令、視頻圖像和眾多傳感器數據的傳輸，分別對應低延遲、高吞吐和時間同步的要求。實驗結果顯示，定制的專有協議搭配上UWB技術取得了很好的傳輸效果。不過系統中仍存在一些需要改進的地方，比如UWB的帶寬利用率太低，實驗中在500M的帶寬內只能傳輸6Mbps的數據。除此以外，箭上的無線傳感器節點仍使用電纜進行供電，對網絡的可擴展性造成了一定限制。

2.5 技術比較

將上述五個系統按照能量供給方式、傳輸協議和信號體制三個方面進行比較，其結果見表1。從表中可以看出，有些技術較為適應未來箭上系統的發展趨勢，比如RVT和阿里安5號的供能方式、OS-X0/天行1號的傳輸協議和信號體制；有些技術急需改進，比如阿里安5號未曾進行的組網設計、OS-X0/天行1號的有線供能。

表1 各類系統比較Tab.1 Comparison of various systems名稱能量協議信號RVT無線(5.8GHz微波傳能)時分復用2.4GHz 頻段射頻信號阿里安5號無線(光能)無紅外信號長征3號乙無線(航天鋰電池)時分復用915Mhz頻段射頻信號OS-X0/天行1號有線專有協議UWB信號

綜上所述，從現有的系統中可以了解到決定系統性能的一些重要因素，比如能源供給方式、傳輸協議和信號體制等，但是由于沒有一個清晰的系統架構的支撐，導致各個系統的整體表現都不盡如人意。因此，為了提升箭載無線傳感器網絡的整體性能，適應未來的發展需求，促進行業標準的形成，在下一章中提出了EPSEN系統架構，并針對箭上不同的應用場景和各類問題給出了相應的設計建議和解決方案。

3 EPSEN系統架構

新一代箭上無線傳感器網絡系統架構EPSEN由能量、協議、信號、環境和節點五個模塊組成，能量、協議、信號模塊是系統性能的決定因素，而環境、節點模塊是工程實用性的可靠保證。各個模塊之間相互影響，共同決定了整個箭載無線傳感網系統的性能。EPSEN的系統架構及模塊之間的相互關系如圖1所示。

圖1 EPSEN系統架構及模塊間相互關系Fig.1 System architecture of EPSEN and module relationship

首先是能量模塊與其他模塊的相互關系：對能耗的不同需求將影響網絡協議的設計，網絡協議的不同設計也將影響網絡的能耗；環境的惡劣與否會影響供能的可靠性需求；電池或供能設備的體積及形狀會影響節點整體的設計；不同的發射信號所帶來的能量消耗也不同。其次是信號模塊：不同的信號特性會影響協議的設計，比如紅外信號及光信號無法實現廣播；環境對不同信號的衰減或干擾會影響信號的選擇；信號的收發裝置會影響節點的整體設計。然后是節點模塊：節點的損壞或能量耗盡會對網絡拓撲結構產生影響，進而影響協議的設計；惡劣的箭上環境會對節點的可靠性和安全性提出要求。最后環境模塊會對協議的可靠性設計造成影響。下面將結合新一代箭上系統的特性，對各個模塊分別進行介紹。

3.1 能量模塊

能量供給模塊是網絡運作的核心。傳統的箭上傳感網使用電纜進行供電，對火箭的設計和性能造成了很大影響。新一代箭載無線傳感器網絡要求傳感器節點應能在不連接充電線纜的情況下完成供電，一般有自帶電池、光傳能、微波傳能、自供能四種形式。

3.1.1自帶電池

這是目前民用無線傳感器網絡中最常用的做法，足夠簡單可靠，配上低功耗芯片與合理的休眠機制，可以讓網絡工作很長時間。箭上無線傳感器網絡也可以采用這個做法，但是由于箭上熱環境與震動環境較為惡劣，對電池的可靠性與安全性提出了很高的要求。此外，由于不能充電，不適合長時間運行的應用，比如未來將要開展的火星、木星探測。

3.1.2光傳能

光傳能主要有兩種方法，一個是環境光傳能，一個是激光傳能。環境光傳能可以通過在箭內布置一些固定的光源實現，激光傳能則需要在箭內布置好節點之后再安裝激光發射器。環境光傳能的效率較低，激光傳能的效率較高，需根據具體應用需求進行選擇。

3.1.3微波傳能

微波傳能是近年無線傳能技術中研究的熱點，在日本的RVT實驗中已經得到應用。微波傳能的效率雖然不高，但是相比環境光傳能的效率提升了許多，并且由于無線傳感器節點的本身功率消耗很低，因此可以很好地滿足箭上無線傳感器網絡的需求。

