李梅菊

(青海民族大學(xué) 物電學(xué)院， 西寧　810007)

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水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述

李梅菊

(青海民族大學(xué) 物電學(xué)院， 西寧810007)

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有高時(shí)延、鄰居節(jié)點(diǎn)不固定、能量有限、誤碼率高的特點(diǎn)，這使得在陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的技術(shù)及協(xié)議無法直接在水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用。針對(duì)該問題，介紹了目前水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域，分析了3種常見的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及各層的技術(shù)問題；從設(shè)備成本、協(xié)議、安全、能量效率、硬件壽命、通信質(zhì)量等方面分析了水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)；對(duì)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)今后的研究方向進(jìn)行了展望。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；應(yīng)用領(lǐng)域；挑戰(zhàn)

地球是一個(gè)大水球，幾十年來，人類一直努力于水下環(huán)境及生物的科學(xué)探測(cè)、商業(yè)開發(fā)以及海洋環(huán)境的保護(hù)。高精度、實(shí)時(shí)的和時(shí)空交叉的連續(xù)水生監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在許多應(yīng)用領(lǐng)域極其重要，例如海洋數(shù)據(jù)的收集、污染監(jiān)測(cè)等。無線傳感技術(shù)和運(yùn)輸設(shè)備的進(jìn)步推動(dòng)了水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(UWSNs)的發(fā)展。UWSNs多用聲音通信，作為補(bǔ)充的通信技術(shù)有光纖通信、無線電通信、射頻通信等，這些通信技術(shù)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(fā)射功率或者很大的接收天線。在水下環(huán)境中，聲學(xué)通信系統(tǒng)可以傳輸更遠(yuǎn)的距離， 但是它受以下幾方面的制約[1]：

1) 低帶寬和高時(shí)延

聲音信號(hào)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(gè)數(shù)量級(jí)。更重要的是，水下聲音信號(hào)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(nèi)帶寬達(dá)到幾十千比特的產(chǎn)品。

2) UWSNs 是動(dòng)態(tài)的

在UWSNs中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著水流而移動(dòng)，只有部分節(jié)點(diǎn)被固定在底部或者被水面上的浮標(biāo)固定。在通常情況下，水下物體移動(dòng)速度大約為3～6 km/s。這種移動(dòng)導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)鄰居的不穩(wěn)定，為路由協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來了極大挑戰(zhàn)[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(yīng)以及多普勒效應(yīng)等。所有這些因素都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)有很高的誤碼率和不穩(wěn)定的時(shí)延。因此，數(shù)據(jù)在水下傳輸是很容易出錯(cuò)的，同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)在惡劣的水下環(huán)境中很容易失效。相對(duì)于陸地上的傳感器節(jié)點(diǎn)，水下節(jié)點(diǎn)有更大的失效率。

4) 三維結(jié)構(gòu)

水下傳感器節(jié)點(diǎn)通常布置在三維空間，不同于陸地傳感器的二維結(jié)構(gòu)。這些特點(diǎn)使得現(xiàn)存的陸地傳感器技術(shù)不能直接應(yīng)用到UWSNs,致使UWSNs從協(xié)議到具體技術(shù)都出現(xiàn)了許多新的問題。因此，近幾年一些學(xué)者針對(duì)UWSNs的實(shí)際特點(diǎn)，研究了適合UWSNs的技術(shù)和協(xié)議。

本文通過分析UWSNs 的應(yīng)用領(lǐng)域、常見的UWSNs網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，以期為今后UWSNs的研究提供參考。

1　UWSNs應(yīng)用領(lǐng)域

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于水下無線傳感器技術(shù)的應(yīng)用越來越多。這些應(yīng)用的出現(xiàn)一方面是基于地球上水面覆蓋面積占整個(gè)地球表面的70%，另一方面由于電子、微電子系統(tǒng)、水下通信、水下傳感器技術(shù)以及隔水設(shè)備的發(fā)展?？梢园言S多UWSNs的應(yīng)用分類為檢測(cè)應(yīng)用，這包括水質(zhì)分析、污染監(jiān)控、洋流監(jiān)控、漁業(yè)及微生物追蹤、水壓及溫度測(cè)試、電導(dǎo)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(shè)備的監(jiān)測(cè)[3]。

