水下无线传感器网络，为各种水下应用提供可扩展的灵活平台！

 本文介绍了使用实时STANAG 5066协议栈进行水下无线传感器网络（UWSN）模拟的环中软件平台的开发情况。 所使用的协议栈是在西班牙政府的HERAKLES项目中，基于电磁水下射频通信（EM-URFC）的水下无线节点的真实实施的一部分。这项工作的主要目的是评估这种环中软件方法是否适合进行现实的UWSN模拟。除了对仿真过程进行详细描述外，还考虑到一个说明性的网络拓扑结构进行了几次仿真，分析了不同的关键参数对网络性能的影响。结论表明，所开发的环中软件平台适合于使用STANAG 5066协议栈的实际实现来进行UWSN网络测试。  此外，其他实时协议栈只要稍加修改就可以轻松适应。

 相关论文以题为“     Software-in-Loop Simulation Environment for Electromagnetic Underwater Wireless Sensor Networks over STANAG 5066 Protocol    ”于2020年10月01日发表在《     Electronics    》上。

 水下无线传感器网络（UWSN）是一个重要的研究领域，致力于为广泛的水下应用提供可扩展的灵活平台。 其中一些应用与海洋监测、水下定位和自主水下车辆（AUV）有关。目前，能够在水下环境下工作的技术主要有三种。水下声学通信(UAC)、水下无线光学通信(UWOC)和水下射频通信(URFC)。

 传统上，水下无线通信是利用压力波进行的。 UAC是一个研究得非常透彻的课题，它是利用声波信号在海水中进行长距离（千米）传播的信息。介质所呈现的低损耗会产生严重的多路径响应(海床和海面上的多次反射)，降低了相干带宽，从而降低了可实现的最大数据速率。此外，水下声道存在饱和问题，人类产生的噪声背景电平很大，如果使用的载波频率低于200-300KHz，则有可能伤害鲸类动物。

 在这项工作中，研究人员介绍了一个能够模拟基于STANAG 5066通信协议栈的EM-UWSN实时运行的环中软件系统。 该STANAG 5066协议栈被嵌入到一个实际的水下传感器节点的开发中，并被纳入西班牙研究管理局的HERAKLES项目中。该项目有两个主要目标。一方面，它旨在研究电磁信号在水下环境中的传播，包括理论和实验。另一方面，它提出了开发海上网络的多输入节点接口（MINION）作为UWSN的构件。图1描述了水下节点的实际设计。本文着重于开发一个能够模拟MINIONs水下网络行为的软件在环平台，该平台采用STANAG 5066协议栈的实际实现。

 图1.HERAKLES的MINION装置框图。

 STANAG 5066协议栈

为了将开发的STANAG 5066协议栈嵌入到真实的UWSN部署中，研究人员实现了一个能够同时处理20个虚拟节点通信的模拟器。这个模拟器允许执行将在每个MINION内实际运行的软件，而无需任何修改。与其他模拟方案不同的是，所提出的方案的特点是完全重复使用所开发的软件。

 ARQ传输模式实现了选择性重复ARQ技术，对已经接收到的有错误（甚至没有接收到）的数据包进行重传，保证信息在接收到后，无错误地发送到上层。 STANAG 5066定义了在传输任何ARQ信息之前，端点之间的握手程序。这个操作由STANAG 5066协议栈自动管理，它在发送方和接收方之间建立了一条链接。除非达到30分钟的不活动状态，否则该链接被认为是活动的。图2描述了链路建立和销毁的行为。

 图2.STANAG 5066链路状态图。

ARQ消息所遵循的过程如图3所示。如果链路无法建立（如上所述），或者没有收到其相应的确认，则认为数据包丢失。如果链路处于活动状态，则重新发送排队的消息，直到宣布链路断开。如果没有收到ACK，则在下一次重传之前会等待一个均匀分布的后退周期，范围从250 ms到4 s。每次尝试后，最大的后退时间都会增加一倍。

 图3.ARQ数据包从排队到接收或丢失的状态流程。

NONARQ传输模式使用CRC和分段来检测数据是否已被无误接收。利用SIS协议元数据，发送节点可以设置NONARQ段重传1～15次。在接收过程中，NONARQ数据可以首先使用无错误的段、有错误的段，甚至是没有接收到的段（用二进制零数据填充）进行重新组合，使用SIS协议元数据标志，告知应用程序哪些数据部分存在错误。

 环中软件方案

水下节点最初的（非软件中环）软件架构，如图4a所示，主要包括三个可执行的软件程序：客户端、服务器和STANAG 5066栈。这些程序之间使用TCP/IP套接字进行通信。Acquirer是一个Python脚本，它从UART读取传感器值，也使用TCP/IP将获取的数据发送给客户端。

 图4. 真实环境。(a)与循环软件中的软件，(b)架构。

 在提出的实时仿真方案下，客户端和STANAG 5066堆栈程序都不需要修改就可以集成。 因此，无论是部署还是环中软件仿真，都使用两个程序的相同版本。收单器和接口是服务器程序中唯一需要调整的两个软件块。为了处理模拟器的输入和输出数据，而不是在物理调制解调器上处理，研究人员编了一个新的服务器接口。采集器是由一个假的采集器改变的，因为在模拟环境中没有可用的传感器图4b。

实质上，系统的软件对真实节点平台的依赖性（软件不需要接入真实的调制解调器，也不需要接入真实的传感器）已经被去掉了，使得系统可以在普通的PC机中运行，以一种硬件无关的方式运行。此外，可以在一台PC机上模拟多个节点。

 结论

 这项工作在真实协议栈实现的评估方面表现出了许多优势。 此外，物理层已经使用基于真实世界测量的模型进行了模拟，但它没有考虑到其他现象，如衰减或复杂的信道脉冲响应。尽管如此，通过在信道传播软件块中集成上述物理现象，可以改进仿真平台。

本工作通过仿真表明，利用STANAG 5066进行EM-UWSN的软件环中技术是可行的。  所获得的成果将用于进一步的工作中，利用HERAKLES的水下节点模拟现实世界  的部署。