水下無線傳感器網絡綜述

李梅菊

(青海民族大學 物電學院， 西寧　810007)

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水下無線傳感器網絡綜述

李梅菊

(青海民族大學 物電學院， 西寧810007)

水下無線傳感器網絡具有高時延、鄰居節點不固定、能量有限、誤碼率高的特點，這使得在陸地無線傳感器網絡中使用的技術及協議無法直接在水下無線傳感器網絡中使用。針對該問題，介紹了目前水下無線傳感器網絡的應用領域，分析了3種常見的水下無線傳感器網絡結構以及各層的技術問題；從設備成本、協議、安全、能量效率、硬件壽命、通信質量等方面分析了水下無線傳感器網絡面臨的挑戰；對水下傳感器網絡今后的研究方向進行了展望。

無線傳感器網絡；網絡結構；應用領域；挑戰

地球是一個大水球，幾十年來，人類一直努力于水下環境及生物的科學探測、商業開發以及海洋環境的保護。高精度、實時的和時空交叉的連續水生監測系統在許多應用領域極其重要，例如海洋數據的收集、污染監測等。無線傳感技術和運輸設備的進步推動了水下無線傳感器網絡(UWSNs)的發展。UWSNs多用聲音通信，作為補充的通信技術有光纖通信、無線電通信、射頻通信等，這些通信技術通常具有較高的帶寬，但由于在水下衰減很快，通常只能傳播1～10 m，故只能作為短距離通信，這就要求更大的發射功率或者很大的接收天線。在水下環境中，聲學通信系統可以傳輸更遠的距離， 但是它受以下幾方面的制約[1]：

1) 低帶寬和高時延

聲音信號在水下的傳播速度是1 500 m/s，這比無線傳播速度低了5個數量級。更重要的是，水下聲音信號可用的通信帶寬很小，只有幾十千比特。目前還沒有在40 km范圍內帶寬達到幾十千比特的產品。

2) UWSNs 是動態的

在UWSNs中，大量的傳感器節點會隨著水流而移動，只有部分節點被固定在底部或者被水面上的浮標固定。在通常情況下，水下物體移動速度大約為3～6 km/s。這種移動導致了節點鄰居的不穩定，為路由協議的設計帶來了極大挑戰[2]。

3) 高誤碼率

水下信道受多種因素影響，例如傳播損耗、噪聲、多徑效應以及多普勒效應等。所有這些因素都會導致系統有很高的誤碼率和不穩定的時延。因此，數據在水下傳輸是很容易出錯的，同時傳感器節點在惡劣的水下環境中很容易失效。相對于陸地上的傳感器節點，水下節點有更大的失效率。

4) 三維結構

水下傳感器節點通常布置在三維空間，不同于陸地傳感器的二維結構。這些特點使得現存的陸地傳感器技術不能直接應用到UWSNs,致使UWSNs從協議到具體技術都出現了許多新的問題。因此，近幾年一些學者針對UWSNs的實際特點，研究了適合UWSNs的技術和協議。

本文通過分析UWSNs 的應用領域、常見的UWSNs網絡結構以及當前面臨的挑戰，以期為今后UWSNs的研究提供參考。

1　UWSNs應用領域

隨著無線傳感器網絡技術的發展，基于水下無線傳感器技術的應用越來越多。這些應用的出現一方面是基于地球上水面覆蓋面積占整個地球表面的70%，另一方面由于電子、微電子系統、水下通信、水下傳感器技術以及隔水設備的發展。可以把許多UWSNs的應用分類為檢測應用，這包括水質分析、污染監控、洋流監控、漁業及微生物追蹤、水壓及溫度測試、電導率及鹽度分析。此外，還包括水下石油汽油管道以及其他水下設備的監測[3]。

地震勘測是另一項水下傳感器網絡的重要應用，因為大部分的油氣資源儲備在水下。為了進行油氣勘測必須頻繁地進行地震監測。在油氣探測中，從傳感器節點獲取的數據需要與對應的傳感器節點的位置一一對應[4]。

UWSNs可以被用來導航和控制。水下自動車輛(AUV)、遠程操作車輛(ROVs)、無人駕駛車輛(UUV)可以皮確定參考位置。例如固定在海洋底部傳感器節點已知自己的位置，可以通過AUV、ROV或者UUV為其他的傳感器節點提供位置參考。水下傳感器節點也可以為過往的船只提供船錨的位置或者是否已非法侵入淺走廊等有價值的信息，同時水下傳感器節點還可與潛水員進行通信[5]。