地震勘測(cè)是另一項(xiàng)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用，因?yàn)榇蟛糠值挠蜌赓Y源儲(chǔ)備在水下。為了進(jìn)行油氣勘測(cè)必須頻繁地進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)。在油氣探測(cè)中，從傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)需要與對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置一一對(duì)應(yīng)[4]。

UWSNs可以被用來導(dǎo)航和控制。水下自動(dòng)車輛(AUV)、遠(yuǎn)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(jié)點(diǎn)已知自己的位置，可以通過AUV、ROV或者UUV為其他的傳感器節(jié)點(diǎn)提供位置參考。水下傳感器節(jié)點(diǎn)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(jià)值的信息，同時(shí)水下傳感器節(jié)點(diǎn)還可與潛水員進(jìn)行通信[5]。

UWSNs還可以被用在軍事和安全領(lǐng)域。固定在海底的傳感器節(jié)點(diǎn)可以用作監(jiān)控工具。水下戰(zhàn)爭(zhēng)、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(fā)起并控制。UWSNs也被用作保證重要設(shè)施的安全，例如出口設(shè)施、船只以及水下錨。在軍事領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用主要聚焦在監(jiān)測(cè)和干擾敵方目標(biāo)。

此外，UWSNs可被用作災(zāi)難預(yù)測(cè)，例如UWSNs可以提供海嘯報(bào)警、檢測(cè)油氣管道腐蝕情況等。

2　UWSNs網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類

UWSNs可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)分類[6]：一種是按照節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性分為靜態(tài)、半靜態(tài)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)；另一種常見的分類是根據(jù)是否考慮節(jié)點(diǎn)深度分為二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；第3種是根據(jù)節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)分為單跳、多跳和混合網(wǎng)絡(luò)；還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)延的敏感性分為時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)和時(shí)延不敏感網(wǎng)絡(luò)。

圖1為常見的二維UWSNs結(jié)構(gòu)。一部分節(jié)點(diǎn)放在水的底部，通常體積比較小，用電池供電，傳輸信號(hào)通過聲學(xué)信道傳輸。簇頭固定在海洋底部。簇頭除了裝有聲學(xué)調(diào)制器，還裝有遠(yuǎn)距離的垂直方向調(diào)制器，該調(diào)制器負(fù)責(zé)簇頭與位于水表面的基站進(jìn)行通信。這些大范圍的調(diào)制器可以是聲學(xué)、光學(xué)或者RF調(diào)制器，其中聲學(xué)調(diào)制模式最常見。在簇內(nèi)，簇頭在水平方向通過聲學(xué)調(diào)制器和其他節(jié)點(diǎn)通信，數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)到簇頭可以是單跳或者多跳。由于采用多跳方式時(shí)數(shù)據(jù)在兩點(diǎn)之間傳輸距離更短，所以更節(jié)省能量。然而，在多跳網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和節(jié)點(diǎn)配置更復(fù)雜[7]。

圖1　二維UWSNs結(jié)構(gòu)

圖2為三維UWSNs結(jié)構(gòu)。在二維結(jié)構(gòu)中使用的節(jié)點(diǎn)三維結(jié)構(gòu)依然可以使用，只是節(jié)點(diǎn)被固定在距離水平面不同深度的位置?？梢酝ㄟ^固定在水平面的浮標(biāo)控制傳感器節(jié)點(diǎn)的深度。三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以使所有的節(jié)點(diǎn)直接與位于水面的基站通信或者僅通過一個(gè)簇頭與基站通信。在前一種情況下，所有的節(jié)點(diǎn)都是等價(jià)的，它比后一種情況可能消耗更多的能量。當(dāng)使用簇頭的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，只有簇頭需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以更全面地研究指定區(qū)域，但該結(jié)構(gòu)遇到的一個(gè)挑戰(zhàn)是所有節(jié)點(diǎn)的定位以及保證所有的區(qū)域可以一直被覆蓋。這個(gè)目標(biāo)之所以難以達(dá)到是因?yàn)樗魉俣取⑺械纳?、過往的船只等都可能會(huì)破壞已放置好的節(jié)點(diǎn)，從而破壞正常的通信[8]。

