水下無線傳感器網絡通信技術及應用實踐研究

徐初杰

（集美大學信息工程學院，廈門 361021）

水下無線傳感器網絡通信技術及應用實踐研究

徐初杰

（集美大學信息工程學院，廈門 361021）

水下無線傳感器網通信技術的研究和應用，不僅為海洋探索工作提供了充足的技術幫助，同時在水下試驗、水下尋找等工作上，也取得了較大的進步。但是，對于我國現有的工作而言，水下無線傳感器網絡通信技術還有很大的研發空間。文章針對水下無線傳感器網絡通信技術及應用實踐展開討論。

水下傳感器網絡；技術；通信；傳感器

相對于陸地而言，水下工作需要面臨許多挑戰。對水下無線傳感器網絡通信技術的研究，主要是針對多個領域進行開發和利用，通過將無線傳感器在水下良好的應用，確保無線傳感器網絡通信技術能夠在本質上得到更大的提升，在應對新的工作任務時，可以在規定時間內有效完成。

1 水下無線傳感器網絡通信技術概述

水下無線傳感器網絡通信技術的工作條件如表1[1]所示。

表1 水下無線傳感器網通信技術的條件

目前，對于絕大多數的應用領域而言，水下無線傳感器是作為一種高密度部署傳感節點的水下網絡環境。這種網絡環境的最大特點在于，節點表現為高密度集結的情況。為此，根據水下無線傳感器網絡通信技術的實際應用方向，可以將水下網絡大致劃分為兩種類別：第一種，水下無線傳感器網絡通信技術的應用，主要是長期進行非實時狀態的水中監視干預，比較常見的工作形式為海圖數據收集、污染監視等等。第二種，水下無線傳感器網絡通信技術可以在短期內，針對水中的探測實施調查和分析，比較常見的工作形式為潛艇探測、尋找丟失的寶物或者是災難等等。

水下無線傳感器網絡通信技術主要有3種方式包括無線電、激光和水聲通信。

1.1 無線電波通信

無線電波在海水中傳輸，能耗大、傳輸距離短。實驗研究表明：低頻長波無線電波水下通信距離可以達到6~8m，30~300 Hz的超低頻電磁波對海水穿透能力可達100多米，但需要很長的接收天線，無法安裝在水下節點上。因此，無線電波只能實現短距離的高速通信，不能滿足遠距離水下組網的要求。

1.2 激光通信

藍綠激光在海水中的衰減值小于10-2dB／m，對海水穿透能力強。水下激光通信需要直線對準傳輸，通信距離較短，水的清澈度會影響通信質量，這都制約著它在水下網絡中的應用。不過，它適合近距離高速率的數據傳輸，比如自主水下航行器和岸邊基站間的數據傳輸等。

1.3 水聲通信

聲波通信技術是當前水下無線傳感器網通信和組網的主要技術。發展歷程由20世紀50年代的水下模擬電話到20世紀80年代的數字頻移鍵控技術以及后來的水聲相干通信技術。到了20世紀90年代DSP（digital signal processing）芯片及數字通信技術的出現，尤其是水下聲學調制解調器的問世，水下無線傳感器網絡得到快速發展。

2 聲波通信

在現代化的探索和應用當中，水下無線傳感器網絡通信技術獲得了很高的認可，但在具體的應用中，卻必須考慮到很多的影響因素，不能單純的根據理論上的技術指標來應用。為此，在研究和應用水下無線傳感器網絡通信技術的過程中，需針對聲波通信方面的內容展開大量的研討，為日后的工作提供足夠的支持。

2.1 聲波通信帶寬受限

與一般的網通信技術不同的是，水下無線傳感器的應用，能夠改變以往的通信模式，將陸地上的傳統通信方法轉變為聲波通信。但是，在大量的實踐和探究以后，發現聲波通信帶寬會受到較大的限制。從現場測試的結果來看，能夠應用的頻帶，直接取決于傳輸距離，二者之間的關聯較大。首先，倘若是非常高的頻帶，也就是在50KHz以上的頻帶，在短距離的通信效果上是比較理想的，其他方面則有待開發[2]。其次，倘若在通信距離上，表現為中等距離，那么建議選擇的頻帶范圍在20KHz~50KHz之間，這對于國內絕大部分地區而言，是比較實用的頻帶范圍，效果和價值都比較高[3]。第三，針對長距離的通信，也就是在數十公里以上的通信工作，只能是應用低頻來完成，也就是在10KHz以下的頻帶。由此可見，聲波通信的帶寬典型，主要是保持在0KHz~50KHz之間，對于無線射頻通信來講，還有很大的距離要提升和彌補[4]。

