李梅菊

(青海民族大学 物电学院， 西宁　810007)



水下无线传感器网络综述

李梅菊

(青海民族大学 物电学院， 西宁810007)

水下无线传感器网络具有高时延、邻居节点不固定、能量有限、误码率高的特点，这使得在陆地无线传感器网络中使用的技术及协议无法直接在水下无线传感器网络中使用。针对该问题，介绍了目前水下无线传感器网络的应用领域，分析了3种常见的水下无线传感器网络结构以及各层的技术问题；从设备成本、协议、安全、能量效率、硬件寿命、通信质量等方面分析了水下无线传感器网络面临的挑战；对水下传感器网络今后的研究方向进行了展望。

无线传感器网络；网络结构；应用领域；挑战

地球是一个大水球，几十年来，人类一直努力于水下环境及生物的科学探测、商业开发以及海洋环境的保护。高精度、实时的和时空交叉的连续水生监测系统在许多应用领域极其重要，例如海洋数据的收集、污染监测等。无线传感技术和运输设备的进步推动了水下无线传感器网络(UWSNs)的发展。UWSNs多用声音通信，作为补充的通信技术有光纤通信、无线电通信、射频通信等，这些通信技术通常具有较高的带宽，但由于在水下衰减很快，通常只能传播1～10 m，故只能作为短距离通信，这就要求更大的发射功率或者很大的接收天线。在水下环境中，声学通信系统可以传输更远的距离， 但是它受以下几方面的制约[1]：

1) 低带宽和高时延

声音信号在水下的传播速度是1 500 m/s，这比无线传播速度低了5个数量级。更重要的是，水下声音信号可用的通信带宽很小，只有几十千比特。目前还没有在40 km范围内带宽达到几十千比特的产品。

2) UWSNs 是动态的

在UWSNs中，大量的传感器节点会随着水流而移动，只有部分节点被固定在底部或者被水面上的浮标固定。在通常情况下，水下物体移动速度大约为3～6 km/s。这种移动导致了节点邻居的不稳定，为路由协议的设计带来了极大挑战[2]。

3) 高误码率

水下信道受多种因素影响，例如传播损耗、噪声、多径效应以及多普勒效应等。所有这些因素都会导致系统有很高的误码率和不稳定的时延。因此，数据在水下传输是很容易出错的，同时传感器节点在恶劣的水下环境中很容易失效。相对于陆地上的传感器节点，水下节点有更大的失效率。

4) 三维结构

水下传感器节点通常布置在三维空间，不同于陆地传感器的二维结构。这些特点使得现存的陆地传感器技术不能直接应用到UWSNs,致使UWSNs从协议到具体技术都出现了许多新的问题。因此，近几年一些学者针对UWSNs的实际特点，研究了适合UWSNs的技术和协议。

本文通过分析UWSNs 的应用领域、常见的UWSNs网络结构以及当前面临的挑战，以期为今后UWSNs的研究提供参考。

1　UWSNs应用领域

随着无线传感器网络技术的发展，基于水下无线传感器技术的应用越来越多。这些应用的出现一方面是基于地球上水面覆盖面积占整个地球表面的70%，另一方面由于电子、微电子系统、水下通信、水下传感器技术以及隔水设备的发展。可以把许多UWSNs的应用分类为检测应用，这包括水质分析、污染监控、洋流监控、渔业及微生物追踪、水压及温度测试、电导率及盐度分析。此外，还包括水下石油汽油管道以及其他水下设备的监测[3]。

地震勘测是另一项水下传感器网络的重要应用，因为大部分的油气资源储备在水下。为了进行油气勘测必须频繁地进行地震监测。在油气探测中，从传感器节点获取的数据需要与对应的传感器节点的位置一一对应[4]。

UWSNs可以被用来导航和控制。水下自动车辆(AUV)、远程操作车辆(ROVs)、无人驾驶车辆(UUV)可以皮确定参考位置。例如固定在海洋底部传感器节点已知自己的位置，可以通过AUV、ROV或者UUV为其他的传感器节点提供位置参考。水下传感器节点也可以为过往的船只提供船锚的位置或者是否已非法侵入浅走廊等有价值的信息，同时水下传感器节点还可与潜水员进行通信[5]。

