【2015-12】水下传感器网络综述
水下无线传感器网络
水下无线传感器网络摘要：水下无线传感器网络是一种包括声、磁场、静电场等的物理网络，它在海洋数据采集、污染预测、远洋开采、海洋监测等方面取得了广泛的应用，将在未来的海军作战中发挥重要的优势。
描述了水下无线传感器网络的研究现状，给出了几种典型的水下无线传感器网络的体系结构，并针对水下应用的特点，分析了水下无线传感器网络设计中面临的节点定位、传感器网络能量、目标定位等诸多难题，最后根据应用需求提出了水下无线传感器网络研究的重点。
关键词：水下无线传感器网络；能量；定位1．引言水下无线传感器网络是使用飞行器、潜艇或水面舰将大量的(数量从几百到几千个)廉价微型传感器节点随机布放到感兴趣水域，节点通过水声无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给接收者。
近年来，水下无线传感器网络技术在国内外受到普遍关注，正在被广泛用于海洋数据采集，污染预测，远洋开采，海难避免，海洋监测等。
水下无线传感器网络具有传统传感器技术无法比拟的优点[1]：传感器网络是由密集型、成本低、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃；分布节点的多角度和多方位的信息融合可以提高数据收集效率并获得更准确的信息；传感网络使用与目标近距离的传感器节点，从而提高了接收信号的信噪比，因此能提高系统的检测性能；节点中多种传感器的混合应用使搜集到的信息更加全面地反映目标的特征，有利于提高系统定位跟踪的性能；传感器网络扩展了系统的空间和时间的覆盖能力；借助于个别具有移动能力的节点对网络的拓扑结构的调整能力可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。
因此，传感器网络能够应用于恶劣的战场环境。
在军事领域，通过多传感器系统的密切协调，形成空-舰-陆基传感器构成的多传感器互补监视网络，对目标进行捕获、跟踪和识别。
水下无线传感器网络由于其应用环境的特殊性，要考虑海水盐度、压力、洋流运动、海洋生物、声波衰减等对传感器网络的影响，使水下无线传感器网络的设计比陆地无线传感器网络更难，对硬件的要求更高。
水下无线传感器网络技术研究
水下无线传感器网络技术研究I. 简介水下无线传感器网络技术是指将多个水下传感器节点组织成网络进行数据交换和处理的技术。
与传统的有线传感器网络技术相比，水下无线传感器网络技术的优势在于解决了大规模现场布放的难题，同时可以大大降低传输成本。
因此，水下无线传感器网络技术在海洋探测、海底资源开发、环境监测等方面有着广泛的应用前景。
II. 技术基础1. 水下信号传输模型水下信号传输模型是水下无线传感器网络技术的基础。
在水下环境中，声波是最常用的信号传输方式。
声波的传输特性主要受海洋水质、水温、盐度等因素影响。
因此，为了保证网络的可靠性，需要对水下信号传输模型进行深入的研究。
2. 节点设计水下传感器节点在设计上需要考虑到多种因素，如通信方式、电力来源、数据存储等。
同时，节点的尺寸和重量也需要尽量减小，以方便布放和维护。
3. 节点部署水下传感器节点的部署需要考虑到多个方面的因素，如水流、潮汐等自然条件，同时也考虑到对水下生态环境的影响。
因此，在进行节点部署时需要充分考虑到环境因素。
III. 研究现状目前，国内外已经有大量研究涉及到水下无线传感器网络技术。
其中，主要包括节点设计、数据传输和能源管理等领域。
1. 节点设计在节点设计方面，国内外研究者已经提出了各种各样的设计方案。
其中，一些新型节点可以通过天线直接将信号传输到海面上，省去了中继节点。
同时，一些节点还可以通过机械臂进行布置和收回，具有较高的可移动性和灵活性。
2. 数据传输水下无线传感器网络技术最重要的问题是如何确保信号的可靠传输。
为此，研究者已经提出了多种传输方式，如信号扩频和前向纠错等。
这些方法可以大大提高信号的传输质量和可靠性。
3. 能源管理水下传感器节点中的能源管理也是一个重要问题。
为了保证节点可以长期运行，需要提供对其能源的有效管理。
目前，一些研究者通过有效的节能措施和深度休眠技术解决了节点能源问题。