2.2 聲波通信的干擾條件較多

水下無線傳感器網絡通信技術在目前的研究和應用當中，會針對不同的區域、不同的條件進行試驗和分析，觀察聲波通信能否通過其他的方法來進行提升?，F階段可以明確的是，聲波通信受到的干擾條件比較多，因此在后續的運營和研發當中，還有很多挑戰要應對。例如，在聲波通信開展的過程中，沖擊的環境噪聲會帶來很大的影響，主要的干擾源在于水下聲波通路的時間和頻率色散的特性所引起的，具體表現為自干擾的狀態，從而直接導致聲波通信的內容不健全，有很多方面都出現了嚴重的缺失。首先，慢速聲波和多徑現象發生后，直接導致通路的傳播表現為顯著的延時現象。分析后發現，由于波形的時間出現了色散的情況，促使符號之間的干擾特別突出，無法快速、穩定地進行傳播。其次，倘若聲波通信是處在移動的環境當中，包括平臺移動和海波的散射等等。傳播速度比較慢的聲波內容，將會直接引入大量的多普勒擴展或者是頻移的內容，此時，它在信號的不同頻率條件下，成分之間產生了嚴重的干擾現象，導致聲波通信遇到了嚴重的阻礙。

3 水下無線傳感器網絡體系結構

水下傳感器網絡根據具體應用不同，可以有多種體系結構。按其監測的空間區域不同大致可分為二維、三維和海洋立體監測網絡三種。

3.1 二維(2D)監測網絡

在該模型中，傳感器節點被錨定在海底，監測信息可以通過AUV定時收集或直接發往浮在水面上的基站，然后通過無線電與衛星、船舶或岸上陸基基站，最終將海底監測信息實時地傳送給用戶。

3.2 三維(3D)監測網絡

可分為固定3D監測網絡和移動3D監測網絡。固定3D監測網絡可由帶有氣囊的水下節點錨定在海底，形成固定的監測網絡。利用海面浮標，將節點下降到不同的深度，也可以形成3D監測網絡。移動3D監測網絡可由多個AUV、水下滑翔機等單獨組成網絡，或與固定節點形成3D混合監測網絡。

3.3 海洋立體監測網絡

由水面上的無線傳感器網絡和水下傳感器網絡兩部分組成，二者結合為一個統一的網絡，如圖1所示。水下網絡部分可以是3D移動、固定或者二者混和的網絡。水面網絡部分利用無線電進行通信，具有傳輸速度快、可靠性高、耗能低、可以GPS精確定位，直接與衛星通信等優點。它還可以檢測風向、波高、潮汐、水溫、光照、水質污染以及負責與水下網絡、陸基基站的信息傳輸等。

圖1 海洋立體監測網絡

4 水下無線傳感器網絡通信技術的應用實踐

從現階段的研究成果來看，水下無線傳感器網絡通信技術在可行性方面比較高，但需要解決的問題和挑戰也不少。面對社會和行業內的強烈需求，想要在今后的工作中，將水下無線傳感器網絡通信技術的優勢和功能充分發揮出來，必須要開展廣泛的實踐探究，搜集到更多的數據和信息，充分解決現階段的各項問題，在多個方面對水下無線傳感器網絡通信技術內容實施健全處理，保持各項工作的穩步提升。

4.1 多輸入、多輸出技術

在現代化的技術研究當中，任何一項技術的應用實踐，都不會從單一的方面出發，即便是在專項應用和研究方面，也會在各個方面和層次上開展大量的探討與分析。聲波通信在應用過程中，遇到了很多的干擾因素和阻礙，這些問題雖然比較嚴重，但并非無法解決。本文認為，在水下無線傳感器網絡通信技術的應用實踐過程中，可以通過“多輸入、多輸出”的模式來完成，不僅可以在技術的應用層次上得到較好的成果，同時在很多方面對問題的解決比較理想，反復出現的概率較低。例如，采用多個發射機和多個接收機的一個無線系統稱為多輸入多輸出（MIMO）系統[5]。它表示在一個嚴重的散射環境中，通路容量隨min（Nt，Nr）線性地增加，這里Nt和Nr分別是發射機和接收機的數量。如此一個劇烈的容量增加，先前的功率和帶寬資源不會蒙受更多的負擔，但是它利用了空間維度虛擬建立并行的數據管道[6]。因而，MIMO調制是一種有前途的技術，它提供高速率水下聲波通信另一種先進的機制。MIMO引入了從不同發射機來的并行數據流之間的干擾，接收機具有多通路估算，這將在訓練符號上花費更多的開銷。對于快變化的水下通路，為了最好的速率和性能折衷，發射機數不能太多。除了排列天線外，分布式MIMO也能聚合單發射機節點的協同工作[7]。當然，分布式MIMO需要面臨大量的實際問題，如同步和協同。

4.2 多載波調制

多載波調制的原理是將可用帶寬分成很多重疊的子帶，從而達到在每個子帶，符號波的持續時間長于通路的多徑傳播。因而，符號間干擾能在每個子帶中抵消，極大地簡化接收機通路均衡的復雜度。也正因為這個優點，多載波調制以正交頻分復用的形式廣泛應用于寬帶無線射頻領域。然而，水下通路具有很大的多普勒擴展，在OFDM子載波間引入干擾。由于缺少有效抑制多載波間干擾（ICI）的技術，早期試圖在水下環境應用具有非常大的限制。近期，對水下通信的研究包括非相干基于開關鍵控的OFDM，低復雜度的自適應OFDM接收機和基于導頻的逐塊(block-by-block)接收機。遂塊接收機不依賴通路，而依靠通過的OFDM塊，于是，它對通過OFDM塊的快速通路變化是健壯的。與單載波相位相干傳輸相反，OFDM具有一個很好的優點即一個信號設計能很容易擴展到不同的傳輸帶寬，而接收機幾乎不變。實驗研究證明了OFDM用于水下聲波通信的可行性和靈活性。

