水陸無線傳感網絡對比

劉小明++尚鳳軍

摘 要：地面無線傳感網絡是由電磁波來通信，而水下傳感網絡是利用聲信號建立起來的自組織無線網絡。文章詳細介紹了兩種無線傳感網絡在通信信道特點、應用的不同分類及節點特點方面進行了對比研究。

關鍵詞：水下傳感網絡 信道 監控

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0070-02

Comparison of Sensor Networks In Land and Underwater

LIU Xiaoming1 SHANG Fengjun2

（1.Huaihai Institute of Technology Information Center，Lianyungang Jiangsu 222005，China；2.Chongqing University of Posts and Telecommunications Computer college，Chongqing 400065，China）

Abstract：Wireless sensor network on land communicate by electromagnetic wave，but underwater sensor network is one kind of wireless self-organized networks which connected by acoustical signal.This paper introduces the survey of two kinds of sensor networkscharacteristic，and compares the different classifications for applications.

Key word：Underwater sensor network Channel Monitoring

隨著基于地面無線傳感網的高速發展，及我國對海洋技術及探索的需要，以水聲為基礎的水下傳感網絡逐漸得到了越來越多的重視和研究。水下傳感網絡（UWSNs： Underwater Sensor Networks）有著非常廣闊的應用空間和前景，能夠被應用于各種水下工程和研究領域。例如河道、湖泊或者海洋中進行信息感知和數據收集，建立海洋信息系統監控和信息采集網絡，利用水下各個傳感器節點的協作通信，將海底環境下三維信息采集并傳送給地面基站。隨著對水下傳感網絡的應用和研究，人類將能更加深入地了解海洋、研究海洋、開發海洋和利用海洋。水下傳感網絡是利用聲信號建立起來的無線自組織網絡，它一般是使用飛行器、潛艇或水面艦艇將大量廉價的微型傳感器節點隨機布放在海底或海中指定的感興趣水域，節點通過水聲無線通信形成的一個多跳的自組織、分布式、多節點、大面積覆蓋的水下網絡，協作對信息進行采集、處理、分類和壓縮，并可通過水聲傳感網絡節點直接或中繼方式發送到陸基或船基的信息控制中心的綜合網絡系統。這樣建立起來的交互式網絡環境中，岸上的用戶能夠實時地存取水下傳感器節點的數據，并把控制信息傳送給水下傳感節點。水下傳感網絡被認為具有廣泛的應用前景，如實時或者延時的空間連續水生監控系統在海洋學資料收集，水生環境監控，海洋科學考察，水下考古探險和近海岸保護，污染監控，海上勘探，地震圖像傳輸、海洋環境檢測、災難預防和輔助導航等領域的應用有著極為重要的價值。

1 傳輸特性

因為電磁波在水中的吸收和衰減很大，能夠在海水中傳播的無線電波頻率在30～300 Hz的范圍，需要很大功率的天線，不適于長距離通信；光波雖然不使用天線，但會受到散射的影響，確定水下傳輸光信號的精確值也很困難；相比電磁波和光波，聲音在水中具有更好的傳播特性，因此水下通信網絡的鏈路是基于聲無線傳輸的，水下傳感網絡采用聲波作為傳播手段。水聲通信是一種典型的水下通信網絡的物理層技術。基于聲通信的水下傳感網絡易于布設，是由大量分布式的水下傳感器節點，水下儀器等節點組成的多跳網絡。由于水聲信號的傳播速度只有1500 m/s，使得網絡的吞吐量很低。

傳輸時延和傳播損耗是水聲信道主要面臨兩個問題。

電磁波在空氣中的傳播速度是3×10 m/s，聲波在水中的傳播速度是1500 m/s，二者的速度相差5個數量級，每公里約延遲0.67 s，因此傳播時延較大。對于水聲通信的收發設備來說，傳播時延也成為主要的影響因素。

水聲通信的傳播損耗與通信距離和發射頻率有關。根據文獻[9]Urick提出的傳播模型，傳播損失是擴展、衰減以及散射損失之和。擴展損失是聲波波陣面在傳播過程中不斷擴展引起的聲波衰減，主要分為點源球面擴展傳播損失和潛水環境下水平面上的柱面擴展傳播損失兩種。兩種傳播損失都隨著距離的增加而增加。吸收損失隨頻率和距離的增加而增加；散射損失由是于均勻介質的粘滯性、熱傳導性引起聲強衰減和介質的不均勻性引起的聲波散射。介質的不均勻性包括海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮介的不均勻性和海水界面對聲波的散射。

為了更直觀的理解通信信號之間的差別，這里總結了聲波、電磁波等主要特征和光學媒介物在水下環境的對比，如表1。

顯然，作為一種水下無線通信載體，三個物理波在每個領域都有自己的優點。由于水下傳感網絡的巨大應用前景，它已經引起了世界各個國家軍事部門的極大關注。水下傳感網絡技術的發展影響到海軍軍事戰略的變革，也對國家海洋發展戰略提供了空間優勢。

