何 明，陳秋麗，葉旭光，權(quán)冀川，陳希亮

（解放軍理工大學(xué)指揮信息系統(tǒng)學(xué)院 南京 210007）

1 引言

隨著人們對(duì)海洋科學(xué)研究、商業(yè)開(kāi)發(fā)及水下軍事行動(dòng)等需求的日益增加，迫切需要能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作、高可靠、低時(shí)延、低能耗的水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)（underwater acoustic sensor network，UASN），以滿足人們?cè)诤Ｑ笏男畔⑻綔y(cè)、海洋漁業(yè)資源調(diào)查、海洋礦產(chǎn)資源勘探、水下災(zāi)害預(yù)警和水下入侵監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用需求[1,2]。

在水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之前，水下數(shù)據(jù)的感知和收集工作一般通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成，這種方式代價(jià)高昂并且需要大量工程技術(shù)輔助，靈活性很受限制[3,4]，而水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)將大量適合水下環(huán)境的傳感器節(jié)點(diǎn)部署于監(jiān)測(cè)水域，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)聲通信的無(wú)線方式自組織構(gòu)成水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)，不僅部署代價(jià)相對(duì)低廉，且其分布式結(jié)構(gòu)能夠在水下監(jiān)測(cè)應(yīng)用中展現(xiàn)出更高的靈活度，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文首先針對(duì)水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)位置及功能的不同，提出了水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型；接著，對(duì)水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了介紹；然后，著重分析了水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層面臨的一些技術(shù)挑戰(zhàn)；最后，從3個(gè)方面對(duì)水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究意義進(jìn)行了總結(jié)。

2 系統(tǒng)模型

水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個(gè)開(kāi)放性的研究領(lǐng)域，對(duì)于不同的海洋環(huán)境和應(yīng)用要求需采用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。但總體來(lái)說(shuō)，根據(jù)水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置及功能的不同，可以得到水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的原型系統(tǒng)模型，如圖1所示。圖中顯示了一個(gè)與無(wú)線陸地和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相集成的三維水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)，與二維靜態(tài)拓?fù)湎啾?，三維動(dòng)態(tài)拓?fù)渲械乃聜鞲衅鞴?jié)點(diǎn)具有深度和可變性。

圖1 水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

·水面監(jiān)測(cè)層：由水面上的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。主要包括匯聚（sink）節(jié)點(diǎn)，用于收集水下傳感器節(jié)點(diǎn)以及 AUV（autonomous underwater vehicle）節(jié)點(diǎn)收集到的監(jiān)測(cè)信息，并將收集到的信息通過(guò)衛(wèi)星、船舶或近岸基站傳送給用戶。

·水中監(jiān)測(cè)層：由懸浮在水中的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。這些節(jié)點(diǎn)包括兩類：一類是不能自主移動(dòng)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)，這類節(jié)點(diǎn)帶有氣囊，由鎖鏈牽引被錨定在水底，利用海面浮標(biāo)將節(jié)點(diǎn)下降到水中不同深度，用于監(jiān)測(cè)水中空間內(nèi)的信息；另一類是AUV節(jié)點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)是一種水下機(jī)器人，這類節(jié)點(diǎn)能夠自主移動(dòng)，體現(xiàn)了水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性，主要用于定位固定節(jié)點(diǎn)，通過(guò)近距離光通信的方式與固定節(jié)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)命令的傳達(dá)與數(shù)據(jù)的回收。當(dāng)固定節(jié)點(diǎn)發(fā)生節(jié)點(diǎn)失效或網(wǎng)絡(luò)分割時(shí)，自移動(dòng)到失效位置幫助網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆稀?/p>

·水底監(jiān)測(cè)層：由被錨定在水底的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。可能存在通過(guò)水聲通信的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，也可能存在相互間用有線方式連接的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的信息或通過(guò)自移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（AUV節(jié)點(diǎn)）定時(shí)收集，或傳送給水中的匯聚節(jié)點(diǎn)，再由sink節(jié)點(diǎn)發(fā)往水面基站，然后通過(guò)無(wú)線電與衛(wèi)星、船舶或近岸基站通信，最終實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)水底信息的實(shí)時(shí)掌握。

3 研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)

（1）研究現(xiàn)狀

美國(guó)最早開(kāi)始水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，20世紀(jì)50年代，美國(guó)就將水聲監(jiān)視系統(tǒng)（SOSUS）運(yùn)用于太平洋和大西洋的海域中。美國(guó)麻省理工學(xué)院研發(fā)了水下機(jī)器人AUV，可進(jìn)行自主式移動(dòng)，構(gòu)建了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與固定節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的水下傳感網(wǎng)絡(luò)（AOSN）[6]。美國(guó)南加利福尼亞大學(xué)對(duì)水下移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)的水聲通信與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行了研究，提出了密集型水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念，為更適應(yīng)水下工作環(huán)境，研發(fā)了具備檢測(cè)接收信號(hào)能量和控制功耗等功能的水聲通信系統(tǒng)[7.8]。另外，水聲網(wǎng)絡(luò)的通信模式及傳感器節(jié)點(diǎn)的定位算法領(lǐng)域也收獲了一些研究成果[9,10]。隨后歐盟、日本、加拿大等地區(qū)和國(guó)家也投入水下通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究中，人類對(duì)深海領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)成果有了新的進(jìn)展。