4.3 電磁波通信

對于水下無線傳感器網絡通信技術而言，其在應用和實踐的過程中，倘若單純的通過聲波通信來完成，不可能對所有的復雜情況都能應對，勢必還會出現一些比較特殊的問題，這就導致在具體的工作中，將會出現惡性循環的情況。通過對水下無線傳感器網絡通信技術進行深入的研究后，發現應用“電磁波通信”的方法，能夠將技術優勢更好地發揮出來，在很多方面都可以達到理想的成果，創造的經濟價值和社會價值都比較理想。

由于海水導電的特性，使用射頻無線水下通信的主要挑戰是嚴重的衰減。因而，EMCOMM工作在功率受限的區域。超低頻(ELF)無線信號已用于軍事應用。在二次世界大戰期間，德國潛艇首先采用無線射頻電磁波通信，天線輸出高達1~ 2兆瓦功率。ELF信號，典型80Hz左右，非常低的功率，今天已用于全球海軍潛艇通信。水下的天線設計不同于用于大氣中傳統服務的天線[8]。天線不是與海水直接接觸，金屬的發射和接收天線被防水電絕緣材料包裹。這種方式中，一個EM信號能從發射機饋入海水，一個遠距離的接收機從海水中取出[9]。

2006年，推出世界上第一個商用水下射頻Modem—S1510。它的數據率100bps，通信范圍幾十米。2007年，推出寬帶水下射頻Modem—S5510。它支持1m范圍，數據率1-10Mbpsa。由于EM波的傳播特性，EMCOMM只是非常短距離應用的選擇。例如AUV與基站間的通信，AUV在一個基站通信范圍內運動，以下載數據和接收下一步的指令[10]。

5 結語

本文對水下無線傳感器網絡通信技術及應用實踐展開討論，盡管水下無線傳感器網絡還有許多問題亟待解決,但對水下無線傳感器網絡研究近幾年得到了巨大的發展，并繼續深入研究，將來水下無線傳感器網絡必會得到廣泛的應用。從現階段的工作來看，水下無線傳感器網絡通信技術獲得了較高的技術指標，整體上獲得的成就也比較突出。但是社會在進步，科技在發展，人類對水下作業的要求也越來越高，因此，需要對水下無線傳感器網絡通信技術進行更深入的研究和分析，健全技術體系并設定較多的應用方案，創造出更大的價值。

[1]郭忠文，羅漢江，洪 鋒，等.水下無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發展，2010（03）:377-389.

[2]劉林峰，劉 業.基于滿Steiner樹問題的水下無線傳感器網絡拓撲愈合算法研究[J].通信學報，2010（09）:30-37+45.

[3]何 明，梁文輝，陳國華，等.水下移動無線傳感器網絡拓撲[J].控制與決策,2013（12）:1 761-1 770.

[4]鄒志強，王 悅，沙 超，等.無線傳感器水下監測網絡稀疏采樣和近似重構[J].儀器儀表學報,2012（12）：2 728-2 734.

[5]魏 巍，陳楠楠，張曉暉，等.用于水下傳感器網絡的無線光通信研究概況[J].傳感器世界，2011（03）:6-12.

[6]劉玉梁，潘仲明.水下無線傳感器網絡能量路由協議的仿真研究[J].傳感技術學報,2011（06）：:905-908.

[7]羅 強，潘仲明.一種小規模水下無線傳感器網絡的部署算法[J].傳感技術學報,2011（07）:1043-1047.

[8]畢京學,郭 英,甄 杰,等.水下無線傳感器網絡定位技術研究進展[J].導航定位學報,2014（01）:41-45+71.

[9]王建平,孔德川,陳 偉.一種基于多普勒效應的水下無線傳感器網絡時間同步機制[J].傳感技術學報,2014（05）:680-686.

[10]姚 西.水下無線傳感器網絡定位技術綜述[J].現代電子技術, 2013（07）:11-15，18.

責任編輯：吳艷玲

Research on Communication Technology and Application of Underwater Wireless Sensor Network

XU Chujie
(Jimei University Information Engineering College,Xiamen 361021）

The research and application of underwater wireless sensor network communication technology not only provide sufficient technical assistance for marine exploration work,but also have made great progress in underwater test,underwater search and so on.However,for our country’s current work,underwater wireless sensor network communication technology has a lot of research and development space.In this paper,the communication technology and application practice of underwater wireless sensor networks are discussed.

underwater;technology;communication;sensor

G

A

2016-08-29

徐初杰（1987-)，男，福建省永定縣人，助理實驗師，研究方向：水下通信、水下目標定位。