IV. 应用前景水下无线传感器网络技术在海洋探测、环境监测、海底资源开发等方面具有广泛的应用前景。
水下无线传感网络（WSN）国内外研究进展综述
⽔下⽆线传感⽹络（WSN）国内外研究进展综述⽔下⽆线传感⽹络（WSN）国内外研究进展综述⼀.研究背景与意义21 世纪是⼈类开始全⾯研究海洋特性并认识、开发、保护海洋的新世纪。
海洋经济占各国经济的⽐重越来越⾼。
⽔下⽆线传感器⽹络已经成为各国重点研究的⽅向。
⽔下⽆线传感器⽹络已经⼴泛的应⽤在灾难预警、污染物监控、⽔⽂数据的监测和采集、海洋资源勘探、辅助导航和海洋军事等众多领域。
⽆线传感器⽹络集成了传感器、微机电系统和⽹络三⼤技术，是⼀种全新的信息获取和处理技术。
⼆.⽆线传感⽹络的简介（1）⽆线传感器⽹络构成⽆线传感器⽹络(Wireless Sensor Network，简称WSN)被认为是21世纪最重要的技术之⼀，它将会对⼈类未来的⽣活⽅式产⽣巨⼤影响。
⿇省理⼯学院的《技术评论》杂志(Technology Review)评出了对⼈类未来⽣活产⽣深远影响的⼗⼤新兴技术，⽆线传感器⽹络位于这⼗种新技术之⾸。
⽆线传感器⽹络是由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微⼩节点通过⾃组织的⽅式构成，借助于节点中内置的各种传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从⽽探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压⼒、⼟壤成分、移动物的⼤⼩、速度和⽅向等众多我们感兴趣的信息。
（2）⽆线传感器⽹络的节点⽆线传感器⽹络典型的体系结构下图所⽰。
节点具有传感、信号处理和⽆线通信功能，它们既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。
通过⽹络⾃组织和多跳路由，将数据向⽹关发送。
⽹关可以使⽤多种⽅式与外部⽹络通信，如Internet、卫星或移动通信⽹络等，⼤规模的应⽤可能使⽤多个⽹关。
节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，通信距离较短，只能与⾃⾝通信范围内的邻居交换数据。
要访问通信范围以外的节点，必须使⽤多跳路由。
为了保证⽹络内⼤多数节点都可以与⽹关建⽴⽆线链路，节点的分布要相当的密集。
传感器⽹络节点具有以下⼏个典型组件：⽆线电收发装置（带有内部天线或外部天线连接装置）、微型控制器、传感器、数据采集接⼝、存储器、⽔声通信器，以及电源（通常为电池或嵌⼊式能量收集装置）等。
水下无线传感网络和通信技术研究
水下无线传感网络和通信技术研究随着人类对深海资源开发和海洋环境监控的需求不断增加，水下无线传感网络（Underwater Wireless Sensor Networks, UWSN）的研究日益受到关注。
水下无线传感网络是指将各种传感器分布于水下环境中，在水下进行监测、采集、传输及处理信息的网络系统。
而通信技术则是水下无线传感网络实现的关键技术之一。
本文将介绍水下无线传感网络和通信技术的研究现状、挑战及未来发展方向。
一、水下无线传感网络研究现状水下无线传感网络的研究可以追溯到20世纪80年代初期。
90年代末，水下传感技术得到了迅速发展，近年来，水下无线传感网络技术实现了快速的发展，普及了无线通信、数据库、智能算法等领域的技术的大力应用。
目前，已有众多国际学术期刊发表了大量水下无线传感网络的研究成果，一些国内外高校也开展了相关课程的教学和学术研究。
目前，水下无线传感网络已被广泛应用于海洋环境研究、海底资源勘探、海洋通信等领域。
例如，美国宾州大学利用水下无线传感网络建立了海水温度监测系统。
基于这一系统，科研人员可以及时监测到海水的温度变化，并根据这些数据预防海洋发生水温异常事件。
另外，还有利用水下无线传感网络实现的深海传感器节点控制技术、海洋生态系统监测技术等等。
二、水下无线传感网络通信技术的研究现状要完成水下无线传感网络中节点之间的通信，需要解决传输介质（水）的复杂性、水下信道的特殊性、信号被海水吸收等问题。