圖2　三維UWSNs結(jié)構(gòu)

圖3是借助AUVs、ROVs及UUVs作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的 UWSNs網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)最明顯的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，這會(huì)使節(jié)點(diǎn)必須重新配置并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，加大了網(wǎng)絡(luò)控制的難度。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)會(huì)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(dòng)的節(jié)點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)不可靠并且使網(wǎng)絡(luò)壽命縮短[9]。

圖3　借助AUVs、ROVs及UUVs作為網(wǎng)絡(luò)

靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各有利弊。為了利用兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，一種混合的UWSNs結(jié)構(gòu)被提出。在該混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，既有靜態(tài)節(jié)點(diǎn)也有動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)以這種混合的方式從海洋底部傳到海洋表面的數(shù)據(jù)中心。低速聲音通信大部分被用于數(shù)據(jù)廣播、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)性能診斷等。光通信主要被用于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(AUVs、ROVs及UUVs)與固定在海底的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的通信。

2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)

2.2.1物理層

在水面上，電磁頻譜占通信的主導(dǎo)地位，因?yàn)闊o線電和光纖通信在很小的功率下就可以提供遠(yuǎn)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(yuǎn)的距離。聲波的傳播可以分為幾個(gè)階段?；舅p為在聲波從一個(gè)位置到另一個(gè)位置距離為D時(shí)，特定的頻率F上的功率損耗。第1個(gè)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(diǎn)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(gè)在給定的發(fā)射機(jī)周圍聲場(chǎng)的詳細(xì)預(yù)測(cè)。第3階段強(qiáng)調(diào)接收功率規(guī)模較大時(shí)由緩慢的變化引起的明顯的隨機(jī)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(shí)功率快速變化的獨(dú)立模型。

圖4顯示了在聲學(xué)通信中衰減和噪聲的綜合影響。傳播損耗函數(shù)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(hào)的信噪比。由圖4可見:隨著頻率增加，信號(hào)的衰減加快，這使得大部分千米范圍內(nèi)的調(diào)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(nèi)存在最優(yōu)的可用帶寬。大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(wěn)定的時(shí)延，時(shí)延的大小依賴于節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置，從幾毫秒到幾百毫秒。在寬帶系統(tǒng)中，這會(huì)導(dǎo)致頻率選擇信道傳輸函數(shù)在不同頻率的元器件中展示出非常不同的衰減。信道響應(yīng)和瞬時(shí)功率經(jīng)常表現(xiàn)出小規(guī)模、快速的變化，這主要是由散射、海平面的快速運(yùn)動(dòng)或者系統(tǒng)本身所引起的。大范圍的變化影響發(fā)送者的功率控制，小范圍的變化影響接收端自適應(yīng)信號(hào)處理算法的設(shè)計(jì)。

圖4　頻率與距離對(duì)信號(hào)衰減影響

節(jié)點(diǎn)有向的運(yùn)動(dòng)以多普勒效應(yīng)的形式引起額外的時(shí)間變動(dòng)。一個(gè)典型的AUV以幾米每秒的速度運(yùn)動(dòng)，而自由漂浮的平臺(tái)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(fā)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(shí)間同步方面做出努力。與無線電系統(tǒng)相比，這個(gè)差別是很明顯的。在無線電系統(tǒng)中通常不會(huì)考慮時(shí)間同步問題，而只考慮中心頻率的偏移。

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

對(duì)于單載波寬帶系統(tǒng)，最初的研究聚集在自適應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，對(duì)于設(shè)計(jì)合適的網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。如圖4所示，可用帶寬隨距離增加而降低，這就要求數(shù)據(jù)以多種形式傳輸。在聲學(xué)通信系統(tǒng)中，將長(zhǎng)距離的通信分為幾跳傳輸不僅降低了功率要求，同時(shí)可以適當(dāng)增加傳輸帶寬。更大的帶寬產(chǎn)生更大的比特率和更小的包。包越小意味著在傳播時(shí)延不可忽略的情況下數(shù)據(jù)在鏈路上發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)越小。

