0 引言

近年来，海洋科技的发展越发迅速，尤其是水声网络（Underwater Acoustic Network，UAN）在海洋水声通信领域里扮演着至关重要的角色。水声网络通过水声通信技术的构建，可实现水下信息的互联，一方面可以在水面和水下部署传感器，采集海洋水文信息，例如美国海军的 Seaweb 利用传感器节点组成了覆盖范围为 100~1 000 km 的水声传感网络（Underwater Wireless Acoustic Sensor Network， UWASN），可用于海洋数据采集、声学测距、定位和导航等功能^[1]；另一方面，可以通过使用多个不同通信介质的异构网络有机合成，扩展成为空天地海一体化网络^[2]。在水声传感网络传感数据传输的方式上，由于基站建设成本高、需要供电和维护，且覆盖的范围实际非常有限，而对于海上没有信号覆盖的地方，北斗短报文通信功能解决了其数据通信的难题^[3]。

针对水声通信数据与北斗短报文的信息交互，姚钘等人研制了一种兼具卫星通信与水声通信能力的通信协调器模块，实现了水下网络数据与岸基信息数据的远距离、有效、可靠的交换^[4]，但还未开展相关水下传感网络试验；李姿佳等人基于北斗短报文的通信系统，构建了 LabWindows/CVI 的上位机北斗短报文通信软件^[5]，在试验方面仅进行了水下和上位机点对点的通信测试。由于海面环境时变性和随机性较大，连接水下传感网络和海面通信的设备需要搭建在一定的载体上。厦门大学的杨逍宇等人设计并实现了一种浅海水声通信浮标，搭载水声通信系统可实现长时浅海水声通信数据采集、性能评估^[6]。

目前，中国科学院声学研究所、中国船舶第七一五研究所、哈尔滨工程大学、浙江大学、厦门大学等单位已经开展了不同应用场景的水声网络外场试验^[7-10]，其中数传电台、天通卫星、5G 等无线传输方式被用于进行水声网络跨域信息传输。而对于北斗短报文通信方式，赵荣阳等人提出可以依托北斗卫星通信系统，构建海洋与陆地信息之间的数据传输网络^[11]；SU 等人设计并实现了一种基于北斗卫星系统和水声通信技术的水下数据采集和传输试验台^[12]，在试验中也仅进行了点对点通信测试。

在实际应用中，海洋场景下无线数传技术的有效通信距离、通信质量易受到海况或者海面波浪影响，特别在恶劣海况下有效性和可靠性急速下降^[13]。而北斗短报文通信功能覆盖范围广，不受天气、地形等环境因素影响，成本较天通卫星低^[14]，时效性强，可支持可靠的实时性数据信息传输^[15]，因此可将其作为支撑水声传感网络数据跨域传输的重要模块。然而北斗短报文通信数据容量受限，全球短报文通信服务仅支持单次发送最长报文 40 汉字（560 bit）^[16]，适用于小数据量的信息传输。

对于时间变化尺度较大的典型海洋环境参数测量，如温度、盐度等小数据量的数据，一方面，在水下可以利用水声传感网络进行数据采集与传输，进行海洋环境实时、原位、立体化的监测；另一方面，无线传输则可充分利用北斗短报文小数据量的通信功能和稳定通信的优点，从而通过水声网络和北斗的结合支撑海洋环境参数数据的跨域回传。

本文面向海洋环境监测场景的水下传感数据跨域传输，设计并实现了一种基于北斗和水声网络的水下传感信息海陆传输试验系统，在厦门港部署 5 个水声网络传感节点进行组网试验，将主节点接收到的传感数据通过北斗短报文通信功能传输至岸基的上位机处然后进行采集、分析。试验结果表明：试验网络传输连通率为 92.5%，原始传感数据与岸基上位机接收数据完全一致。

1 试验系统设计

1.1 试验系统结构概括

水声传感网络数据跨域传输试验系统主要由水声网络、水声通信浮标、北斗终端、上位机组成，如图1 所示。水声网络包括网络节点、传感器等硬件设计，也包括 MAC 层、网络路由层等软件协议设计。水声通信浮标为水下网络节点和北斗终端信息互联的搭载平台。北斗终端具有北斗短报文通信功能，可将水下网络数据实时回传给上位机，上位机可实时监听网络运行状态。

1.2 试验系统水声传感网络设计介绍

面向海洋环境监测应用，试验水声传感网络节点由 1 个接收数据的目的节点（主节点/跨介质节点） 和 4 个感知并发送海洋环境信息的传感节点组成。每个传感节点外部均搭载 1 个温度传感器，用于测量和采集海洋环境温度信息。完成 1 次采集后，由传感节点内部的水声通信模块将温度信息调制为可在水中传输的信息波形（数据包）发送给主节点； 主节点接收到信息波形（数据包）后解调出温度信息，并通过北斗短报文通信功能实时回传给岸基的上位机。

每个网络节点由海面的水声通信浮标进行固定，位于浮标下方 2 m 处左右，因此采集的传感信息为海下 2 m 处的海洋温度数据。同时，北斗终端安装在主节点的水声通信浮标上（如图2 所示），将主节点收集到的水声传感数据由浮标处实时发送至岸基的上位机处。其中，水声网络通信浮标的设计与结构由文献^[6]给出。