目前，水下无线传感网络的通信技术主要有电磁波、声波、光波三种，其中声波通信技术应用最为广泛。
目前，水下无线传感网络通信技术的研究主要集中在以下方面：1、水下无线传感网络通信理论的研究水下无线传感网络通信理论主要包括水下信道建模、干扰与衰落、接收信号检测等问题。
在研究水下无线通信的基础上，开发设计适用于水下无线传感网络通信的调制解调器、编码解码器、多址技术等技术。
2、水下无线传感网络通信标准的研究为了提升水下无线传感网络的互操作性、可扩展性，制定了水下无线传感网络通信标准。
工程勘察船的水下无线传感网络技术
工程勘察船的水下无线传感网络技术随着海洋资源的逐步开发和利用，工程勘察船在海洋勘察、石油勘探、港口建设等领域扮演着重要角色。
在进行海底勘测和数据采集的过程中，水下无线传感网络技术的应用可以极大地提高工程勘察船的效率和准确性。
水下无线传感网络技术是指通过水下传感器节点和水下通信设备构建的一种无线传感网络系统。
该技术可以实现对水下环境的实时监测、传感器节点之间的数据传输和协调控制。
对于工程勘察船来说，水下无线传感网络技术的应用具有以下几个方面的优势：首先，水下无线传感网络技术可以提高工程勘察船的勘测效率。
传统的水下勘测工作通常需要人工潜入水下进行操作，存在危险性和效率低下的问题。
而水下无线传感网络技术可以实现远程无线监测和控制，减少人工干预，提高勘测效率。
通过部署水下传感器节点，工程勘察船可以实时获取水下环境的温度、盐度、流速、浊度等数据信息，为勘测工作提供更准确的参考。
其次，水下无线传感网络技术可以提高工程勘察船的数据采集精度。
传统的勘测数据采集需要通过潜水员手动搜集数据，存在人为误差和数据不准确的问题。
而水下无线传感网络技术可以实现对多个水下传感器节点的数据同时采集和处理，减少了人为干扰和误差，提高了数据采集的准确性。
此外，水下传感器节点可以通过互相通信和协调，实现数据的自动校正和补偿，进一步提高数据采集的精度和可靠性。
此外，水下无线传感网络技术可以提高工程勘察船的实时监测能力。
在海洋工程勘察和建设过程中，对海洋环境的实时监测是十分重要的。
传统的监测方法往往存在采样周期长、数据更新慢的问题，无法及时获取最新的数据信息。
而水下无线传感网络技术可以实现对水下环境的实时监测，并通过无线通信将数据传输至工程勘察船舰上。
工程勘察船可以随时通过监测系统获取当前海洋环境的数据变化情况，及时掌握海洋工程的动态，做出相应的调整和决策。
最后，水下无线传感网络技术还可以提高工程勘察船的安全性和可靠性。
海洋工程勘察和建设常常面临恶劣的海洋环境和复杂的海底地理条件，存在一定的安全风险。
水下传感器网络的构建与应用
水下传感器网络的构建与应用在当今科技飞速发展的时代，水下传感器网络作为一种新兴的技术手段，正逐渐在多个领域展现出其独特的价值和广阔的应用前景。
从海洋科学研究到水下资源勘探，从环境监测到军事防御，水下传感器网络都发挥着不可或缺的作用。
水下传感器网络是由部署在水下的多个传感器节点组成的分布式网络系统。
这些传感器节点能够感知水下环境中的各种物理、化学和生物参数，如水温、水压、盐度、溶解氧浓度、水流速度、污染物浓度以及海洋生物的活动等，并通过无线通信方式将采集到的数据传输到岸上的控制中心或其他节点进行处理和分析。
构建水下传感器网络面临着诸多技术挑战。
首先是通信问题。
由于水对电磁波的强烈吸收和散射作用，传统的无线通信技术在水下的应用受到了很大限制。
目前，水下通信主要采用声波通信技术，但声波在水中的传播速度较慢，通信带宽有限，且存在多径传播、时延和噪声等问题，这给数据的实时传输和处理带来了很大困难。
其次是能源供应问题。
水下传感器节点通常采用电池供电，而电池的能量有限，且在水下更换电池极为困难。
因此，如何降低节点的能耗，延长网络的生命周期，是构建水下传感器网络需要解决的关键问题之一。
此外，水下环境复杂多变，水压大、温度低、腐蚀性强，这对传感器节点的封装和防护提出了很高的要求。
为了克服这些技术挑战，科研人员采取了一系列措施。
在通信方面，通过优化通信协议、采用多跳通信方式和智能路由算法等，提高了通信的可靠性和效率。