物理層的特點(diǎn)影響著數(shù)據(jù)鏈路層以及更高層。例如，同樣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在不同的頻率分配下可能表現(xiàn)出的性能完全不同，運(yùn)行在更高頻率下會(huì)引起更大的衰減，但是干擾也會(huì)隨之降低很多，使整體性能得到提高。另外，傳播延遲和數(shù)據(jù)包的持續(xù)傳輸時(shí)間都會(huì)影響碰撞的概率和吞吐量。同時(shí)，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(tǒng)需要有效的方法在參與節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)資源共享。在陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一些實(shí)現(xiàn)資源共享的方法已經(jīng)成熟，然而水下無線傳感器所具有的特性使得這些技術(shù)不能直接應(yīng)用。這些特性包括長(zhǎng)時(shí)延、衰減對(duì)頻率的依賴以及聲學(xué)系統(tǒng)元器件對(duì)帶寬的限制。在大部分的通信系統(tǒng)中信號(hào)可以按時(shí)分復(fù)用(TDMA)或者頻分復(fù)用(FDMA)的方式傳播。采用時(shí)分復(fù)用方案時(shí)，用戶輪流占用信道，從而使信號(hào)相互間不干擾。而采用頻分復(fù)用時(shí)，用戶信號(hào)被調(diào)制在不同的頻譜域，即使同時(shí)在信道上傳輸，但因頻率不同相互也不會(huì)影響。這些技術(shù)也被用于UWSNs。但是，由于聲學(xué)調(diào)制器的限制，F(xiàn)DMA被用作SeaWeb的早期部署，即使在頻譜之間利用了保護(hù)帶，不同用戶間仍然存在很多干擾，并且這種依據(jù)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(shí)間同步，以保證他們的訪問時(shí)間點(diǎn)不相交。許多方案和協(xié)議都是基于這樣的結(jié)構(gòu)，然而都需要一些協(xié)調(diào)和保護(hù)時(shí)隙來補(bǔ)償傳播時(shí)延的不一致性。

除此之外，一個(gè)比較成熟的技術(shù)是碼分復(fù)用(CDMA)[11]。CDMA是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號(hào)的一種復(fù)用方式。使用專門設(shè)計(jì)的代碼組合，把各路信號(hào)區(qū)分開，其所付出的代價(jià)就是擴(kuò)展了帶寬，但在聲音信道帶寬只有幾十千赫茲的水下，對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。目前基于CDMA的結(jié)合功率控制技術(shù)的MAC層協(xié)議已經(jīng)提出，它不要求時(shí)間同步，并且可以抵抗多徑效應(yīng)。

雖然這些確定性技術(shù)可以直接在多用戶系統(tǒng)中使用，但數(shù)據(jù)通信節(jié)點(diǎn)通常使用基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議，規(guī)定節(jié)點(diǎn)決定何時(shí)在一個(gè)共享信道上傳輸?shù)囊?guī)則。在ALOHA協(xié)議中，每當(dāng)需要隨機(jī)訪問和使終端從錯(cuò)誤中恢復(fù)時(shí)(信號(hào)的重疊，即碰撞)節(jié)點(diǎn)就發(fā)送數(shù)據(jù)。之后，學(xué)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(fā)送數(shù)據(jù)。在無線網(wǎng)絡(luò)中CSMA/CA一直被廣泛應(yīng)用，但在水下遇到延遲(長(zhǎng)達(dá)幾秒)時(shí)非常低效(比ALOHA更糟)。事實(shí)上，由于其較差的吞吐量，ALOHA很少在無線電系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，將CSMA與ALOHA結(jié)合是一個(gè)候選協(xié)議。

