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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wirelesssensor networks，WSN）將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，擴(kuò)展了人們的信息獲取和管控能力，在國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤、搶險(xiǎn)救災(zāi)、智能控制、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，成為信息科學(xué)的重要研究領(lǐng)域。將傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到水環(huán)境中的新型網(wǎng)絡(luò)形式——水下傳感器網(wǎng)絡(luò)（underwater wireless sensor networks，UWSN）的研究與應(yīng)用也逐漸受到各國(guó)工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、科研機(jī)構(gòu)等極大關(guān)注，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)直接細(xì)粒度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為有效解決水下監(jiān)測(cè)提供重要保障基礎(chǔ)。

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)

21世紀(jì)開(kāi)啟了人類(lèi)全面開(kāi)發(fā)、利用海洋資源的新紀(jì)元，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)（underwater wireless sensor networks，UWSN）作為一個(gè)新生的信息網(wǎng)絡(luò)已逐步成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、近海勘探、輔助航行、海嘯預(yù)警以及海洋軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

UWSN通常包括水下節(jié)點(diǎn)、水面中繼站、船基接收站、衛(wèi)星以及地面接收站等。許多水下節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，為了全方位地監(jiān)測(cè)各種信息，水下節(jié)點(diǎn)通常漂浮在不同的深度。這些水下節(jié)點(diǎn)能夠隨著海水的流動(dòng)而移動(dòng)，通過(guò)自組織的方式組成網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)將自己收集到的信息經(jīng)過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過(guò)數(shù)次傳輸之后到達(dá)水面中繼站，最后通過(guò)衛(wèi)星或者互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)地面基站。UWSN的拓?fù)淙鐖D1所示。

▲ 圖1  水下傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>

無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、移動(dòng)自組網(wǎng)（MANET）、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線電波進(jìn)行通信。由于水的吸收作用，電信號(hào)在水中傳輸衰減嚴(yán)重，且頻率越高，衰減越快。研究表明，遵循IEEE 802.11b/g（2.4GHz）或IEEE802.15.4（868MHz，915MHz，2.4GHz）協(xié)議的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無(wú)線電波在水中的傳輸距離通常為50～100cm。30～300Hz的超低頻無(wú)線電波在水中的傳播距離可以達(dá)到100多米，但是需要很大的接收天線，這對(duì)于水下傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)比較困難。由此可見(jiàn)，無(wú)線電波在水中的傳播距離極為有限，無(wú)法在水下有效地工作。

水環(huán)境中的激光通信主要采用藍(lán)綠光，藍(lán)綠光在海水中的衰減小于10^-2dB/m，對(duì)海水的穿透能力較強(qiáng)。水下激光通信需要直線對(duì)準(zhǔn)傳輸，通信距離較短，水的清澈度會(huì)影響通信質(zhì)量，這都制約著它在水下網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。藍(lán)綠激光僅僅適合短距離、高速率的水下數(shù)據(jù)傳輸。綜上所述，激光和無(wú)線電波都無(wú)法廣泛地應(yīng)用于UWSN通信。因此，水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用聲波通信。

水聲通信的特點(diǎn)

 與傳統(tǒng)的WSN相比，采用水聲通信的UWSN網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)。

1．傳播延遲大

聲波在水中的傳播速度是1500m/s，比地面無(wú)線電波（3.0′10⁸m/s）的傳播延遲高了大約5個(gè)數(shù)量級(jí)。水聲信號(hào)的傳播速度受海水的壓強(qiáng)、溫度、鹽度等物理特性的影響較大，具有明顯的時(shí)空變特性。

2．頻帶窄

傳輸距離在1～10km的系統(tǒng)，帶寬只有10kHz；傳輸距離為0.1～1km的水聲通信系統(tǒng)的帶寬為20～50kHz；若保證網(wǎng)絡(luò)的帶寬達(dá)到100kHz及以上，則通信的距離只有幾十米。另外，UWSN中的傳輸帶寬還具有時(shí)變的特性。

3．能量有限

由于傳輸距離較遠(yuǎn)，信號(hào)的發(fā)送與接收都需要進(jìn)行額外的處理以補(bǔ)償信道衰落，因此與無(wú)線電波通信相比水聲通信更加消耗能量。與傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器相比，UWSN中的聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器需要消耗更多的能量，而水下節(jié)點(diǎn)采用電池供電，在惡劣的水下環(huán)境中充電和更換都非常困難。孫利民等分析了傳感器節(jié)點(diǎn)各組成部分的能量消耗情況，如圖2所示。

▲ 圖2  傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗

4．多徑效應(yīng)