在能源供应方面，采用低功耗的传感器和处理器芯片，设计节能的工作模式，以及利用海洋能（如潮汐能、波浪能等）为传感器节点充电等，有效地延长了网络的使用寿命。
在节点封装和防护方面，采用高强度、耐腐蚀的材料，并采用合理的封装结构，提高了节点的抗压和防水性能。
水下传感器网络在海洋科学研究中具有重要的应用价值。
科学家可以利用水下传感器网络对海洋的物理、化学和生物过程进行长期、连续的监测，获取丰富的海洋数据，从而加深对海洋生态系统、气候变化和海洋环流等问题的认识。
水下传感器网络技术研究及应用
水下传感器网络技术研究及应用近年来，随着现代科技的不断发展，水下传感器网络技术已经得到广泛的应用。
这种技术可以有效地用于海洋探测、石油勘探、水下防御等多个领域，因此备受各方关注。
在本文中，我们将探讨水下传感器网络技术的研究及应用。
一、水下传感器网络技术简介水下传感器网络是一种由多个装载传感器和节点的无线网络连接组成的系统。
通过这种系统，可以在海洋中实时监测水下环境的变化，以及进行海底勘探和资源探测等工作。
这种技术可以通过多种方式实现，包括声波、电磁、光学等。
其中，声波是目前应用最为广泛的传感器网络技术。
由于水下环境特殊，水下传感器网络中的节点必须能够保持稳定，以便进行有效的通信。
同时，节点间的信号传输距离也必须受到限制，以免信号过于受限。
此外，由于水下环境对信号深度、温度、盐度等有很大的影响，因此传感器节点的位置和数量也必须得到精确计算。
二、水下传感器网络的应用领域水下传感器网络技术可以在很多领域得到应用。
以下是其中的几个例子：1. 海洋探测：通过水下传感器网络，可以检测海洋中的水质变化、气候变化等情况。
2. 石油勘探：利用传感器节点探测水下沉积物、油藏和天然气等。
3. 水下防御：水下通信和水声传感器技术可应用于水下匿踪、敌方舰艇的追踪和战术侦察等。
4. 海洋资源探测：通过传感器网络，可以检测海底矿物、海洋资源等。
5. 水下文物修复：借助传感器网络技术，可以定位沉船文物及其附属物。
三、水下传感器网络的应用案例1. 海底探测：美国国家海洋和大气管理局利用传感器网络，成功探测到了位于北极的一艘失事船只，保护了极地环境。
2. 水下视频监控：美国海军利用水下传感器网络技术，进行水下视频监控，并成功远程监视人员及设备状态。
3. 水声通信：美国海军及德国官方机构广泛使用水声通信，实现水下无线通讯。
四、水下传感器网络技术的发展前景水下传感器网络技术应用前景广阔，这种新型的技术已经开始应用于日常生产、科研和军事领域。
水下无线传感器网络路由算法概述
25Internet Technology互联网+技术引言：近些年，发现更多的水下资源以代替逐渐减少的有限的陆地资源，成为了众多学者的研究目标。
水下无线传感器网络在地震、海啸预警、生态系统监测、石油钻探和军事监视方面的应用也同样被关注。
水下传感器网络由于其特殊的运行环境，成为了探索水下资源最有效的方法，从而引起了学者们的极大兴趣。
而传感器技术的发展为水下无线传感器网络的发展奠定了技术基础，随着国家对海洋资源的重视程度加强，在政策层面，水下传感器网络的发展具有着前所未有的机遇。
然而，由于水下无线传感器网络工作环境的特殊，光的散射、折射及多普勒效应，导致光信号在水下衰减很快；而电磁波的快速衰减也不适合在水下进行通信；从而在水下传感器网络中使用声音信号进行通信。
由于水下无线传感器网络使用声音信号进行通信，且通信环境较为复杂，使其具有如下一些不同于陆地网络的特点[2]：1.有限的能量。
由于水下传感器网络工作在水下，节点配置的电池很难更换，且电池无法使用太阳能充电。
因此，一旦电池能量耗尽，节点死亡。
2.定位困难。
水下传感器网络精确定位困难主要有两方面原因：1) 在陆地网络中，用的最多的定位技术为GPS 定位，但由于在水下GPS 信号衰减太大，无法使用在水下；2）水下传感器网络中，节点随着水流的移动而移动，而非固定的位置，因此在动态的拓扑结构中，无法根据最初的位置确定变动后的拓扑结构。
3.信号传播延时大。
陆地网络中，信号的传播速度为 3×108米/秒，水下无线传感器网络中，信号传播速度为1500米/秒。
因此，水下无线传感器网络中信号的传播速度比陆地无线传感器网络信号传播速度慢五个数量级。
4.布置稀疏。
