【2015-12】水下传感器网络综述

1水声通信

由于声音（Acoustic）在水中的衰减低，声波通信成为在水下环境中最通用和应用最广泛的技术，尤其是在热稳定的深水区域。声波通信的主要限制因素是浅水区域中的温度梯度差异、海面噪声和反射折射引起的多径传播；次要的限制因素是水中声速（约为1500米/秒）慢，也限制了其通信效率。所以，水声通信受到严重的带宽限制和干扰限制，难以实现短距离、高带宽通信。综观整个水声通信的发展历程，就是不断地与这些干扰相抗争的过程。例如：根据不同的干扰特点，选择抗干扰能力强的编（解）码方法和调制方式；采用各种抑制干扰的技术；采用分集的办法来抵抗衰落；采用均衡技术抵消信道缺陷引起的畸变；采用自适应技术来适应信道特性的变化以及增加功率等。水声通信在几KHz到几十KHz的带宽下，可以实现1-2000公里距离的通信，在小于1公里范围的短距离通信中，水声通信在几十KHz带宽下，数据传输速率可达100kbps，带宽效率可达几个bits/sec/Hz。

2水下无线通信网络安全关键技术研究

研制低成本、高能效、高可靠性、高安全性的水下无线通信网络对于海洋环境监控、海洋资源开发等研究领域具有重要的理论意义和经济价值。由于受自身特性限制和水声通信环境制约，水下无线通信网络面临各种威胁和攻击，然而现有的水下通信研究多以节省能耗、延长网络寿命为出发点，忽视了潜在的安全问题。因此，研究现有水下无线通信技术存在的安全隐患，针对其面临的安全威胁和安全需求，设计适用于水下无线通信网络的安全技术和安全体系，具有重要的意义。本文对水下无线通信网络的若干安全关键技术进行了研究，并提出了一种适用于水下无线通信网络的安全体系。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)最早可以追溯到20 世纪末，它以其低成本、低能耗、自组织和分布式的特点为网络带来了一场信息感知的变革。无线传感器网络在城市管理、环境监测、军事国防、生物医疗等领域都表现出了很好的应用前景。在国际上它被认为是继互联网之后的第二大网络，被评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。无线传感器网络具有规模大、自组织、动态性、鲁棒性、应用相关、以数据为中心等特性，能更真实有效的获取客观的物理信息，并将其与现代传输网络紧密结合在一起，因此不断受到越来越多国家学术界和工业界的高度重视和密切关注。

海洋以其70%的地球覆盖率逐渐受到世界各国的重视，海洋的开发与发展被认为是人类生存和不断发展的必经之路。随着无线传感器网络的发展成熟以及各国对海洋权益的日益重视，水下传感器网络以其低成本、高可靠特征逐渐受到世界各国学术界的关注，成为21 世纪一个新的研究热点。水下传感器网络通过部署在指定海域的具有自组织能力的传感器节点获取所需的各种海洋监测信息，然后对其进行一定的处理之后传输给基站，最后经由卫星送达用户。水下传感器网络的应用涵盖多个领域，包括水下开发、灾难预警、水下环境监测、数据收集、辅助导航、海底军事等。

水下传感器网络部署在极为复杂的水下环境中，而无线电波在海水中的衰减十分严重，因此以声波作为信息载体的水声通信成为水下传感器网络的主要通信方式。这也使得水下传感器网络具备许多不同于陆上传感器网络的特性。首先，大多数陆上传感器节点都是静止不动的，而水下传感器节点则随着海水的运动不断移动，通常一个传感器节点每秒随水流移动2-3米；其次，水下传感器节点与陆上传感器节点的能耗不同，一些重要的水下应用需要大量数据，这使得水下传感器节点的体积偏大，对于水下传感器来说电池的更换工作是很困难的，从海底取回节点耗时耗力；第三，水下信道带宽低、数据传输率低，尽管水声通信根据带宽和通信范围分为多个类别，但在短期内，其数据传输率在1km距离内很难超过40kb/s。这些都为水下传感器网络的研究和发展带来了新的挑战。