根據(jù)CSMA/CA 改進(jìn)的專門為UWSNs設(shè)計(jì)的協(xié)議的兩個(gè)例子有基于距離感知的碰撞避免協(xié)議(DACAP)和T-Lohi協(xié)議。前者是依據(jù)最初的數(shù)據(jù)交換，為有數(shù)據(jù)要傳送的節(jié)點(diǎn)預(yù)留信道，從而降低碰撞的概率。后者是節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送窄帶信號(hào)來傳遞其意圖，如果沒有聽到信道上有其他的數(shù)據(jù)傳送的聲音，該節(jié)點(diǎn)便傳輸數(shù)據(jù)，但它采用高聲波延遲方式計(jì)數(shù)競(jìng)爭(zhēng)者，這在無線電通信中是不可能實(shí)現(xiàn)的。

較長(zhǎng)的傳播時(shí)延會(huì)導(dǎo)致效率低下，因此同步允許協(xié)議利用空時(shí)交叉，讓數(shù)據(jù)包在時(shí)間上重疊但是在空間上不交叉。圖5是這個(gè)原理的一個(gè)實(shí)例。與時(shí)延較短的無線電通信不同，時(shí)延較長(zhǎng)的聲音信號(hào)并發(fā)數(shù)據(jù)可以被成功接收(圖5(a))，但在不同時(shí)間發(fā)出的數(shù)據(jù)包也可能發(fā)生碰撞(圖5(b))[12]。在圖5(a)中：A和E相距較遠(yuǎn)，即使他們同時(shí)給節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)，B也可能成功接收2個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。在圖5(b)中：即使節(jié)點(diǎn)A和E不同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)B，但仍可能在節(jié)點(diǎn)B發(fā)生碰撞。盡管如此，在大多數(shù)情況下，在大型網(wǎng)絡(luò)中的有些議可以實(shí)現(xiàn)本地同步，并用于提高效率。目前，關(guān)于系統(tǒng)中一個(gè)時(shí)隙被多個(gè)節(jié)點(diǎn)訪問的協(xié)議已經(jīng)被提出來。FAMA協(xié)議是一個(gè)分散的、基于CSMA的協(xié)議，通過同步減少碰撞的概率，但由于使用了保護(hù)時(shí)間，時(shí)延更長(zhǎng)。水下無線聲網(wǎng)絡(luò)媒體接入控制協(xié)議是另一個(gè)類似的協(xié)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(shí)交叉

2.2.3網(wǎng)絡(luò)層

UWSNs路由協(xié)議的設(shè)計(jì)是目前UWSNs領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Pompili等提出了早期的路由協(xié)議。針對(duì)時(shí)延敏感和不敏感的應(yīng)用，除了考慮應(yīng)用需求，還要針對(duì)UWSNs特點(diǎn)選擇能耗較少的下一跳節(jié)點(diǎn)。Zorzi等提出地理路由方法，證明本地節(jié)點(diǎn)可以從能量最優(yōu)的角度確定它的下一跳節(jié)點(diǎn)。此外，功率控制、深度路由也可以本地化地決定下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)[13]。

在水下聲音信道中，傳輸層協(xié)議是設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵問題。在專門為中低程度時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議(如TCP)中，在有限的帶寬和丟包率較高的水下環(huán)境下，端到端的重傳機(jī)制性能表現(xiàn)很差。例如，Cui 和Xie提出的傳輸層協(xié)議使用了糾刪碼，并且以塊為單位逐跳傳輸。網(wǎng)絡(luò)編碼和前向糾錯(cuò)也可以用在給定時(shí)延較長(zhǎng)的情況下，編碼的好處來自于最優(yōu)編碼和反饋。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)可能更好匹配許多水下網(wǎng)絡(luò)，以避免端到端的重傳和支持非常稀疏、經(jīng)常斷線的網(wǎng)絡(luò)。

更高層的水下數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議方面的研究成果還很少，通常使用固定的解決方案。文獻(xiàn)[12]提出利用同步的數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)和檢索協(xié)議進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。