由于水下无线传感器网络节点昂贵，因此很少布置备用节点，一旦某个节点死亡，没有其他节点可以备用。
5.误码率高。
水下无线传感器网络通信环境复杂、拓扑中出现空洞、数据在传输过程易碰撞等原因，导致其丢包率较高，从而误码率增大。
水下传感器网络安全技术研究
水下传感器网络安全技术研究随着物联网技术的发展，水下传感器网络的应用也越来越广泛，涵盖了深海勘探、海洋环境监测、水下作业、水下通信等多项领域。
然而，随之而来的问题也十分显而易见，水下传感器网络的安全问题在其中占据了十分重要的地位。
本文将就水下传感器网络安全技术的研究进行深入探讨。
一、水下传感器网络的安全威胁在水下传感器网络中，安全问题的核心在于网络数据的保护。
在深海勘探中，传感器网络可以进行地质勘探、海洋环境监测等，而这些数据往往是高价值的，如果泄漏将对国家安全和经济发展带来极大威胁。
同时，水下传感器网络中还存在以下安全威胁。
1. 网络信息泄露：数据在传输过程中容易被窃取，甚至被篡改，导致数据的完整性、保密性被破坏。
2. 网络拒绝服务（DoS）攻击：攻击者通过发送大量的数据包等，占用网络带宽，影响传感器节点的正常工作，甚至完全瘫痪网络。
3. 非法接入：攻击者通过非法手段获取网络控制权，控制传感器节点的工作，破坏网络的正常运行。
4. 传感器节点失效：氧离子、发霉、金属腐蚀等是水下传感器节点工作过程中面临的主要问题，一旦节点失效将导致数据无法传输及处理。
5. 传感器节点的安全性：传感器节点的安全性问题指的是如何确保传感器节点工作正常、不受破坏和攻击，同时保障节点的数据传输及存储的安全性。
二、水下传感器网络安全技术随着水下传感器网络不断应用，研究人员也对传感器网络的安全性提出了更高要求，因此开发先进的网络安全技术已成为当务之急。
目前，保障水下传感器网络安全的技术可归纳如下。
1. 密钥管理技术密钥管理技术是水下传感器网络的一项基本保障。
水下传感器网络中该技术的利用方式可分为两种：对称加密和非对称加密。
其中，对称加密采用AES加密，密钥的分配方式一般采用加权数据的抽象方法，而非对称加密则采用RSA密钥算法，严格控制密钥的查看和使用权限。
2. 认证技术认证技术是在水下传感器网络中防止篡改和截获信息的重要手段。
水下无线传感网讲解
水下无线传感器网络摘要：水下无线传感器网络是一种包括声、磁场、静电场等的物理网络，它在海洋数据采集、污染预测、远洋开采、海洋监测等方面取得了广泛的应用，将在未来的海军作战中发挥重要的优势。
描述了水下无线传感器网络的研究现状，给出了几种典型的水下无线传感器网络的体系结构，并针对水下应用的特点，分析了水下无线传感器网络设计中面临的节点定位、传感器网络能量、目标定位等诸多难题，最后根据应用需求提出了水下无线传感器网络研究的重点。
关键词：水下无线传感器网络；能量；定位1．引言水下无线传感器网络是使用飞行器、潜艇或水面舰将大量的(数量从几百到几千个)廉价微型传感器节点随机布放到感兴趣水域，节点通过水声无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给接收者。
近年来，水下无线传感器网络技术在国内外受到普遍关注，正在被广泛用于海洋数据采集，污染预测，远洋开采，海难避免，海洋监测等。
水下无线传感器网络具有传统传感器技术无法比拟的优点[1]：传感器网络是由密集型、成本低、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃；分布节点的多角度和多方位的信息融合可以提高数据收集效率并获得更准确的信息；传感网络使用与目标近距离的传感器节点，从而提高了接收信号的信噪比，因此能提高系统的检测性能；节点中多种传感器的混合应用使搜集到的信息更加全面地反映目标的特征，有利于提高系统定位跟踪的性能；传感器网络扩展了系统的空间和时间的覆盖能力；借助于个别具有移动能力的节点对网络的拓扑结构的调整能力可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。
因此，传感器网络能够应用于恶劣的战场环境。
在军事领域，通过多传感器系统的密切协调，形成空-舰-陆基传感器构成的多传感器互补监视网络，对目标进行捕获、跟踪和识别。