UWSNs还可以被用在军事和安全领域。固定在海底的传感器节点可以用作监控工具。水下战争、水下航行、水下袭击以及水下狩猎都可以通过水下传感器发起并控制。UWSNs也被用作保证重要设施的安全，例如出口设施、船只以及水下锚。在军事领域的进一步应用主要聚焦在监测和干扰敌方目标。

此外，UWSNs可被用作灾难预测，例如UWSNs可以提供海啸报警、检测油气管道腐蚀情况等。

2　UWSNs网络结构

2.1网络结构分类

UWSNs可以按照不同的标准分类[6]：一种是按照节点的移动性分为静态、半静态和动态网络；另一种常见的分类是根据是否考虑节点深度分为二维拓扑结构和三维拓扑结构；第3种是根据节点到达目的节点的跳数分为单跳、多跳和混合网络；还可以根据网络对时延的敏感性分为时延敏感网络和时延不敏感网络。

图1为常见的二维UWSNs结构。一部分节点放在水的底部，通常体积比较小，用电池供电，传输信号通过声学信道传输。簇头固定在海洋底部。簇头除了装有声学调制器，还装有远距离的垂直方向调制器，该调制器负责簇头与位于水表面的基站进行通信。这些大范围的调制器可以是声学、光学或者RF调制器，其中声学调制模式最常见。在簇内，簇头在水平方向通过声学调制器和其他节点通信，数据从节点到簇头可以是单跳或者多跳。由于采用多跳方式时数据在两点之间传输距离更短，所以更节省能量。然而，在多跳网络中网络维护和节点配置更复杂[7]。

图1　二维UWSNs结构

图2为三维UWSNs结构。在二维结构中使用的节点三维结构依然可以使用，只是节点被固定在距离水平面不同深度的位置。可以通过固定在水平面的浮标控制传感器节点的深度。三维网络结构可以使所有的节点直接与位于水面的基站通信或者仅通过一个簇头与基站通信。在前一种情况下，所有的节点都是等价的，它比后一种情况可能消耗更多的能量。当使用簇头的网络结构时，只有簇头需要进行远距离通信。三维网络结构可以更全面地研究指定区域，但该结构遇到的一个挑战是所有节点的定位以及保证所有的区域可以一直被覆盖。这个目标之所以难以达到是因为水流速度、水中的生物、过往的船只等都可能会破坏已放置好的节点，从而破坏正常的通信[8]。

图2　三维UWSNs结构

图3是借助AUVs、ROVs及UUVs作为网络节点的 UWSNs网络结构。这个结构最明显的特点是节点的移动，这会使节点必须重新配置并进行适当的调整，加大了网络控制的难度。同时，节点移动的网络会消耗更多的能量，这些额外消耗的能量可以通过低速滑翔和漂移抵消。然而移动的节点使得网络不可靠并且使网络寿命缩短[9]。

图3　借助AUVs、ROVs及UUVs作为网络

静态或者动态网络结构各有利弊。为了利用两种结构的优点，一种混合的UWSNs结构被提出。在该混合网络结构中，既有静态节点也有动态节点，数据以这种混合的方式从海洋底部传到海洋表面的数据中心。低速声音通信大部分被用于数据广播、网络维护、网络性能诊断等。光通信主要被用于移动节点(AUVs、ROVs及UUVs)与固定在海底的静态节点的通信。

2.2网络结构技术

2.2.1物理层

在水面上，电磁频谱占通信的主导地位，因为无线电和光纤通信在很小的功率下就可以提供远距离通信。而在水下，由于电磁频率被大量地吸收和散射，使得声波通信成为最佳的选择，尽管只能传输几十米远的距离。声波的传播可以分为几个阶段。基本衰减为在声波从一个位置到另一个位置距离为D时，特定的频率F上的功率损耗。第1个阶段(基本阶段)考虑在传输距离D上的固有功率损失。第2阶段考虑站点特定的损失。由于水表面的反射和折射，声音的速度随着水深的变化而变化，并提供了一个在给定的发射机周围声场的详细预测。第3阶段强调接收功率规模较大时由缓慢的变化引起的明显的随机变化，如潮汐。这些情况决定了在特定信道上所需要的传输功率，需要建立一种解决小范围瞬时功率快速变化的独立模型。