此外，拓?fù)淇刂剖荱WSNs的另一個(gè)重要問題，可以采取節(jié)點(diǎn)睡眠降低能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。在這個(gè)方案中，雖然協(xié)調(diào)和調(diào)度機(jī)制可以使用，但是在水下聲設(shè)備能通過聲信號(hào)喚醒，不需要額外的硬件設(shè)施，因此在UWSNs 中可以通過按需喚醒節(jié)點(diǎn)來獲得一個(gè)近乎完美的拓?fù)淇刂茩C(jī)制。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的海底地震試驗(yàn)(SNUSE)中調(diào)制解調(diào)器，通過集成到媒體訪問協(xié)議(MAC)層，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)這樣的低功率喚醒電路，底棲生物調(diào)制解調(diào)器也具有喚醒模式。

3　UWSNs面臨的挑戰(zhàn)

3.1代價(jià)高的問題

UWSNs元器件的制造，網(wǎng)絡(luò)的布置、維護(hù)以及恢復(fù)代價(jià)相對(duì)于陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常高的。一個(gè)典型的UWSNs節(jié)點(diǎn)硬件大約花費(fèi)1萬美元，而一個(gè)陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)僅僅花費(fèi)100美元。制造一個(gè)堅(jiān)固的耐壓殼體需要花費(fèi)3 000美元，一個(gè)簡(jiǎn)單的水下連接器需要花費(fèi)100美元，海洋研究船每天花費(fèi)達(dá)5 000～25 000美元。

3.2能量消耗和能量獲取問題

因?yàn)樵赨WSNs中，傳感器節(jié)點(diǎn)布置在水下，節(jié)點(diǎn)供電只能通過電池，當(dāng)電池電量用完后節(jié)點(diǎn)即死亡，所以UWSNs的設(shè)計(jì)必須考慮有限的能量，尤其是在使用AUVs、ROVs及UUVs的網(wǎng)絡(luò)中需要額外的推進(jìn)能量。因此，新的能量有效的協(xié)議的提出迫在眉睫。

3.3節(jié)點(diǎn)的定位問題

對(duì)于陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)都是固定的，通?？梢酝ㄟ^到達(dá)角和接收信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)精確的定位[14-15]。在UWSNs中，節(jié)點(diǎn)布置得比較稀疏，陸地上使用的定位技術(shù)都無法應(yīng)用。此外，一些其他的定位技術(shù)也不能使用，例如GPS技術(shù)就不能在水下應(yīng)用。

3.4時(shí)間同步問題

在陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)中，用RF通信，傳播時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)，時(shí)延非常大。此外，在UWSNs中，時(shí)鐘漂移也影響節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步[10]。

3.5UWSNs壽命短的問題

UWSNs要承受傳感器節(jié)點(diǎn)的腐蝕。電子元器件，例如電池，在溫度非常低的水下會(huì)降解，所以UWSNs壽命比陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)要短得多，這就導(dǎo)致了更多的置換和維護(hù)成本。

3.6通信質(zhì)量問題

通信質(zhì)量是UWSNs面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。水下通信中信號(hào)的傳播衰減、噪聲、多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)以及大的傳播時(shí)延極大影響了UWSNs通信質(zhì)量。不能全雙工通信是水下通信面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。標(biāo)準(zhǔn)的聲學(xué)傳感器不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。同時(shí)，在水下通信中，發(fā)送功率是接收功率的100多倍，這導(dǎo)致了通信的不對(duì)稱。高的傳播時(shí)延及低的數(shù)據(jù)傳輸率也使得傳統(tǒng)的載波偵聽方法無法在UWSNs中使用。

3.7失效節(jié)點(diǎn)的修復(fù)和替換問題

因?yàn)橛布栴}或者由于電池能量耗完，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能失效。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。水下節(jié)點(diǎn)非常昂貴，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都不存在備份。中間節(jié)點(diǎn)隨著時(shí)間的推移，故障會(huì)越來越多，而中間節(jié)點(diǎn)的故障，即使是非致命性的，也難以診斷和修復(fù)。

3.8信道容量有限的問題

在傳輸5 kbit信息時(shí)，通信鏈路最遠(yuǎn)只能達(dá)到8 km的距離。在淺水域,2 km通信范圍內(nèi)，一般只能傳輸5～80 kbit數(shù)據(jù)[17]。