3.1.4自供能

所謂的自供能指的是利用無源傳感器的某種特性獲取自然或環境中的能量，從而維持自身正常工作[8]。箭載無線傳感器網絡主要研究的是基于聲表面波的無源傳感器和基于能源材料的壓電無源傳感器，前者利用自身配備的叉指換能器將聲表面波的機械能轉化為傳感器工作所需的電能，目前，NASA打算將其應用于箭上健康監測系統中[9]；后者利用壓電材料將火箭箭體產生的振動轉化為電能，由于其產生的電壓較低，實用性還有待考證。

傳統的無線傳能技術中還有電磁耦合的方法，但是其傳輸距離過短，在箭上系統中尚未得到應用。將上述四種供能方式進行比較可以看出，微波傳能和自供能技術是新一代箭載無線傳感器網絡能源技術的最佳選擇，具體在箭上應用還需進行深入的研究。

3.2 信號模塊

信號模塊是通信的基礎。主要的研究內容是設計信號體制，在物理層面保證傳輸的速率及可靠性，箭上系統常用的主要有射頻、紅外或激光和UWB三種通信方式。

3.2.1射頻通信

射頻通信是無線通信中最常用的手段，也是目前市場中最成熟的技術。但是在火箭這類密閉艙體中使用射頻通信將會存在嚴重的多徑效應，并且信道特性類似梳狀濾波，給通信帶來了很大的難度，需要通過一些措施來減弱影響，比如減小碼速率、增加發射功率等。

3.2.2紅外或激光通信

紅外或激光方向性好，不易受電磁干擾，將其應用于箭上固定場景的通信時具有極佳的性能。使用此技術將擺脫射頻通信存在的多徑效應和梳狀濾波特性，但對于動態性較強的場景應用受限，比如在對火箭進行總裝測試時通常需要不停更換測點，每更換一次就需要對節點發射器/接收器的角度進行調整。

3.2.3UWB通信

火箭密閉金屬艙不存在功率泄露，箭內有著豐富的頻譜資源可供使用，具備了引入UWB技術的條件。UWB通信是對射頻通信的拓展，它提出使用特別寬的頻帶來進行通信，這將能很好地削弱信道梳狀濾波特性所帶來的影響。除此以外，通過犧牲頻帶利用率，增加冗余，來換取通信的可靠性；通過高帶寬來換取低時延；利用其功率擴展特性來提升抗干擾的性能。但是采用UWB會帶來傳輸能耗的增加，因此需要搭配能量模塊共同進行改進。正是由于UWB的優良性能，使其在箭上系統中的應用得到了廣泛關注。

3.3 協議模塊

協議是通信質量的保證。民用領域使用較多的WIFI和藍牙協議采用的CSMA/CA接入，具有強烈的時延抖動，不利于實時性較強的數據傳輸；ZigBee協議傳輸速率較低，且激活、接入的時延較高。因此這幾類協議都不適合新一代箭載無線傳感網，需要專門為其進行設計。協議模塊總共分為MAC層、網絡層、傳輸層和應用層。

3.3.1MAC層

由于隨機多址接入會帶來時延的不確定性，為保證接收數據的實時性，箭載無線傳感器網絡應使用固定多址接入。固定多址接入主要包括頻分多址、時分多址、碼分多址、空分多址等方法。頻分多址不適用于電磁環境較為復雜的箭上系統；碼分多址對箭上設備的計算能力和小型化提出了很高的要求；空分多址主要針對光通信和紅外通信這一類。綜上，箭載無線傳感器網絡應優先考慮時分多址技術，這在目前已有的箭上系統中已經得到驗證。

3.3.2網絡層

網絡層是箭上網絡中常常被忽視的一部分。目前箭上無線傳感器網絡仍停留在小規模理論驗證階段，匯聚節點能夠實現全網一跳覆蓋，因此網絡層直接使用的星型結構。但隨著技術的發展和重型運載火箭的研制，中規模、大規模箭載無線傳感器網絡將會得到應用，有必要對網絡層的協議進行研究。針對不同的應用場景，提出了不同的設計思路。

對于能量富裕的場景，路由協議所考慮的主要是對降低傳輸時延等QoS的保證。箭內傳感器節點的位置發射前就已固定，在整個網絡的運行過程中節點的位置將保持不變，因此可以在網絡初始化時通過方位角、接收信號強度等方式構建出網絡拓撲，再根據拓撲結構規劃出符合QoS要求的路由。

對于能量受限的場景，路由協議所考慮的主要問題應該是節省能量，此時必須引入功率控制和睡眠調度機制等，在此基礎上進行網絡的拓撲控制。可以根據網絡的規模大小進行分簇集群，在上層再引入多跳機制，以此達到節省能量的目的。