图4显示了在声学通信中衰减和噪声的综合影响。传播损耗函数为A(d,f),背景噪声的功率谱密度为N(f)，每10 m衰减18 dB。图4描述了频率为f的窄带信号的信噪比。由图4可见:随着频率增加，信号的衰减加快，这使得大部分千米范围内的调制器只可以工作在几十千比特以下，显示在指定的传输范围内存在最优的可用带宽。大规模系统的设计首先需要确定所用的频率，并需要为它分配合适的带宽[10]。

多径传播引起回声和不稳定的时延，时延的大小依赖于节点的相对位置，从几毫秒到几百毫秒。在宽带系统中，这会导致频率选择信道传输函数在不同频率的元器件中展示出非常不同的衰减。信道响应和瞬时功率经常表现出小规模、快速的变化，这主要是由散射、海平面的快速运动或者系统本身所引起的。大范围的变化影响发送者的功率控制，小范围的变化影响接收端自适应信号处理算法的设计。

图4　频率与距离对信号衰减影响

节点有向的运动以多普勒效应的形式引起额外的时间变动。一个典型的AUV以几米每秒的速度运动，而自由漂浮的平台可以随水流以近似的速度漂流。由于声音传播速度很慢，接收或者发送的速率仅是声音传播速度的0.1%，也就是说很有必要在时间同步方面做出努力。与无线电系统相比，这个差别是很明显的。在无线电系统中通常不会考虑时间同步问题，而只考虑中心频率的偏移。

为了避免较长的传播时延和随时间变化的相位失真，早期的系统通常采用频移键控法调制和非相干检测。尽管这些方法不能有效地利用带宽，但是在速率较低时使系统有一定的鲁棒性。

对于单载波宽带系统，最初的研究聚集在自适应均衡和同步，这也促使水下通信能以几千比特每秒的速率通过不同的链路。

物理层的研究表明：声音的传播是数据传输的关键，对于设计合适的网络至关重要。如图4所示，可用带宽随距离增加而降低，这就要求数据以多种形式传输。在声学通信系统中，将长距离的通信分为几跳传输不仅降低了功率要求，同时可以适当增加传输带宽。更大的带宽产生更大的比特率和更小的包。包越小意味着在传播时延不可忽略的情况下数据在链路上发生碰撞的机会越小。

物理层的特点影响着数据链路层以及更高层。例如，同样的网络协议在不同的频率分配下可能表现出的性能完全不同，运行在更高频率下会引起更大的衰减，但是干扰也会随之降低很多，使整体性能得到提高。另外，传播延迟和数据包的持续传输时间都会影响碰撞的概率和吞吐量。同时，功率控制和合适的路由都可以有效降低干扰。

2.2.2MAC层

多用户系统需要有效的方法在参与节点间实现资源共享。在陆地无线传感器网络中，一些实现资源共享的方法已经成熟，然而水下无线传感器所具有的特性使得这些技术不能直接应用。这些特性包括长时延、衰减对频率的依赖以及声学系统元器件对带宽的限制。在大部分的通信系统中信号可以按时分复用(TDMA)或者频分复用(FDMA)的方式传播。采用时分复用方案时，用户轮流占用信道，从而使信号相互间不干扰。而采用频分复用时，用户信号被调制在不同的频谱域，即使同时在信道上传输，但因频率不同相互也不会影响。这些技术也被用于UWSNs。但是，由于声学调制器的限制，FDMA被用作SeaWeb的早期部署，即使在频谱之间利用了保护带，不同用户间仍然存在很多干扰，并且这种依据频谱划分信道的方法非常不灵活。TDMA更加灵活，但是要求所有用户时间同步，以保证他们的访问时间点不相交。许多方案和协议都是基于这样的结构，然而都需要一些协调和保护时隙来补偿传播时延的不一致性。