3.9網(wǎng)絡(luò)安全的問題

UWSNs安全是另一個(gè)非常重要的挑戰(zhàn)，但這個(gè)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(fā)送數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度直接決定了網(wǎng)絡(luò)的能量使用情況，而安全需要在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上額外增加數(shù)據(jù)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(jié)束語

由于UWSNs的特性，使得現(xiàn)存的許多協(xié)議和技術(shù)都不能直接得到應(yīng)用，而合適的協(xié)議對(duì)于系統(tǒng)性能的提高起著至關(guān)重要的作用。今后主要應(yīng)研究適合UWSNs的協(xié)議，通過設(shè)計(jì)更適合于UWSNs的協(xié)議提高系統(tǒng)能量效率、降低時(shí)延和誤碼率、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。同時(shí)，UWSNs的安全也是一個(gè)亟待解決的問題。

[1]XIE P,CUI J H,LAO L.VBF:Vector-Based Forwarding Protocol for Underwater Sensor Networks[C]//Proceedings of the 5th international IFIP-TC6 conference on Networking Technologies,Services,and Protocols; Performance of Computer and Communication Networks; Mobile and Wireless Communications Systems.[S.l.]:Springer-Verlag,2006.

[2]FAUGSTADMO J E,PETTERSEN M,HOVEM J M,et al.Underwater Wireless Sensor Network[C]//International Conference on Sensor Technologies and Applications.[S.l.]:IEEE Computer Society,2010.

[3]COUTINHO R W L,VIEIRA L F M,LOUREIRO A A F.DCR:Depth-Controlled Routing protocol for underwater sensor networks[C]//IEEE Symposium on Computers and Communications.[S.l.]:IEEE,2013.

[4]RAJALAKSHMI P,LOGESHWARan R.Performance analysis of cluster head selection routing protocol in underwater acoustic wireless sensor network[C]//Electronics and Communication Systems (ICECS),2015 2nd International Conference on.[S.l.]:IEEE,2015.

[5]何明,梁文輝,陳國(guó)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,2013,28(12):1761-1770.

[6]金志剛,蘇毅珊,劉自鑫,等.基于運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議[J].電子與信息學(xué)報(bào),2013(3):728-734.

[7]王一楠.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署策略和算法[D].南京：南京郵電大學(xué),2013.

[8]CUI J H,KONG J,GERLA M,et al.The challenges of building mobile underwater wireless networks for aquatic applications[J].IEEE Network,2006,20(3):12-18.

[9]魏志強(qiáng),楊光,叢艷平.水下傳感器網(wǎng)絡(luò)安全研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2012,35(8):1594-1606.

[10]STOJANOVIC,M.STOJANOVIC M.On the relationship between capacity and distance in an underwater acoustic communication channel[J].Acm Sigmobile Mobile Computing & Communications Review,2006,11(4):41-47.

[11]王彥，沈攀，王超.基于MATLAB/simulink的GO-MC-CDMA系統(tǒng)通信性能仿真研究[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(3):330-333.

[12]VASILESCU I,KOTAY K,Rus D,et al.Data collection,storage,and retrieval with an underwater sensor network[C]// International Conference on Embedded Networked Sensor Systems.ACM.[S.l.]:IEEE,2005.

[13]ZHOU Z,YAO B,XING R,et al.E-CARP:An Energy Efficient Routing Protocol for UWSNs in the Internet of Underwater Things[J].IEEE Sensors Journal,2015(1):1.

[14]唐松，尼瑪扎西，高定國(guó)． 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J]． 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2015(5):112 -118．

[15]李獻(xiàn)禮.基于多目標(biāo)優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制算法[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(1):155-159.

[16]屈峰，楊華， 王立軍，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào),2013(2):111-113.

[17]LANBO L,SHENGLI Z,JUN H C.Prospects and problems of wireless communication for underwater sensor networks[J].Wireless Communications & Mobile Computing,2008,8(8):977-994.

(責(zé)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(jì)劃科研合作項(xiàng)目(Z2015065);青海省科技廳項(xiàng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)綜述[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(8):92-98.