徐初杰

（集美大學(xué)信息工程學(xué)院，廈門 361021）

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐研究

徐初杰

（集美大學(xué)信息工程學(xué)院，廈門 361021）

水下無線傳感器網(wǎng)通信技術(shù)的研究和應(yīng)用，不僅為海洋探索工作提供了充足的技術(shù)幫助，同時(shí)在水下試驗(yàn)、水下尋找等工作上，也取得了較大的進(jìn)步。但是，對(duì)于我國現(xiàn)有的工作而言，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)還有很大的研發(fā)空間。文章針對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐展開討論。

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)；技術(shù)；通信；傳感器

相對(duì)于陸地而言，水下工作需要面臨許多挑戰(zhàn)。對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究，主要是針對(duì)多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行開發(fā)和利用，通過將無線傳感器在水下良好的應(yīng)用，確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠在本質(zhì)上得到更大的提升，在應(yīng)對(duì)新的工作任務(wù)時(shí)，可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有效完成。

1 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)概述

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的工作條件如表1[1]所示。

表1 水下無線傳感器網(wǎng)通信技術(shù)的條件

目前，對(duì)于絕大多數(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域而言，水下無線傳感器是作為一種高密度部署傳感節(jié)點(diǎn)的水下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的最大特點(diǎn)在于，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)為高密度集結(jié)的情況。為此，根據(jù)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方向，可以將水下網(wǎng)絡(luò)大致劃分為兩種類別：第一種，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用，主要是長期進(jìn)行非實(shí)時(shí)狀態(tài)的水中監(jiān)視干預(yù)，比較常見的工作形式為海圖數(shù)據(jù)收集、污染監(jiān)視等等。第二種，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可以在短期內(nèi)，針對(duì)水中的探測實(shí)施調(diào)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(zāi)難等等。

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)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(shí)驗(yàn)研究表明：低頻長波無線電波水下通信距離可以達(dá)到6~8m，30~300 Hz的超低頻電磁波對(duì)海水穿透能力可達(dá)100多米，但需要很長的接收天線，無法安裝在水下節(jié)點(diǎn)上。因此，無線電波只能實(shí)現(xiàn)短距離的高速通信，不能滿足遠(yuǎn)距離水下組網(wǎng)的要求。

1.2 激光通信

藍(lán)綠激光在海水中的衰減值小于10-2dB／m，對(duì)海水穿透能力強(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。不過，它適合近距離高速率的數(shù)據(jù)傳輸，比如自主水下航行器和岸邊基站間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

1.3 水聲通信

聲波通信技術(shù)是當(dāng)前水下無線傳感器網(wǎng)通信和組網(wǎng)的主要技術(shù)。發(fā)展歷程由20世紀(jì)50年代的水下模擬電話到20世紀(jì)80年代的數(shù)字頻移鍵控技術(shù)以及后來的水聲相干通信技術(shù)。到了20世紀(jì)90年代DSP（digital signal processing）芯片及數(shù)字通信技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是水下聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器的問世，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到快速發(fā)展。

2 聲波通信

在現(xiàn)代化的探索和應(yīng)用當(dāng)中，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)獲得了很高的認(rèn)可，但在具體的應(yīng)用中，卻必須考慮到很多的影響因素，不能單純的根據(jù)理論上的技術(shù)指標(biāo)來應(yīng)用。為此，在研究和應(yīng)用水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的過程中，需針對(duì)聲波通信方面的內(nèi)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(wǎng)通信技術(shù)不同的是，水下無線傳感器的應(yīng)用，能夠改變以往的通信模式，將陸地上的傳統(tǒng)通信方法轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ㄍㄐ拧５?，在大量的?shí)踐和探究以后，發(fā)現(xiàn)聲波通信帶寬會(huì)受到較大的限制。從現(xiàn)場測試的結(jié)果來看，能夠應(yīng)用的頻帶，直接取決于傳輸距離，二者之間的關(guān)聯(lián)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(fā)[2]。其次，倘若在通信距離上，表現(xiàn)為中等距離，那么建議選擇的頻帶范圍在20KHz~50KHz之間，這對(duì)于國內(nèi)絕大部分地區(qū)而言，是比較實(shí)用的頻帶范圍，效果和價(jià)值都比較高[3]。第三，針對(duì)長距離的通信，也就是在數(shù)十公里以上的通信工作，只能是應(yīng)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(duì)于無線射頻通信來講，還有很大的距離要提升和彌補(bǔ)[4]。