除此之外，一个比较成熟的技术是码分复用(CDMA)[11]。CDMA是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。使用专门设计的代码组合，把各路信号区分开，其所付出的代价就是扩展了带宽，但在声音信道带宽只有几十千赫兹的水下，对系统性能影响较大。目前基于CDMA的结合功率控制技术的MAC层协议已经提出，它不要求时间同步，并且可以抵抗多径效应。

虽然这些确定性技术可以直接在多用户系统中使用，但数据通信节点通常使用基于竞争的协议，规定节点决定何时在一个共享信道上传输的规则。在ALOHA协议中，每当需要随机访问和使终端从错误中恢复时(信号的重叠，即碰撞)节点就发送数据。之后，学者们提出载波侦听多路访问(CSMA)方案。在CSMA中采用传输前侦听的方法避免在已占用的信道上发送数据。在无线网络中CSMA/CA一直被广泛应用，但在水下遇到延迟(长达几秒)时非常低效(比ALOHA更糟)。事实上，由于其较差的吞吐量，ALOHA很少在无线电系统中应用。因此，将CSMA与ALOHA结合是一个候选协议。

根据CSMA/CA 改进的专门为UWSNs设计的协议的两个例子有基于距离感知的碰撞避免协议(DACAP)和T-Lohi协议。前者是依据最初的数据交换，为有数据要传送的节点预留信道，从而降低碰撞的概率。后者是节点通过发送窄带信号来传递其意图，如果没有听到信道上有其他的数据传送的声音，该节点便传输数据，但它采用高声波延迟方式计数竞争者，这在无线电通信中是不可能实现的。

较长的传播时延会导致效率低下，因此同步允许协议利用空时交叉，让数据包在时间上重叠但是在空间上不交叉。图5是这个原理的一个实例。与时延较短的无线电通信不同，时延较长的声音信号并发数据可以被成功接收(图5(a))，但在不同时间发出的数据包也可能发生碰撞(图5(b))[12]。在图5(a)中：A和E相距较远，即使他们同时给节点B发送数据，B也可能成功接收2个节点发来的数据。在图5(b)中：即使节点A和E不同时发送数据给节点B，但仍可能在节点B发生碰撞。尽管如此，在大多数情况下，在大型网络中的有些议可以实现本地同步，并用于提高效率。目前，关于系统中一个时隙被多个节点访问的协议已经被提出来。FAMA协议是一个分散的、基于CSMA的协议，通过同步减少碰撞的概率，但由于使用了保护时间，时延更长。水下无线声网络媒体接入控制协议是另一个类似的协议，目的是通过睡眠模式和本地同步最大限度地减少能耗。

图5　空时交叉

2.2.3网络层

UWSNs路由协议的设计是目前UWSNs领域的研究热点。Pompili等提出了早期的路由协议。针对时延敏感和不敏感的应用，除了考虑应用需求，还要针对UWSNs特点选择能耗较少的下一跳节点。Zorzi等提出地理路由方法，证明本地节点可以从能量最优的角度确定它的下一跳节点。此外，功率控制、深度路由也可以本地化地决定下一跳转发节点[13]。

在水下声音信道中，传输层协议是设计的另一个关键问题。在专门为中低程度时延的网络设计的协议(如TCP)中，在有限的带宽和丢包率较高的水下环境下，端到端的重传机制性能表现很差。例如，Cui 和Xie提出的传输层协议使用了纠删码，并且以块为单位逐跳传输。网络编码和前向纠错也可以用在给定时延较长的情况下，编码的好处来自于最优编码和反馈。延迟容忍网络可能更好匹配许多水下网络，以避免端到端的重传和支持非常稀疏、经常断线的网络。

更高层的水下数据分发协议方面的研究成果还很少，通常使用固定的解决方案。文献[12]提出利用同步的数据收集、存储和检索协议进行环境监测。

此外，拓扑控制是UWSNs的另一个重要问题，可以采取节点睡眠降低能耗、延长网络寿命。在这个方案中，虽然协调和调度机制可以使用，但是在水下声设备能通过声信号唤醒，不需要额外的硬件设施，因此在UWSNs 中可以通过按需唤醒节点来获得一个近乎完美的拓扑控制机制。在传感器网络的海底地震试验(SNUSE)中调制解调器，通过集成到媒体访问协议(MAC)层，已经实现这样的低功率唤醒电路，底栖生物调制解调器也具有唤醒模式。