UWSNs還可以被用在軍事和安全領域。固定在海底的傳感器節點可以用作監控工具。水下戰爭、水下航行、水下襲擊以及水下狩獵都可以通過水下傳感器發起并控制。UWSNs也被用作保證重要設施的安全，例如出口設施、船只以及水下錨。在軍事領域的進一步應用主要聚焦在監測和干擾敵方目標。

此外，UWSNs可被用作災難預測，例如UWSNs可以提供海嘯報警、檢測油氣管道腐蝕情況等。

2　UWSNs網絡結構

2.1網絡結構分類

UWSNs可以按照不同的標準分類[6]：一種是按照節點的移動性分為靜態、半靜態和動態網絡；另一種常見的分類是根據是否考慮節點深度分為二維拓撲結構和三維拓撲結構；第3種是根據節點到達目的節點的跳數分為單跳、多跳和混合網絡；還可以根據網絡對時延的敏感性分為時延敏感網絡和時延不敏感網絡。

圖1為常見的二維UWSNs結構。一部分節點放在水的底部，通常體積比較小，用電池供電，傳輸信號通過聲學信道傳輸。簇頭固定在海洋底部。簇頭除了裝有聲學調制器，還裝有遠距離的垂直方向調制器，該調制器負責簇頭與位于水表面的基站進行通信。這些大范圍的調制器可以是聲學、光學或者RF調制器，其中聲學調制模式最常見。在簇內，簇頭在水平方向通過聲學調制器和其他節點通信，數據從節點到簇頭可以是單跳或者多跳。由于采用多跳方式時數據在兩點之間傳輸距離更短，所以更節省能量。然而，在多跳網絡中網絡維護和節點配置更復雜[7]。

圖1　二維UWSNs結構

圖2為三維UWSNs結構。在二維結構中使用的節點三維結構依然可以使用，只是節點被固定在距離水平面不同深度的位置。可以通過固定在水平面的浮標控制傳感器節點的深度。三維網絡結構可以使所有的節點直接與位于水面的基站通信或者僅通過一個簇頭與基站通信。在前一種情況下，所有的節點都是等價的，它比后一種情況可能消耗更多的能量。當使用簇頭的網絡結構時，只有簇頭需要進行遠距離通信。三維網絡結構可以更全面地研究指定區域，但該結構遇到的一個挑戰是所有節點的定位以及保證所有的區域可以一直被覆蓋。這個目標之所以難以達到是因為水流速度、水中的生物、過往的船只等都可能會破壞已放置好的節點，從而破壞正常的通信[8]。

圖2　三維UWSNs結構

圖3是借助AUVs、ROVs及UUVs作為網絡節點的 UWSNs網絡結構。這個結構最明顯的特點是節點的移動，這會使節點必須重新配置并進行適當的調整，加大了網絡控制的難度。同時，節點移動的網絡會消耗更多的能量，這些額外消耗的能量可以通過低速滑翔和漂移抵消。然而移動的節點使得網絡不可靠并且使網絡壽命縮短[9]。

圖3　借助AUVs、ROVs及UUVs作為網絡

靜態或者動態網絡結構各有利弊。為了利用兩種結構的優點，一種混合的UWSNs結構被提出。在該混合網絡結構中，既有靜態節點也有動態節點，數據以這種混合的方式從海洋底部傳到海洋表面的數據中心。低速聲音通信大部分被用于數據廣播、網絡維護、網絡性能診斷等。光通信主要被用于移動節點(AUVs、ROVs及UUVs)與固定在海底的靜態節點的通信。

2.2網絡結構技術

2.2.1物理層

在水面上，電磁頻譜占通信的主導地位，因為無線電和光纖通信在很小的功率下就可以提供遠距離通信。而在水下，由于電磁頻率被大量地吸收和散射，使得聲波通信成為最佳的選擇，盡管只能傳輸幾十米遠的距離。聲波的傳播可以分為幾個階段。基本衰減為在聲波從一個位置到另一個位置距離為D時，特定的頻率F上的功率損耗。第1個階段(基本階段)考慮在傳輸距離D上的固有功率損失。第2階段考慮站點特定的損失。由于水表面的反射和折射，聲音的速度隨著水深的變化而變化，并提供了一個在給定的發射機周圍聲場的詳細預測。第3階段強調接收功率規模較大時由緩慢的變化引起的明顯的隨機變化，如潮汐。這些情況決定了在特定信道上所需要的傳輸功率，需要建立一種解決小范圍瞬時功率快速變化的獨立模型。