水下无线传感器网络由于其应用环境的特殊性，要考虑海水盐度、压力、洋流运动、海洋生物、声波衰减等对传感器网络的影响，使水下无线传感器网络的设计比陆地无线传感器网络更难，对硬件的要求更高。
水下无线传感器网络定位技术综述
水下无线传感器网络定位技术综述姚西【摘要】With the rising of marine resources development and the rapid development of terrestrial wireless sensor net⁃works,underwater wireless sensor networks have become a new hot research area. The underwater wireless sensor network node location technology is the key technology for underwater wireless sensor networks. In order to make an in⁃depth research on un⁃derwater location technology,the paper elaborates the existing underwater location technologies by categories,compares their ad⁃vantages and disadvantages,and makes a discussion of the application scene of these techniques. Finally,the development trend of underwater location technologies is discussed.% 随着开发海洋资源热潮的兴起和陆地无线传感器网络研究的迅速发展，水下无线传感器网络的研究已经成为新的研究热点。
水下定位技术是水下传感器网络关键性支撑技术。
为了对水下定位技术进行深入研究，采用分类总结的方法对目前已有的水下定位技术按类别进行了阐述，比较了它们的优缺点，讨论了这些技术适用的应用场景。
用于水下传感器网络的无线光通信研究概况
而这 些
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传 感 器 世 界 ２ １ ．３ ０１ ０
ｗｗｗ．ｅｎ ｏ ｗｏｒ ｃ ｓ ｓｒ ｌ ｏｍ．ｎ ｄ． ｃ
妻 ０≯●ｊ ０
０ 磐弧 ？
可对海底 的环 境参数 （ 如海 洋微 生物 、微 弱地震、地壳变形
等 ）进 行 长 期 观 察 ， 从 而研 究 整 个海 洋 从 海 底 到 海 面 的 环 境 变 化 ， 帮助 人 们更 好 地 保 护 海 洋 。 ２０ ０ ５年 ，澳 大 利 亚 国 防 部 资 助 的 研 究 项 目 采 用 可 见 光 Ｊ Ｌ Ｄ 实现 了 ２ 内 ５ｋ ｐ 的 无 误 码 数 据 通 信 。 Ｗｏ ｄ ｌ Ｅ ｍ ７ｂ ｓ 和 ｏｓ ｅ Ｈｏ
２０ ０ ５年 ， 省 理 工 大 学 的 Ｉｌ ａｉ ｓｕ ｅｇ等 人 【将 水 麻 ｕｉ Ｖ ｓｅｃ ｄｎ ｕ ｌ ］ 下 可 见 光 通 信 应 用 于 水 下传 感 器 网 络 ， 利 用 水 下 光 链 接 实 现 Ａ ＵＶ 对 水 下 传 感 器 的 识 别 、 位 以及 数 据 获取 ，通 信 速 率 达 定 到 ５２ｂｓ １ｋ ｐ 。该 研 究 小 组 在 ２ ０ 研 制 出两 套 小 型 、轻 便 、 ０９年 廉 价 、 易 于 操 作 的 实 验 样 机 （ ７ ，分 别 用 于 短 距 离通 信 图 ） （～ ｍ）和较 长距 离 （ 几 米 ）通 信 ，通 信 速 率 都 能 达 到 约 １５ 十
。
，
声 波
另 外 ，对 于 水 下 传 感 器
这 样 的 小 型 设 备 ， 用 声 纳 进 行 通 信 似 乎 显 得 太 笨 重 ，而 且 加 重 了 能 耗 。其 它 大 部 分传 统 的 空 中无 线 通 信 技 术
水下无线传感器网络的研究进展