2.2 聲波通信的干擾條件較多

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在目前的研究和應(yīng)用當(dāng)中，會(huì)針對(duì)不同的區(qū)域、不同的條件進(jìn)行試驗(yàn)和分析，觀察聲波通信能否通過其他的方法來進(jìn)行提升?，F(xiàn)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(xù)的運(yùn)營和研發(fā)當(dāng)中，還有很多挑戰(zhàn)要應(yīng)對(duì)。例如，在聲波通信開展的過程中，沖擊的環(huán)境噪聲會(huì)帶來很大的影響，主要的干擾源在于水下聲波通路的時(shí)間和頻率色散的特性所引起的，具體表現(xiàn)為自干擾的狀態(tài)，從而直接導(dǎo)致聲波通信的內(nèi)容不健全，有很多方面都出現(xiàn)了嚴(yán)重的缺失。首先，慢速聲波和多徑現(xiàn)象發(fā)生后，直接導(dǎo)致通路的傳播表現(xiàn)為顯著的延時(shí)現(xiàn)象。分析后發(fā)現(xiàn)，由于波形的時(shí)間出現(xiàn)了色散的情況，促使符號(hào)之間的干擾特別突出，無法快速、穩(wěn)定地進(jìn)行傳播。其次，倘若聲波通信是處在移動(dòng)的環(huán)境當(dāng)中，包括平臺(tái)移動(dòng)和海波的散射等等。傳播速度比較慢的聲波內(nèi)容，將會(huì)直接引入大量的多普勒擴(kuò)展或者是頻移的內(nèi)容，此時(shí)，它在信號(hào)的不同頻率條件下，成分之間產(chǎn)生了嚴(yán)重的干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致聲波通信遇到了嚴(yán)重的阻礙。

3 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)具體應(yīng)用不同，可以有多種體系結(jié)構(gòu)。按其監(jiān)測的空間區(qū)域不同大致可分為二維、三維和海洋立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)三種。

3.1 二維(2D)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

在該模型中，傳感器節(jié)點(diǎn)被錨定在海底，監(jiān)測信息可以通過AUV定時(shí)收集或直接發(fā)往浮在水面上的基站，然后通過無線電與衛(wèi)星、船舶或岸上陸基基站，最終將海底監(jiān)測信息實(shí)時(shí)地傳送給用戶。

3.2 三維(3D)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

可分為固定3D監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)3D監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。固定3D監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可由帶有氣囊的水下節(jié)點(diǎn)錨定在海底，形成固定的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。利用海面浮標(biāo)，將節(jié)點(diǎn)下降到不同的深度，也可以形成3D監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)3D監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可由多個(gè)AUV、水下滑翔機(jī)等單獨(dú)組成網(wǎng)絡(luò)，或與固定節(jié)點(diǎn)形成3D混合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

3.3 海洋立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

由水面上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和水下傳感器網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，二者結(jié)合為一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。水下網(wǎng)絡(luò)部分可以是3D移動(dòng)、固定或者二者混和的網(wǎng)絡(luò)。水面網(wǎng)絡(luò)部分利用無線電進(jìn)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(wèi)星通信等優(yōu)點(diǎn)。它還可以檢測風(fēng)向、波高、潮汐、水溫、光照、水質(zhì)污染以及負(fù)責(zé)與水下網(wǎng)絡(luò)、陸基基站的信息傳輸?shù)取?/p>

圖1 海洋立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

4 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

從現(xiàn)階段的研究成果來看，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在可行性方面比較高，但需要解決的問題和挑戰(zhàn)也不少。面對(duì)社會(huì)和行業(yè)內(nèi)的強(qiáng)烈需求，想要在今后的工作中，將水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的優(yōu)勢和功能充分發(fā)揮出來，必須要開展廣泛的實(shí)踐探究，搜集到更多的數(shù)據(jù)和信息，充分解決現(xiàn)階段的各項(xiàng)問題，在多個(gè)方面對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)內(nèi)容實(shí)施健全處理，保持各項(xiàng)工作的穩(wěn)步提升。

4.1 多輸入、多輸出技術(shù)

在現(xiàn)代化的技術(shù)研究當(dāng)中，任何一項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，都不會(huì)從單一的方面出發(fā)，即便是在專項(xiàng)應(yīng)用和研究方面，也會(huì)在各個(gè)方面和層次上開展大量的探討與分析。聲波通信在應(yīng)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(yán)重，但并非無法解決。本文認(rèn)為，在水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用實(shí)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(shù)的應(yīng)用層次上得到較好的成果，同時(shí)在很多方面對(duì)問題的解決比較理想，反復(fù)出現(xiàn)的概率較低。例如，采用多個(gè)發(fā)射機(jī)和多個(gè)接收機(jī)的一個(gè)無線系統(tǒng)稱為多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)[5]。它表示在一個(gè)嚴(yán)重的散射環(huán)境中，通路容量隨min（Nt，Nr）線性地增加，這里Nt和Nr分別是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的數(shù)量。如此一個(gè)劇烈的容量增加，先前的功率和帶寬資源不會(huì)蒙受更多的負(fù)擔(dān)，但是它利用了空間維度虛擬建立并行的數(shù)據(jù)管道[6]。因而，MIMO調(diào)制是一種有前途的技術(shù)，它提供高速率水下聲波通信另一種先進(jìn)的機(jī)制。MIMO引入了從不同發(fā)射機(jī)來的并行數(shù)據(jù)流之間的干擾，接收機(jī)具有多通路估算，這將在訓(xùn)練符號(hào)上花費(fèi)更多的開銷。對(duì)于快變化的水下通路，為了最好的速率和性能折衷，發(fā)射機(jī)數(shù)不能太多。除了排列天線外，分布式MIMO也能聚合單發(fā)射機(jī)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作[7]。當(dāng)然，分布式MIMO需要面臨大量的實(shí)際問題，如同步和協(xié)同。