考虑到试验水域为典型浅海海域，存在明显的时变多径干扰^[17]，试验系统采用 AMLink 水声调制解调器^[18]用作水声传感网络试验平台的物理层，该调制解调器采用扩频通信方式^[19]，换能器带宽为 13 kHz~18 kHz，试验系统物理层相关参数如表1 所示。

在水声网络协议设计方面，采用 MAC 协议中用于水声的多路访问避免碰撞（Multiple Access with Collision Avoidance for Underwater，MACA-U） 协议^[20-21]和路由协议中的静态路由协议^[22]。MACA-U 协议是竞争类 MAC 协议中的一种，采用三次握手机制，当源节点 A 要发送数据给主节点 B 时，需要先给 B 发送一个 RTS 包（Request to Send），节点 B 收到 RTS 包后向 A 回复一个 CTS 包（Clear to Send），节点 A 在收到 CTS 包后就正式开始发送数据 DATA。当节点处于等待 CTS 或者等待数据阶段时又侦听到外部的 RTS/CTS 包，节点 A 会忽略这些包，依然停留在等待 CTS/等待数据状态^[23]。

1.3 试验系统数据采集

在本试验系统中，一方面利用 DSP 核心处理器的写入 SD 卡功能，将物理层通信记录和结果及网络各节点运行情况保存在核心处理器内嵌的 SD 卡中，用于后续的数据处理，即每个传感节点采集的温度信息和主节点解调出的温度信息均保存在 SD 卡中。另一方面，主节点接收的温度数据经海面浮标的北斗终端，实时回传至岸基的上位机，在上位机处把接收的数据进行保存，实验结束后与每个网络节点上的 SD 卡原始传感数据进行比对，评估系统数据一致性。

如图3 所示，水下传感信息以北斗短报文通信的方式传输至上位机，北斗终端接口设计如下：主节点与浮标处的北斗终端通过 RS232 串口连接，可以将主节点解调的数据上传；岸基处的北斗终端与上位机通过 RS232 转 USB 串口连接，将信息回传至上位机的北斗短报文通信软件处显示。

2 试验系统海试试验

2.1 海试试验

在厦门港进行组网海试试验，试验海域平均水深 16 m，潮汐潮差 4 m 左右。声速剖面如图4 所示，可以看到在 1~2 m 表层存在一个较为明显的正梯度，16 m 以浅则存在微弱的正梯度。

如图5 所示的节点标号，本次试验系统中，1 为主节点，用于接收、解调信息，具有跨介质信息传输的功能。在海试试验中采用以下路由协议： 5-1，3-1，2-1，6-2-1，符号“-”表示源节点向目的节点发送信息，例如“5-1”表示由节点 5 发送传感信息，由节点 1 进行接收和解调。

系统 5 个试验网络节点均配备无线定位终端，其实时位置由无线定位终端获得。在节点布放过程中，利用无线定位终端记录每个节点的布放位置，如表2 所示。根据经纬度位置信息，测算出试验网络节点间距如表3 所示，其中“距离 i”表示节点 i（i=1，2，3，5，6）与第 1 列各节点之间的距离。此次海试试验运行时间为 12 h。

2.2 海试试验结果

将各网络节点 SD 卡内的原始传感数据导出，如表4 所示是对试验运行期间网络传感节点数据发送和接收情况的统计结果，各节点发射数据包总数为 160。

由于试验海域为浅海，存在较强的多径效应和船舶噪声干扰，导致部分数据包无法正常解调，主节点最终接收的总数据包数为 148。网络数据连通率^[24]计算结果为 92.5%，其计算方式为主节点接收到的数据包总数与发射数据包总数的比值。

表5 是对试验网络运行期间网络数据一致性的统计结果。需要说明的是，这里的一致性是指上位机接收到的数据包与对应的发射数据包的信息相同的比例。从表4 和表5 统计结果可以看出，主节点接收到的 148 个数据包经北斗短报文通信功能回传给上位机的过程中并未出现丢包现象。将上位机接收的数据包与其对应的 148 个发射的数据包相比较，数据包信息完全一致，即一致性为 100%，表明了北斗短报文应用于海洋环境监测场景下水声传感网络数据跨域传输的可行性和稳健性。

图6 为水声传感网络 3 号传感节点的海洋温度数据曲线图，其数据由传感节点 3 采集并发射，由主节点接收解调并以北斗短报文通信的方式回传至上位机获得。通过处理接收数据包信息，可计算得到其平均端到端延时为 101.43 s，包括由于距离产生的传播时延、节点发射数据的传输时延、等待产生的处理时延和排队时延^[25]。

3 结束语

本文面向海洋环境监测应用，设计并实现了一种利用北斗短报文的通信功能进行水声传感网络数据跨域传输的水声网络试验系统。该系统在物理层采用了 DS-DBPSK 的通信方式，在 MAC 层采用了常见的 MACA-U 协议，在网络层采用了静态路由协议。海试试验表明：试验系统有较好的连通性能，水声网络连通率达到 92.5%，原始传感数据与经水声网络-北斗跨域传输至岸基的接收数据完全一致。试验结果表明了北斗系统用于水声传感网络数据跨域传输的可行性和可靠性，下一步计划进一步扩展试验网络规模、增加水下传感数据类型，推进北斗–水声网络实际应用于海洋环境监测数据原位、实时、立体化跨域传输。

参考文献