水下信道的低带宽、高衰减、高延迟和高误码率等特性使得陆地传感器网络的相关协议无法直接适用于水下，对适用于水下通信和应用的新协议的研究迫在眉睫。路由协议是协议栈的重要组成部分，也是国内外研究者们研究的热点之一。路由协议主要负责源节点和目标节点之间通信路径的建立和维护问题。对水下传感器网络来说，路由协议的设计面临的挑战主要有网络的动态性、节点能耗、节点配置以及数据融合等问题。目前陆上传感器网络的路由技术得到了充分的发展，但针对水下传感器网络路由协议的研究成果依然较少，针对水下传感器网络设计高效的路由协议对于推动水下传感器网络的发展意义重大。

3水下传感器网络研究现状

早在上世纪90年代，水下传感器网络就受到了美国研究者的关注。1993年，麻省理工学院和美国海洋研究署联合开发的自主式海洋采样网络计划(AOSN)首次提出了水下声学网络的概念。接着，美国又启动了多个水下传感器网络的项目，包括：由ONR(Office of Naval Research)发起的DADS(Deployable Autonomous Distributed System)项目，这个项目主要是开发一个水下通信网络用来对潜艇和水面的行船进行检测和跟踪，并验证建立一个协作检测和数据融合系统的可行性；Seaweb项目是DADS 的一个扩展项目，主要是为DADS提供控制、通信、命令和导航等功能，已经进行了多次海上测试，最多节点数已经达到了17个；NOPP(National Oceanographic Partnership Program)资助的FRONT(Front Resolving Observational Network with Telemetry)项目，该项目涉及多个学科，目标是开发可实时的远程探测海洋速度、温度和盐度结构的一种技术。

WUWNet(The International Workshop on Underwater Networks)是水下传感器网络的顶级学术会议，于2006年在洛杉矶举办第一届，迄今为止已成功举办六届。我国对水下传感器网络的研究起步相对较晚，目前仍处于仿真研究阶段。研究机构也相对较少，主要包括中国科学院声学研究所、华中科技大学、东南大学、哈尔滨工程大学以及中国海洋大学等。研究内容涵盖水声信道仿真技术、调制解调、水下定位和导航、各层协议、水下机器人等方面，并进行了一些海上组网实验，取得了一定的研究成果。

4路由协议概述

在水下传感器网络五层协议栈中，网络层主要负责在源节点和目的节点之间建立一条消息传输路径，即实现路由功能。复杂的水下环境给网络层路由协议的设计带来了全新的挑战。水下传感器节点通信半径和覆盖面积较小，事先在源节点和目的节点之间建立一条完整的通信路径是不现实的，因此水下传感器网络主要采用多跳传输的路由机制。这种消息中继的方式要求多个节点共同协作完成消息从源节点到目的节点的传输，这就涉及到中间节点选择的问题，如何选择中间节点从而有效降低传输延迟、提高数据传输率是路由协议主要解决的问题。此外，水下传感器网络的路由协议还要具备以下特性：（1）可扩展性，能有效的检测和处理由于节点失效或移动造成的链路中断，适应不断变化的网络拓扑；（2）节能性，在保证消息传输效率的前提下，降低能量消耗是第一个要考虑的问题。在水下传感器网络中，节点大都是以电池供电的，电量十分有限，且电池的更换耗时耗力，因此，节能成为对各层协议设计的重要要求；（3）容错性和鲁棒性，在水下传感器网络中，节点的失效是很难避免的，造成节点失效的原因主要有两个：能量耗尽和环境因素，此外，水声信道的通信质量也很难保证，这就要求路由协议具有较好的鲁棒性，能有效避免部分节点的失效或链路的中断给整个网络造成影响。

路由协议历来是研究者们的研究热点，在过去几年里自组网和传感器网络的研究者们相继提出了多种路由协议。这些路由协议在不同的标准下有不同的分类方式。目前通常将路由机制分为三类：主动路由(Proactive Routing Protocol)、被动路由(Reactive Routing Protocol)