3　UWSNs面临的挑战

3.1代价高的问题

UWSNs元器件的制造，网络的布置、维护以及恢复代价相对于陆地传感器网络是非常高的。一个典型的UWSNs节点硬件大约花费1万美元，而一个陆地传感器网络节点仅仅花费100美元。制造一个坚固的耐压壳体需要花费3 000美元，一个简单的水下连接器需要花费100美元，海洋研究船每天花费达5 000～25 000美元。

3.2能量消耗和能量获取问题

因为在UWSNs中，传感器节点布置在水下，节点供电只能通过电池，当电池电量用完后节点即死亡，所以UWSNs的设计必须考虑有限的能量，尤其是在使用AUVs、ROVs及UUVs的网络中需要额外的推进能量。因此，新的能量有效的协议的提出迫在眉睫。

3.3节点的定位问题

对于陆地传感器网络，节点都是固定的，通常可以通过到达角和接收信号强度实现精确的定位[14-15]。在UWSNs中，节点布置得比较稀疏，陆地上使用的定位技术都无法应用。此外，一些其他的定位技术也不能使用，例如GPS技术就不能在水下应用。

3.4时间同步问题

在陆地传感器网络中，用RF通信，传播时延小，可以忽略[16]。而在UWSNs中用声音通信，传播速度仅仅为1 500 m/s，比RF传播速度低5个数量级，时延非常大。此外，在UWSNs中，时钟漂移也影响节点间的时间同步[10]。

3.5UWSNs寿命短的问题

UWSNs要承受传感器节点的腐蚀。电子元器件，例如电池，在温度非常低的水下会降解，所以UWSNs寿命比陆地传感器网络要短得多，这就导致了更多的置换和维护成本。

3.6通信质量问题

通信质量是UWSNs面临的最严峻的挑战。水下通信中信号的传播衰减、噪声、多径效应、多普勒效应以及大的传播时延极大影响了UWSNs通信质量。不能全双工通信是水下通信面临的另一个挑战。标准的声学传感器不能同时进行发送和接收。同时，在水下通信中，发送功率是接收功率的100多倍，这导致了通信的不对称。高的传播时延及低的数据传输率也使得传统的载波侦听方法无法在UWSNs中使用。

3.7失效节点的修复和替换问题

因为硬件问题或者由于电池能量耗完，每一个节点都可能失效。一个节点的失效可能会导致整个网络拓扑结构的改变。水下节点非常昂贵，每一个节点都不存在备份。中间节点随着时间的推移，故障会越来越多，而中间节点的故障，即使是非致命性的，也难以诊断和修复。

3.8信道容量有限的问题

在传输5 kbit信息时，通信链路最远只能达到8 km的距离。在浅水域,2 km通信范围内，一般只能传输5～80 kbit数据[17]。

3.9网络安全的问题

UWSNs安全是另一个非常重要的挑战，但这个问题通常被忽略。安全问题很难解决的原因是水下信道容量有限,所发送数据包的长度直接决定了网络的能量使用情况，而安全需要在原始数据的基础上额外增加数据包的大小，这占用了UWSNs有限的硬件和软件资源，使得能量效率更低[9]。

4　结束语

由于UWSNs的特性，使得现存的许多协议和技术都不能直接得到应用，而合适的协议对于系统性能的提高起着至关重要的作用。今后主要应研究适合UWSNs的协议，通过设计更适合于UWSNs的协议提高系统能量效率、降低时延和误码率、延长网络寿命。同时，UWSNs的安全也是一个亟待解决的问题。

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(责任编辑刘舸)

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

教育部春晖计划科研合作项目(Z2015065);青海省科技厅项目(2016-ZJ-601)

李梅菊(1985—),女, 河北邯郸人，博士研究生，主要从事无线网络研究，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.水下无线传感器网络综述[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(8):92-98.