當節點規模大到一定程度的時候，單純分簇加多跳的方式對網絡性能的提升有限，此時可引入多匯聚節點[10]和多級異構網[11]的思想，在網絡中布置多個匯聚節點，并在其中加入一些計算能力和續航能力更強的執行器節點[12]。雖然這使網絡結構更加復雜，但是網絡的生存時間、傳輸時延等性能將得到極大的提升。

3.3.3傳輸層

傳輸層是目前箭上網絡中尚未進行研究的一部分，因為單跳網絡的差錯控制可以直接通過分配重傳時隙來進行重傳，而未來箭上的多跳網絡中則需要引入從源到宿的差錯控制以保證傳輸的可靠性。傳統互聯網中的TCP協議并不能直接應用于箭上無線傳感器網絡，因為其在保證傳輸可靠性的同時也帶來了巨大的通信開銷。無線傳感器網絡的傳輸控制協議應該盡可能地簡單高效、公平可靠。無線傳感器網絡傳輸控制協議主要分為兩類，一類是擁塞控制，另一類是可靠性保障，箭上網絡主要考慮的是第二類。具體協議應該根據具體應用場景下的鏈路質量及網絡規模進行設計。

3.3.4應用層

應用層協議是為了滿足應用的特殊需求而專門設計的協議。比如為了保證箭上伺服系統數據的傳輸時延盡可能小，則可以在協議中加入短報文敏捷傳輸技術和快速響應技術；為了保證視頻數據傳輸的高吞吐量需求，則可以為其設計輕量化壓縮包頭及分配較多的鏈路資源。箭上系統應用層協議的設計應充分考慮任務的需求，并盡量使協議專有化和輕量化，從而達到更好的性能。

3.4 環境模塊

環境模塊并不是具體的軟硬件，而是為保障箭上系統穩定可靠運行所必須考慮的針對環境因素的設計。環境模塊的設計會直接影響到其余模塊的性能。關于環境模塊的設計應主要考慮防熱、抗震和電磁兼容性兩個方面。

3.4.1防熱、抗震設計

傳感器節點分布在火箭的各部位，在火箭各級尾段的傳感器工作在極其惡劣的熱、力環境下，這就需要對傳感器節點進行相應的防熱、抗震設計，防止物理層面的損壞。

3.4.2電磁兼容性設計

火箭內電子電氣設備相當密集，使得整個箭內的電磁環境十分復雜，這就要求箭載無線傳感器網絡能與其余設備做到互不干擾。由于一般射頻信號的功率較低，因此主要考慮的是電磁環境對傳感器網絡的干擾。為了能夠合理地選擇通信頻帶，需要建立箭內的無線信道傳播模型，常見的做法是先建立簡化的信道模型，再根據實際測出來的頻率衰落特性對模型進行修正。

3.5 節點模塊

節點模塊是針對傳感器節點整體的設計要求。主要包括小型化設計、固定方式和安全性設計。

3.5.1小型化設計

隨著箭上測量需求的不斷增多，箭上傳感器的數目也日趨龐大。為了能在狹小的箭內空間布置更多的傳感器節點，傳感器節點的體積應盡可能小，這就要求對處理器設備、能源供應設備和射頻設備分別進行小型化設計，最后整體進行小型化封裝。

3.5.2固定方式

為了能更加方便地布置和更換傳感器節點，傳統的打孔安裝方式在新一代箭上系統中不再適用，取而代之的是使用膠粘的形式。但使用膠粘存在節點異常脫落的風險，為保證系統的穩定性，粘貼膠的選取應經過嚴格把關，需對其物理性能、固化條件、機械性能、化學性能和電氣性能進行深度測試。

3.5.3安全性設計

為保證箭上系統的可靠性，要求在有節點失效或故障時不能影響其余設備的正常工作，因此需要對節點的安全性進行設計。安全性設計主要是考慮節點在極端環境下的電池爆炸、漏電等影響，通過引入一定的保護措施使得風險最小化，保證箭上系統持續、穩定地工作。

4 結束語

無線傳感器網絡技術是新一代箭上測量系統數據獲取的主要途徑，具有提升運載能力、減少設計周期、測點布置靈活等優勢。目前世界各國箭上系統的研究剛剛起步，針對箭上系統的設計還沒有一個統一的系統架構。于是在現有箭上系統的基礎上，結合新一代測量系統的需求，提出了新一代箭載無線傳感器網絡系統架構EPSEN。不僅總結了現有系統的技術特點，也針對未來運載火箭的發展趨勢提出了新一代箭載無線傳感器網絡的設計思路。EPSEN所提出的設計思路是未來可期的，既能為現有系統的改進指明方向，又能為新一代箭上系統的研制提供理論依據。本文只給出了一些設計思路和解決方案，并沒有介紹具體的工程實現方法，在實際應用中，應根據真實的系統環境選擇相應的技術手段，以完成箭上系統的研制工作。