2 需求分類

由于水環境的特殊性，水下傳感網絡不同與地面無線傳感網絡，在網絡應用的場景上，地面無線傳感網絡更易受到地面或者地貌特征的影響，而部署特點不同；水下傳感網絡則受到洋流或水流等介質特征的影響，這里根據對水下環境監測不同特點進行分類，根據不同的應用場景可以簡單的分為兩類：endprint

（1）UWSNs長期臨界水生監控應用（如海洋污染監測數據的采集、檢測、近海石油或天然氣現場監測）。

（2）UWSNs短期要求很高的水生勘探應用（如海底探測、考古發現，及颶風災難恢復）。

前者類別的UWSNs可以移動或者靜態，取決于部署的傳感器節點（buoyancy-controlled或固定在海底），后者類別的UWSNs通常都是移動的，固定的傳感器節點部署/恢復通常在短期應用中成本要求很高。

按需求可以集中于三種類型的UWSNs：

（1）移動UWSNs長期non-time-critical應用（Mobile UWSNs for long-term non-time critical applications簡稱為M-LT-UWSNs）。

（2）靜態UWSNs長期non-time-critical應用（Static UWSNs for long-term non-time critical applications簡稱為S-LT-UWSNs）。

（3）移動UWSNs短期time-critical應用（Mobile UWSNs for short-term time-critical applications簡稱為M-ST-UWSNs）。

很明顯，不同類型的UWSNs有不同的通信要求，所有三種UWSNs不同的通信要求總結如（表2）。

3 傳感節點對比

水下傳感網絡具有與傳統地面無線傳感器網絡有著無法比擬的優點，網絡是由高密度，低成本、隨機分布的節點組成，自組織性和容錯性都不會因為個別節點的失效或被惡意攻擊中損壞而導致整個網絡的崩潰；分布式節點多角度多方位的融合數據的收集效率并獲得更準確詳實的信息，多種傳感器節點的混合應用使得搜集到的信息更加全面地反映目標的特征，有利于提高系統的定位跟蹤等性能，借助于節點的移動能力，能夠調整對網絡拓撲結構的控制能力，消除探測區域的陰影和盲點，因此在海洋監控和海洋軍事領域中，通過多傳感器系統的協作，形成空-艦-陸基傳感器構成的海基監控網絡，對目標進行撲捉、跟蹤和識別。

水下傳感網絡由于其應用環境的特殊性，使得水下傳感網絡的設計比陸地無線傳感網絡的難度更大，對硬件的要求更高。水下傳感網絡與陸基無線傳感網系統的節點模塊對比，如表3。

4 結語

本文描述了水下傳感網絡的基本特點和水聲信道的特征，并通過對水下傳感網絡的基本應用類型進行分類描述對比其通信需求，最后對水下傳感網絡和地面無線傳感網絡進行了對比。

參考文獻

[1] 郭忠文，羅漢江.水下無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發展，2010，47（3）：337-389.

[2] 呂超，王碩，譚民.水下移動無線傳感器網絡研究綜述[J].控制與決，2008（4）.

[3] 陳錦銘，陳貴海.水下無線傳感器網絡研究現狀[J].計算機科學，2007，9（34）：303-307.

[4] Urick R J.Principles of Underwater sound[M].Mcgraw-Hill，1983.

[5] Wenli lin，Deshi Li.Architecture of Underwater Acoustic Sensor Networks：A Survey[C]//.Intelligent Networks and Intelligent Systems ICINIS.2008：155-159.

[6] Ian F.Akyildiz，Dario Pompili， Tommaso Melodia.Challenges for Effcient Communicationin Underwater Acoustic Sensor Networks[J].ACM Sigbed Review，2004，2（1）.

[7] I.F.Akyildiz，D.Pompili，T.Melodia.Underwater acoustic sensor networks：research challenges[J].Elsevier Journal of Ad Hoc Networks，2005，3（3）：257-279.

[8] Jun-Hong Cui，Jiejun Kong，Gerla M.，Shengli Zhou.Challenges：Building Scalable Mobile Underwater Wireless Sensor Networks for Aquatic Applications Network[J]. IEEE Network，Special Issue on Wireless Sensor Networking，2006，3（20）：12-18.

[9] Heidemann J.Wei Ye，Wills J.，etc.Research challenges and applications for underwater sensor networking[C]//IEEE WCNC.2006：228-235.endprint

（1）UWSNs長期臨界水生監控應用（如海洋污染監測數據的采集、檢測、近海石油或天然氣現場監測）。

（2）UWSNs短期要求很高的水生勘探應用（如海底探測、考古發現，及颶風災難恢復）。

前者類別的UWSNs可以移動或者靜態，取決于部署的傳感器節點（buoyancy-controlled或固定在海底），后者類別的UWSNs通常都是移動的，固定的傳感器節點部署/恢復通常在短期應用中成本要求很高。

按需求可以集中于三種類型的UWSNs：

（1）移動UWSNs長期non-time-critical應用（Mobile UWSNs for long-term non-time critical applications簡稱為M-LT-UWSNs）。

（2）靜態UWSNs長期non-time-critical應用（Static UWSNs for long-term non-time critical applications簡稱為S-LT-UWSNs）。