圖4顯示了在聲學通信中衰減和噪聲的綜合影響。傳播損耗函數為A(d,f),背景噪聲的功率譜密度為N(f)，每10 m衰減18 dB。圖4描述了頻率為f的窄帶信號的信噪比。由圖4可見:隨著頻率增加，信號的衰減加快，這使得大部分千米范圍內的調制器只可以工作在幾十千比特以下，顯示在指定的傳輸范圍內存在最優的可用帶寬。大規模系統的設計首先需要確定所用的頻率，并需要為它分配合適的帶寬[10]。

多徑傳播引起回聲和不穩定的時延，時延的大小依賴于節點的相對位置，從幾毫秒到幾百毫秒。在寬帶系統中，這會導致頻率選擇信道傳輸函數在不同頻率的元器件中展示出非常不同的衰減。信道響應和瞬時功率經常表現出小規模、快速的變化，這主要是由散射、海平面的快速運動或者系統本身所引起的。大范圍的變化影響發送者的功率控制，小范圍的變化影響接收端自適應信號處理算法的設計。

圖4　頻率與距離對信號衰減影響

節點有向的運動以多普勒效應的形式引起額外的時間變動。一個典型的AUV以幾米每秒的速度運動，而自由漂浮的平臺可以隨水流以近似的速度漂流。由于聲音傳播速度很慢，接收或者發送的速率僅是聲音傳播速度的0.1%，也就是說很有必要在時間同步方面做出努力。與無線電系統相比，這個差別是很明顯的。在無線電系統中通常不會考慮時間同步問題，而只考慮中心頻率的偏移。

為了避免較長的傳播時延和隨時間變化的相位失真，早期的系統通常采用頻移鍵控法調制和非相干檢測。盡管這些方法不能有效地利用帶寬，但是在速率較低時使系統有一定的魯棒性。

對于單載波寬帶系統，最初的研究聚集在自適應均衡和同步，這也促使水下通信能以幾千比特每秒的速率通過不同的鏈路。

物理層的研究表明：聲音的傳播是數據傳輸的關鍵，對于設計合適的網絡至關重要。如圖4所示，可用帶寬隨距離增加而降低，這就要求數據以多種形式傳輸。在聲學通信系統中，將長距離的通信分為幾跳傳輸不僅降低了功率要求，同時可以適當增加傳輸帶寬。更大的帶寬產生更大的比特率和更小的包。包越小意味著在傳播時延不可忽略的情況下數據在鏈路上發生碰撞的機會越小。

物理層的特點影響著數據鏈路層以及更高層。例如，同樣的網絡協議在不同的頻率分配下可能表現出的性能完全不同，運行在更高頻率下會引起更大的衰減，但是干擾也會隨之降低很多，使整體性能得到提高。另外，傳播延遲和數據包的持續傳輸時間都會影響碰撞的概率和吞吐量。同時，功率控制和合適的路由都可以有效降低干擾。

2.2.2MAC層

多用戶系統需要有效的方法在參與節點間實現資源共享。在陸地無線傳感器網絡中，一些實現資源共享的方法已經成熟，然而水下無線傳感器所具有的特性使得這些技術不能直接應用。這些特性包括長時延、衰減對頻率的依賴以及聲學系統元器件對帶寬的限制。在大部分的通信系統中信號可以按時分復用(TDMA)或者頻分復用(FDMA)的方式傳播。采用時分復用方案時，用戶輪流占用信道，從而使信號相互間不干擾。而采用頻分復用時，用戶信號被調制在不同的頻譜域，即使同時在信道上傳輸，但因頻率不同相互也不會影響。這些技術也被用于UWSNs。但是，由于聲學調制器的限制，FDMA被用作SeaWeb的早期部署，即使在頻譜之間利用了保護帶，不同用戶間仍然存在很多干擾，并且這種依據頻譜劃分信道的方法非常不靈活。TDMA更加靈活，但是要求所有用戶時間同步，以保證他們的訪問時間點不相交。許多方案和協議都是基于這樣的結構，然而都需要一些協調和保護時隙來補償傳播時延的不一致性。

除此之外，一個比較成熟的技術是碼分復用(CDMA)[11]。CDMA是靠不同的編碼來區分各路原始信號的一種復用方式。使用專門設計的代碼組合，把各路信號區分開，其所付出的代價就是擴展了帶寬，但在聲音信道帶寬只有幾十千赫茲的水下，對系統性能影響較大。目前基于CDMA的結合功率控制技術的MAC層協議已經提出，它不要求時間同步，并且可以抵抗多徑效應。