我國(guó)從“八五”期間就開(kāi)始水聲通信的研究，自2006年起，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目。在水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信、水下聲學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)部署設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥越M織構(gòu)建等方面有顯著成果。各知名大學(xué)也紛紛組建項(xiàng)目組，提出關(guān)于水聲傳感網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)技術(shù)的研究課題，國(guó)家“863”計(jì)劃也多次在相關(guān)領(lǐng)域立項(xiàng)，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究更加系統(tǒng)。具體計(jì)劃見(jiàn)表1。

建立水下傳感網(wǎng)絡(luò)，在近海、公海和海底等位置觀測(cè)諸如氣候變異、海洋環(huán)流、海洋酸化等復(fù)雜的海洋過(guò)程。

（2）發(fā)展動(dòng)態(tài)

與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，大部分還僅處在理論探索階段，在水聲通信[13]、協(xié)議安全[14,15]、節(jié)點(diǎn)布置[16,17]等方面有了一定進(jìn)展，然而，針對(duì)UASN存在的鏈接時(shí)延較長(zhǎng)且多變、帶寬較低、節(jié)點(diǎn)能量有限、誤碼率高等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的研究尚不完善。因此，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究仍面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

4 物理層技術(shù)挑戰(zhàn)

高品質(zhì)的通信是成功實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、探測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，這對(duì)于陸地和衛(wèi)星通信技術(shù)來(lái)說(shuō)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，但對(duì)于水下通信來(lái)說(shuō)，仍存在許多瓶頸需要解決，見(jiàn)表2。復(fù)雜的水下環(huán)境以及隨之產(chǎn)生的高能耗使得傳感器網(wǎng)絡(luò)在水下環(huán)境中的應(yīng)用受到很大限制，尤其是由于多通道信號(hào)的傳播以及媒介的時(shí)變性，使得聲學(xué)通信能力受到了較為嚴(yán)重的限制，造成聲學(xué)通信鏈路質(zhì)量較低、信道波動(dòng)較大等問(wèn)題。

表1 各國(guó)水下聲通信網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃

表2 水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)與側(cè)重關(guān)注點(diǎn)

為提高水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，功率和能量最優(yōu)化非常重要，這是因?yàn)槁晫W(xué)通信比其他無(wú)線通信耗能更多，且水下環(huán)境中能量補(bǔ)給更加困難。水下傳感器節(jié)點(diǎn)一般是由電池驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)降低傳輸功率可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，但同時(shí)又會(huì)使誤碼率增加。這些促使水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求低功耗，并在最小復(fù)雜度的情況下有盡可能低的誤碼率。而要實(shí)現(xiàn)這一目的，需要從物理層著手對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)及水聲通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，主要解決如下幾個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。

（1）多普勒傳播

多普勒頻率傳播在水下聲通信信道中尤為重要，特別是在受到自然干擾、數(shù)字通信性能退化的時(shí)候。高數(shù)據(jù)速率的傳輸會(huì)產(chǎn)生很多鄰近的符號(hào)來(lái)干擾接收器，因此需要成熟的信號(hào)處理機(jī)制來(lái)對(duì)產(chǎn)生的內(nèi)部符號(hào)干擾進(jìn)行處理。

多普勒傳播產(chǎn)生：一個(gè)簡(jiǎn)單的頻率轉(zhuǎn)化，使接收器對(duì)其補(bǔ)償相對(duì)簡(jiǎn)單；一個(gè)連續(xù)的頻率傳播，構(gòu)成了一個(gè)不可轉(zhuǎn)變的信號(hào)，使接收器的補(bǔ)償變得更加困難。如果一個(gè)信道有B帶寬的多普勒傳播以及一個(gè)信號(hào)的符號(hào)持續(xù)時(shí)間為T，那么在它復(fù)雜的封裝中大約有B×T個(gè)不相關(guān)采樣。這取決于所考慮的海洋環(huán)境，大多數(shù)被描述的因素都是由水媒介的化學(xué)—物理屬性引起的，如溫度、鹽堿度、密度以及因素的空間—時(shí)間變化，這些變化連同信道的波動(dòng)引導(dǎo)特性，一起產(chǎn)生了聲學(xué)信道時(shí)間和空間的變化。目前，不管在深水還是淺水中，水平信道比垂直信道的變化速度更快。

（2）路由方法

陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用普遍采用設(shè)計(jì)路由算法來(lái)使通信能耗最小，最終增加傳感器壽命。這種思想同樣適用于水下及空間的應(yīng)用，所以Friis無(wú)約束的太空傳播模型必須被考慮在內(nèi)。這種模型對(duì)接收到的以及傳輸?shù)哪芰恐g的關(guān)系進(jìn)行了定義，并且聲明當(dāng)信息是通過(guò)多跳路徑從源點(diǎn)到目的地傳輸時(shí)，通信能耗大幅度減少。