4.2 多載波調(diào)制

多載波調(diào)制的原理是將可用帶寬分成很多重疊的子帶，從而達(dá)到在每個(gè)子帶，符號(hào)波的持續(xù)時(shí)間長于通路的多徑傳播。因而，符號(hào)間干擾能在每個(gè)子帶中抵消，極大地簡化接收機(jī)通路均衡的復(fù)雜度。也正因?yàn)檫@個(gè)優(yōu)點(diǎn)，多載波調(diào)制以正交頻分復(fù)用的形式廣泛應(yīng)用于寬帶無線射頻領(lǐng)域。然而，水下通路具有很大的多普勒擴(kuò)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(shù)，早期試圖在水下環(huán)境應(yīng)用具有非常大的限制。近期，對(duì)水下通信的研究包括非相干基于開關(guān)鍵控的OFDM，低復(fù)雜度的自適應(yīng)OFDM接收機(jī)和基于導(dǎo)頻的逐塊(block-by-block)接收機(jī)。遂塊接收機(jī)不依賴通路，而依靠通過的OFDM塊，于是，它對(duì)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(gè)很好的優(yōu)點(diǎn)即一個(gè)信號(hào)設(shè)計(jì)能很容易擴(kuò)展到不同的傳輸帶寬，而接收機(jī)幾乎不變。實(shí)驗(yàn)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(duì)于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)而言，其在應(yīng)用和實(shí)踐的過程中，倘若單純的通過聲波通信來完成，不可能對(duì)所有的復(fù)雜情況都能應(yīng)對(duì)，勢必還會(huì)出現(xiàn)一些比較特殊的問題，這就導(dǎo)致在具體的工作中，將會(huì)出現(xiàn)惡性循環(huán)的情況。通過對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行深入的研究后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用“電磁波通信”的方法，能夠?qū)⒓夹g(shù)優(yōu)勢更好地發(fā)揮出來，在很多方面都可以達(dá)到理想的成果，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值都比較理想。

由于海水導(dǎo)電的特性，使用射頻無線水下通信的主要挑戰(zhàn)是嚴(yán)重的衰減。因而，EMCOMM工作在功率受限的區(qū)域。超低頻(ELF)無線信號(hào)已用于軍事應(yīng)用。在二次世界大戰(zhàn)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(dá)1~ 2兆瓦功率。ELF信號(hào)，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(shè)計(jì)不同于用于大氣中傳統(tǒng)服務(wù)的天線[8]。天線不是與海水直接接觸，金屬的發(fā)射和接收天線被防水電絕緣材料包裹。這種方式中，一個(gè)EM信號(hào)能從發(fā)射機(jī)饋入海水，一個(gè)遠(yuǎn)距離的接收機(jī)從海水中取出[9]。

2006年，推出世界上第一個(gè)商用水下射頻Modem—S1510。它的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)率1-10Mbpsa。由于EM波的傳播特性，EMCOMM只是非常短距離應(yīng)用的選擇。例如AUV與基站間的通信，AUV在一個(gè)基站通信范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以下載數(shù)據(jù)和接收下一步的指令[10]。

5 結(jié)語

本文對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐展開討論，盡管水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有許多問題亟待解決,但對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究近幾年得到了巨大的發(fā)展，并繼續(xù)深入研究，將來水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。從現(xiàn)階段的工作來看，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)獲得了較高的技術(shù)指標(biāo)，整體上獲得的成就也比較突出。但是社會(huì)在進(jìn)步，科技在發(fā)展，人類對(duì)水下作業(yè)的要求也越來越高，因此，需要對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行更深入的研究和分析，健全技術(shù)體系并設(shè)定較多的應(yīng)用方案，創(chuàng)造出更大的價(jià)值。

[1]郭忠文，羅漢江，洪 鋒，等.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010（03）:377-389.

[2]劉林峰，劉 業(yè).基于滿Steiner樹問題的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆纤惴ㄑ芯縖J].通信學(xué)報(bào)，2010（09）:30-37+45.

[3]何 明，梁文輝，陳國華，等.水下移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄J].控制與決策,2013（12）:1 761-1 770.

[4]鄒志強(qiáng)，王 悅，沙 超，等.無線傳感器水下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)稀疏采樣和近似重構(gòu)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2012（12）：2 728-2 734.

[5]魏 巍，陳楠楠，張曉暉，等.用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)能量路由協(xié)議的仿真研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011（06）：:905-908.

[7]羅 強(qiáng)，潘仲明.一種小規(guī)模水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011（07）:1043-1047.

[8]畢京學(xué),郭 英,甄 杰,等.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究進(jìn)展[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2014（01）:41-45+71.

[9]王建平,孔德川,陳 偉.一種基于多普勒效應(yīng)的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014（05）:680-686.

[10]姚 西.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2013（07）:11-15，18.

責(zé)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(shí)驗(yàn)師，研究方向：水下通信、水下目標(biāo)定位。