雖然這些確定性技術可以直接在多用戶系統中使用，但數據通信節點通常使用基于競爭的協議，規定節點決定何時在一個共享信道上傳輸的規則。在ALOHA協議中，每當需要隨機訪問和使終端從錯誤中恢復時(信號的重疊，即碰撞)節點就發送數據。之后，學者們提出載波偵聽多路訪問(CSMA)方案。在CSMA中采用傳輸前偵聽的方法避免在已占用的信道上發送數據。在無線網絡中CSMA/CA一直被廣泛應用，但在水下遇到延遲(長達幾秒)時非常低效(比ALOHA更糟)。事實上，由于其較差的吞吐量，ALOHA很少在無線電系統中應用。因此，將CSMA與ALOHA結合是一個候選協議。

根據CSMA/CA 改進的專門為UWSNs設計的協議的兩個例子有基于距離感知的碰撞避免協議(DACAP)和T-Lohi協議。前者是依據最初的數據交換，為有數據要傳送的節點預留信道，從而降低碰撞的概率。后者是節點通過發送窄帶信號來傳遞其意圖，如果沒有聽到信道上有其他的數據傳送的聲音，該節點便傳輸數據，但它采用高聲波延遲方式計數競爭者，這在無線電通信中是不可能實現的。

較長的傳播時延會導致效率低下，因此同步允許協議利用空時交叉，讓數據包在時間上重疊但是在空間上不交叉。圖5是這個原理的一個實例。與時延較短的無線電通信不同，時延較長的聲音信號并發數據可以被成功接收(圖5(a))，但在不同時間發出的數據包也可能發生碰撞(圖5(b))[12]。在圖5(a)中：A和E相距較遠，即使他們同時給節點B發送數據，B也可能成功接收2個節點發來的數據。在圖5(b)中：即使節點A和E不同時發送數據給節點B，但仍可能在節點B發生碰撞。盡管如此，在大多數情況下，在大型網絡中的有些議可以實現本地同步，并用于提高效率。目前，關于系統中一個時隙被多個節點訪問的協議已經被提出來。FAMA協議是一個分散的、基于CSMA的協議，通過同步減少碰撞的概率，但由于使用了保護時間，時延更長。水下無線聲網絡媒體接入控制協議是另一個類似的協議，目的是通過睡眠模式和本地同步最大限度地減少能耗。

圖5　空時交叉

2.2.3網絡層

UWSNs路由協議的設計是目前UWSNs領域的研究熱點。Pompili等提出了早期的路由協議。針對時延敏感和不敏感的應用，除了考慮應用需求，還要針對UWSNs特點選擇能耗較少的下一跳節點。Zorzi等提出地理路由方法，證明本地節點可以從能量最優的角度確定它的下一跳節點。此外，功率控制、深度路由也可以本地化地決定下一跳轉發節點[13]。

在水下聲音信道中，傳輸層協議是設計的另一個關鍵問題。在專門為中低程度時延的網絡設計的協議(如TCP)中，在有限的帶寬和丟包率較高的水下環境下，端到端的重傳機制性能表現很差。例如，Cui 和Xie提出的傳輸層協議使用了糾刪碼，并且以塊為單位逐跳傳輸。網絡編碼和前向糾錯也可以用在給定時延較長的情況下，編碼的好處來自于最優編碼和反饋。延遲容忍網絡可能更好匹配許多水下網絡，以避免端到端的重傳和支持非常稀疏、經常斷線的網絡。

更高層的水下數據分發協議方面的研究成果還很少，通常使用固定的解決方案。文獻[12]提出利用同步的數據收集、存儲和檢索協議進行環境監測。

此外，拓撲控制是UWSNs的另一個重要問題，可以采取節點睡眠降低能耗、延長網絡壽命。在這個方案中，雖然協調和調度機制可以使用，但是在水下聲設備能通過聲信號喚醒，不需要額外的硬件設施，因此在UWSNs 中可以通過按需喚醒節點來獲得一個近乎完美的拓撲控制機制。在傳感器網絡的海底地震試驗(SNUSE)中調制解調器，通過集成到媒體訪問協議(MAC)層，已經實現這樣的低功率喚醒電路，底棲生物調制解調器也具有喚醒模式。

3　UWSNs面臨的挑戰

3.1代價高的問題

UWSNs元器件的制造，網絡的布置、維護以及恢復代價相對于陸地傳感器網絡是非常高的。一個典型的UWSNs節點硬件大約花費1萬美元，而一個陸地傳感器網絡節點僅僅花費100美元。制造一個堅固的耐壓殼體需要花費3 000美元，一個簡單的水下連接器需要花費100美元，海洋研究船每天花費達5 000～25 000美元。