（3）移動UWSNs短期time-critical應用（Mobile UWSNs for short-term time-critical applications簡稱為M-ST-UWSNs）。

很明顯，不同類型的UWSNs有不同的通信要求，所有三種UWSNs不同的通信要求總結如（表2）。

3 傳感節點對比

水下傳感網絡具有與傳統地面無線傳感器網絡有著無法比擬的優點，網絡是由高密度，低成本、隨機分布的節點組成，自組織性和容錯性都不會因為個別節點的失效或被惡意攻擊中損壞而導致整個網絡的崩潰；分布式節點多角度多方位的融合數據的收集效率并獲得更準確詳實的信息，多種傳感器節點的混合應用使得搜集到的信息更加全面地反映目標的特征，有利于提高系統的定位跟蹤等性能，借助于節點的移動能力，能夠調整對網絡拓撲結構的控制能力，消除探測區域的陰影和盲點，因此在海洋監控和海洋軍事領域中，通過多傳感器系統的協作，形成空-艦-陸基傳感器構成的海基監控網絡，對目標進行撲捉、跟蹤和識別。

水下傳感網絡由于其應用環境的特殊性，使得水下傳感網絡的設計比陸地無線傳感網絡的難度更大，對硬件的要求更高。水下傳感網絡與陸基無線傳感網系統的節點模塊對比，如表3。

4 結語

本文描述了水下傳感網絡的基本特點和水聲信道的特征，并通過對水下傳感網絡的基本應用類型進行分類描述對比其通信需求，最后對水下傳感網絡和地面無線傳感網絡進行了對比。

參考文獻

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[8] Jun-Hong Cui，Jiejun Kong，Gerla M.，Shengli Zhou.Challenges：Building Scalable Mobile Underwater Wireless Sensor Networks for Aquatic Applications Network[J]. IEEE Network，Special Issue on Wireless Sensor Networking，2006，3（20）：12-18.

[9] Heidemann J.Wei Ye，Wills J.，etc.Research challenges and applications for underwater sensor networking[C]//IEEE WCNC.2006：228-235.endprint

（1）UWSNs長期臨界水生監控應用（如海洋污染監測數據的采集、檢測、近海石油或天然氣現場監測）。

（2）UWSNs短期要求很高的水生勘探應用（如海底探測、考古發現，及颶風災難恢復）。

前者類別的UWSNs可以移動或者靜態，取決于部署的傳感器節點（buoyancy-controlled或固定在海底），后者類別的UWSNs通常都是移動的，固定的傳感器節點部署/恢復通常在短期應用中成本要求很高。

按需求可以集中于三種類型的UWSNs：

（1）移動UWSNs長期non-time-critical應用（Mobile UWSNs for long-term non-time critical applications簡稱為M-LT-UWSNs）。

（2）靜態UWSNs長期non-time-critical應用（Static UWSNs for long-term non-time critical applications簡稱為S-LT-UWSNs）。

（3）移動UWSNs短期time-critical應用（Mobile UWSNs for short-term time-critical applications簡稱為M-ST-UWSNs）。

很明顯，不同類型的UWSNs有不同的通信要求，所有三種UWSNs不同的通信要求總結如（表2）。

3 傳感節點對比

水下傳感網絡具有與傳統地面無線傳感器網絡有著無法比擬的優點，網絡是由高密度，低成本、隨機分布的節點組成，自組織性和容錯性都不會因為個別節點的失效或被惡意攻擊中損壞而導致整個網絡的崩潰；分布式節點多角度多方位的融合數據的收集效率并獲得更準確詳實的信息，多種傳感器節點的混合應用使得搜集到的信息更加全面地反映目標的特征，有利于提高系統的定位跟蹤等性能，借助于節點的移動能力，能夠調整對網絡拓撲結構的控制能力，消除探測區域的陰影和盲點，因此在海洋監控和海洋軍事領域中，通過多傳感器系統的協作，形成空-艦-陸基傳感器構成的海基監控網絡，對目標進行撲捉、跟蹤和識別。

水下傳感網絡由于其應用環境的特殊性，使得水下傳感網絡的設計比陸地無線傳感網絡的難度更大，對硬件的要求更高。水下傳感網絡與陸基無線傳感網系統的節點模塊對比，如表3。

4 結語

本文描述了水下傳感網絡的基本特點和水聲信道的特征，并通過對水下傳感網絡的基本應用類型進行分類描述對比其通信需求，最后對水下傳感網絡和地面無線傳感網絡進行了對比。

參考文獻

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[4] Urick R J.Principles of Underwater sound[M].Mcgraw-Hill，1983.

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[8] Jun-Hong Cui，Jiejun Kong，Gerla M.，Shengli Zhou.Challenges：Building Scalable Mobile Underwater Wireless Sensor Networks for Aquatic Applications Network[J]. IEEE Network，Special Issue on Wireless Sensor Networking，2006，3（20）：12-18.

[9] Heidemann J.Wei Ye，Wills J.，etc.Research challenges and applications for underwater sensor networking[C]//IEEE WCNC.2006：228-235.endprint