然而，分步式的衛(wèi)星任務(wù)產(chǎn)生了嚴(yán)格的時(shí)間限制，尤其是對(duì)于地球同步衛(wèi)星而言。典型的無(wú)線實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)于端到端的等待時(shí)間，包括感知、通信、計(jì)算和行動(dòng)的上限為10 ms，這意味著多跳傳輸?shù)木窒拊谟谔幚?、等待和傳播等時(shí)延。

（3）水下節(jié)點(diǎn)的能量采集

水下能量采集的一種典型方法就是利用水波的移動(dòng)。Eco Wave Power構(gòu)建并測(cè)試了它的海洋波流能量產(chǎn)生模型——“Wave Clapper”以及“Power Wing”。最近哈佛科學(xué)家提出了一種海底活電池，這種電池由生活在它自身附近的微生物補(bǔ)充電量。由于這些微生物以從海床里漂浮上來(lái)的有毒化學(xué)物質(zhì)為食，它們能夠產(chǎn)生一種生物電流，這種電流可以在它們居住的類似于“煙囪式”的構(gòu)筑物墻體上流動(dòng)，而這種能量或許可以保證部署在海床上的傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作。丹佛科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家們受微生物燃料細(xì)胞（MFC）學(xué)啟發(fā)，開(kāi)發(fā)出了一種極富創(chuàng)新性并且非常高效的能量系統(tǒng)，利用可降解的物質(zhì)（如廢水或航海沉淀物等）中產(chǎn)生的細(xì)菌對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)直接充電。如果這些能量補(bǔ)充技術(shù)中的任意一種被有效應(yīng)用于水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，那么其網(wǎng)絡(luò)生命周期將會(huì)得到極大的延長(zhǎng)。

5 研究意義

（1）科研意義

針對(duì)我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)探測(cè)存在的時(shí)空覆蓋范圍有限、監(jiān)測(cè)空間尺度較小、數(shù)據(jù)傳輸與處理能力有限、探測(cè)手段單一等不足，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究作為海洋監(jiān)測(cè)重大科學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是物聯(lián)網(wǎng)水下應(yīng)用科學(xué)前沿的突破點(diǎn)，可為該領(lǐng)域的研究進(jìn)展積累關(guān)鍵的基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)，對(duì)揭示水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲莼瘷C(jī)理有重要意義，為傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性研究提供了新思路和理論依據(jù)。

（2）軍事意義

黃巖島和釣魚(yú)島等海域爭(zhēng)端說(shuō)明海洋是人類的主要戰(zhàn)場(chǎng)之一。外軍先進(jìn)潛艇及其他水下武器對(duì)我國(guó)海域造成了軍事威脅。在現(xiàn)代水下作戰(zhàn)時(shí)，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)是集偵察、警戒、指控、通信、導(dǎo)航、定位、目標(biāo)攻擊、綜合作戰(zhàn)能力于一體的龐大體系。未來(lái)海戰(zhàn)可充分發(fā)揮近?？臻g優(yōu)勢(shì)，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展甚至可能影響到海軍軍事戰(zhàn)略的變革，從而有效提高對(duì)水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力和海洋水文信息獲取能力，對(duì)提高國(guó)家海防水平具有重大軍事意義。

（3）經(jīng)濟(jì)與社會(huì)意義

我國(guó)是海洋大國(guó)，有數(shù)百萬(wàn)平方公里的專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)，海底蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源與油氣資源，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)海洋礦產(chǎn)資源勘探有重要實(shí)用價(jià)值，對(duì)解決我國(guó)未來(lái)的礦產(chǎn)與能源短缺問(wèn)題具有極其重大的意義。同時(shí)，彌補(bǔ)了我國(guó)現(xiàn)有海洋監(jiān)探測(cè)技術(shù)的不足，有效提高了我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)探測(cè)能力。

6 結(jié)束語(yǔ)

水聲通信網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著探測(cè)、數(shù)據(jù)通信的重要使命。但由于水聲信道惡劣的傳輸條件，使得信道帶寬嚴(yán)重受限，聲信號(hào)易受強(qiáng)環(huán)境噪聲、時(shí)變多徑的影響，產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾、高傳輸時(shí)延以及大的多普勒頻移擴(kuò)展。依據(jù)水聲通信網(wǎng)絡(luò)的特殊性，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、節(jié)點(diǎn)能耗及傳輸成功率等因素，保證通信的高質(zhì)量，提高水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性迫在眉睫。本文對(duì)水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了介紹，分析了水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并闡述了保證高質(zhì)量通信所面臨的物理層技術(shù)挑戰(zhàn)。下一步工作主要是針對(duì)水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行研究，并尋求提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的技術(shù)途徑與方法。

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