3.2能量消耗和能量獲取問題

因為在UWSNs中，傳感器節點布置在水下，節點供電只能通過電池，當電池電量用完后節點即死亡，所以UWSNs的設計必須考慮有限的能量，尤其是在使用AUVs、ROVs及UUVs的網絡中需要額外的推進能量。因此，新的能量有效的協議的提出迫在眉睫。

3.3節點的定位問題

對于陸地傳感器網絡，節點都是固定的，通常可以通過到達角和接收信號強度實現精確的定位[14-15]。在UWSNs中，節點布置得比較稀疏，陸地上使用的定位技術都無法應用。此外，一些其他的定位技術也不能使用，例如GPS技術就不能在水下應用。

3.4時間同步問題

在陸地傳感器網絡中，用RF通信，傳播時延小，可以忽略[16]。而在UWSNs中用聲音通信，傳播速度僅僅為1 500 m/s，比RF傳播速度低5個數量級，時延非常大。此外，在UWSNs中，時鐘漂移也影響節點間的時間同步[10]。

3.5UWSNs壽命短的問題

UWSNs要承受傳感器節點的腐蝕。電子元器件，例如電池，在溫度非常低的水下會降解，所以UWSNs壽命比陸地傳感器網絡要短得多，這就導致了更多的置換和維護成本。

3.6通信質量問題

通信質量是UWSNs面臨的最嚴峻的挑戰。水下通信中信號的傳播衰減、噪聲、多徑效應、多普勒效應以及大的傳播時延極大影響了UWSNs通信質量。不能全雙工通信是水下通信面臨的另一個挑戰。標準的聲學傳感器不能同時進行發送和接收。同時，在水下通信中，發送功率是接收功率的100多倍，這導致了通信的不對稱。高的傳播時延及低的數據傳輸率也使得傳統的載波偵聽方法無法在UWSNs中使用。

3.7失效節點的修復和替換問題

因為硬件問題或者由于電池能量耗完，每一個節點都可能失效。一個節點的失效可能會導致整個網絡拓撲結構的改變。水下節點非常昂貴，每一個節點都不存在備份。中間節點隨著時間的推移，故障會越來越多，而中間節點的故障，即使是非致命性的，也難以診斷和修復。

3.8信道容量有限的問題

在傳輸5 kbit信息時，通信鏈路最遠只能達到8 km的距離。在淺水域,2 km通信范圍內，一般只能傳輸5～80 kbit數據[17]。

3.9網絡安全的問題

UWSNs安全是另一個非常重要的挑戰，但這個問題通常被忽略。安全問題很難解決的原因是水下信道容量有限,所發送數據包的長度直接決定了網絡的能量使用情況，而安全需要在原始數據的基礎上額外增加數據包的大小，這占用了UWSNs有限的硬件和軟件資源，使得能量效率更低[9]。

4　結束語

由于UWSNs的特性，使得現存的許多協議和技術都不能直接得到應用，而合適的協議對于系統性能的提高起著至關重要的作用。今后主要應研究適合UWSNs的協議，通過設計更適合于UWSNs的協議提高系統能量效率、降低時延和誤碼率、延長網絡壽命。同時，UWSNs的安全也是一個亟待解決的問題。

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(責任編輯劉舸)

Overview of Underwater Wireless Sensor Networks

LI Mei-ju

(School of Physics and ElectronicInformation Engineering,Qinghai Nationalities University, Xining 810007, China)

Underwater wireless sensor network has the characteristics of high delay and its node is mobile, and its finite energy and bit error rate (BER) are high. Those characteristics make the technologies and protocols used in the terrestrial wireless sensor network cannot be directly used in underwater wireless sensor networks. Therefore, underwater wireless sensor networks are facing many challenges. Firstly, this paper introduced the applications of underwater wireless sensor networks; Secondly, we analyzed the three common underwater wireless sensor network structures and the technology; Then from the aspects of equipment cost, protocol, security, energy efficiency, network lifetime, communication quality, we analyzed the challenges that underwater wireless sensor networks were facing; Finally, we planned the future work of underwater wireless sensor networks.

UWSNs; networks structure; application; challenge

2016-04-20

教育部春暉計劃科研合作項目(Z2015065);青海省科技廳項目(2016-ZJ-601)

李梅菊(1985—),女, 河北邯鄲人，博士研究生，主要從事無線網絡研究，E-mail:1143828260@qq.com。

format：LI Mei-ju.Overview of Underwater Wireless Sensor Networks[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):92-98.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.015

TN929.3

A

1674-8425(2016)08-0092-07

引用格式：李梅菊.水下無線傳感器網絡綜述[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(8):92-98.