聲波在水面和水中傳播時(shí)，易受折射以及海底、海面反射的影響，導(dǎo)致聲源發(fā)出的信號(hào)沿著多條不同的路徑先后到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。如圖3(a)所示節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的信號(hào)沿著三條不同的路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)R。以上信號(hào)在目的節(jié)點(diǎn)相互疊加，造成信號(hào)的起伏和畸變。沿不同路徑傳播的信號(hào)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間不盡相同（圖3(b)），使得信號(hào)的振幅與相位的相關(guān)性減弱，給信號(hào)的解調(diào)帶來(lái)了極大的困難。

▲ 圖3  多徑效應(yīng)

5．多普勒效應(yīng)

水下傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著水流而移動(dòng)，聲波的傳播速度與無(wú)線電波的傳播速度相比差了約5個(gè)數(shù)量級(jí)，節(jié)點(diǎn)很小的移動(dòng)就會(huì)造成多普勒頻移，并且水聲信道的載波頻率比較低，兩者共同作用使得水中的多普勒頻移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面的無(wú)線電波通信中的多普勒頻移。

6．“遠(yuǎn)-近”效應(yīng)

“遠(yuǎn)-近”效應(yīng)是指信號(hào)強(qiáng)度受傳輸距離的影響。當(dāng)節(jié)點(diǎn)采用相同的功率與基站通信時(shí)，由于距基站的距離不同，造成信號(hào)在傳輸過(guò)程中發(fā)生不同程度的衰減。距離基站越近，信號(hào)越強(qiáng)，反之越弱，如圖4所示。

▲ 圖4  “遠(yuǎn)-近”效應(yīng)

7．誤碼率高

水下環(huán)境惡劣，聲波傳輸過(guò)程中易受路徑損耗、環(huán)境噪聲、多徑效應(yīng)和多普勒頻移的影響導(dǎo)致信號(hào)的出錯(cuò)率較高。根據(jù)傳輸范圍和調(diào)制方法的不同，水聲通信的誤碼率在10^-7～10^-3，且隨著傳輸范圍的不斷增大而增加。

8．低帶寬

水聲信道的帶寬依賴(lài)于聲波頻率及其傳輸距離。大部分聲音系統(tǒng)的工作頻率在30kHz以下。根據(jù)文獻(xiàn)，目前對(duì)傳輸距離與帶寬積的研究或商業(yè)系統(tǒng)還沒(méi)有能夠超過(guò)40km′kbit/s（IEEE 802.11的無(wú)線電波通信可達(dá)到5000km′kbit/s）。IEEE 802.11的帶寬可達(dá)幾十、幾百兆，而傳輸幾千米的水聲信道帶寬大約是幾十kbit/s，幾十米的短程系統(tǒng)帶寬也只有幾百kbit/s，這給水下音、視頻及應(yīng)急信息通信帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。

9．網(wǎng)絡(luò)連通性差

首先，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于環(huán)境較為惡劣的江、河、湖泊、海洋中，長(zhǎng)期的浸泡、腐蝕使得節(jié)點(diǎn)故障率較高；其次，陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般都是靜止的，而水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)隨著水流和其他水下活動(dòng)而改變位置；再次，相對(duì)于價(jià)格低廉的陸地傳感器節(jié)點(diǎn)，水下節(jié)點(diǎn)聲學(xué)通信模塊復(fù)雜、惡劣的水下環(huán)境需要增強(qiáng)的硬件保護(hù)裝置，因此水下傳感器節(jié)點(diǎn)具有價(jià)格昂貴、部署稀疏的特點(diǎn)。與陸地WSN、MANET等網(wǎng)絡(luò)相比，UWSN網(wǎng)絡(luò)連通性更差。

本文由王芳摘編自杜秀娟、蘇毅珊著《水下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究》一書(shū)第一章部分，內(nèi)容有刪節(jié)。標(biāo)題由本文編輯所加。

 ISBN：978-7-03-050067-0

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)采用聲波進(jìn)行通信，具有長(zhǎng)時(shí)延、低帶寬、高誤碼率、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、能量受限等系列特性，?jié)點(diǎn)的有限資源決定了其上運(yùn)行的協(xié)議不能太復(fù)雜，而現(xiàn)有的通信協(xié)議棧難以滿(mǎn)足水下傳感器網(wǎng)絡(luò)性能要求。
　　

《水下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究》分析了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用、通信特點(diǎn)，以及傳統(tǒng)協(xié)議架構(gòu)在水下傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用局限性，闡述了：Micro-ANP通信協(xié)議架構(gòu)及水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的各層協(xié)議與關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，并給出Micro-ANP架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。本書(shū)重視理論結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，使相關(guān)領(lǐng)域的讀者能夠比較容易地理解《水下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究》內(nèi)容。

《水下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究》既可作為學(xué)習(xí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的本科生和研究生的參考書(shū)，也可作為從事物聯(lián)網(wǎng)、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的工程技術(shù)及研究人員的參考書(shū)。