研究成果
水下无线传感器网络的研究成果已广泛应用于水下环境监测、深海探测、军 事领域等方面。
在水下环境监测方面，水下无线传感器网络可以实现对海洋环境参数的实时 监测和数据传输，为海洋科学研究提供重要的数据支持。例如，美国伍兹霍尔海 洋研究所部署了一套水下无线传感器网络，用于监测马尾藻海的环境参数，为研 究全球气候变化提供了重要数据。
研究现状
水下无线传感器网络是一种特殊的无线传感器网络，其节点被部署在海洋环 境中，通过无线通信方式形成一个自组织的网络系统。近年来，水下无线传感器 网络的研究取得了一系列成果，包括优化能效、提高网络寿命、增强数据融合等 方面。然而，仍存在一些问题，如节点部署困难、能量受限、信号传播距离短等， 这些问题制约了水下无线传感器网络的发展和应用。
水下无线传感器网络的研究进 展
01 引言
03 研究方法 05 结论
目录
02 研究现状 04 研究成果
引言
随着海洋探测和监测需求的不断增长，水下无线传感器网络（UWSN）已成为 研究的热点领域。水下无线传感器网络能够在水下环境中实现对各种参数（如温 度、压力、生物量等）的实时监测和数据传输，为海洋科学研究、水下考古、海 底资源开发等领域提供了强有力的技术支持。本次演示将介绍水下无线传感器网 络的研究现状、研究方法及成果，并探讨未来的研究方向和重点。
感谢观看
研究方法
水下无线传感器网络的研究方法主要包括建模、仿真和实验。建模方法通过 数学模型对网络性能进行预测和评估，仿真方法利用计算机模拟网络运行情况， 实验方法则通过实际的水下环境试验来验证网络性能。这些方法各有优劣，适用 范围也不尽相同。
建模方法可以用来研究网络的拓扑结构、路由协议和数据传输机制等方面的 问题。通过建立数学模型，可以对网络性能进行定量分析和预测，从而为网络的 优化设计和协议参数的选取提供理论支持。然而，建模方法通常需要一些假设条 件，且在复杂的水下环境中进行精确建模比较困难。
水下无线传感器网络定位算法综述
１引 言
过发射不 同功率强度的信号来定位未知节点， 未知节点接收信号 并
Ｄ 和信 号强度 ， 并将记录的信息发送至汇聚节点 。 汇聚 地球表面大． ｅ ４ ７ ｏ ￣ 的面积被海洋覆盖 ， 水压 、 洋流等不确定海洋 记录锚节点Ｉ 节点根据 已知的锚节点位置和其发射信号强度 ， 利用适当的信号传 环境严重 限制 了 人类对海洋信息收集 与获取 ， 随着科学技术的不断
区域定位方 案（ Ａｒ ｅ ａ Ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ — ＡＬ Ｓ ） ［ ２ １ 。 锚 节点通
差并将其转换为距离差 。 第２ 步， 利用 三边 测量法 定位未知节点。
水 下节点 定位（ Ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ Ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ —ＵＳ ｐ ） ｔ ６ １ 。
入 点， 从 固定定位算法、 移动定位 算法以及 混合 定位算法三个类型介 绍 了几种典型的定位算法， 最后， 文章还 对水 下无线传感器 网络 定位算
法 的研 究 方 向进 行 了总 结 和 展 望 。
关键 词： 水 下无 线传感 器 网络 ； 定位 算法 ； 定位 技术
中图分类号： Ｔ Ｐ ２ １ ２ ． ９ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ７ — ９ ４ １ ６ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ９ ． ０ １ ３ １ － ０ ３
算法分析
镪 ｌ
舞
’ Ｉ与 应 用
发展 ， 对海洋资源的开发 与利用 日益成为现代世界各 国的焦点 。 水 播算法绘制所有 以不 同锚节点发射信号 区分 的区域 内部 节点分布 最终实现未知节点定位 。 下无线传感器 网络随之成为研究的热点， 并在环境监测 、 灾难预报 、 图，
水下无线传感器网络综述
水下无线传感器网络综述
李梅菊
【期刊名称】《重庆理工大学学报》
【年(卷),期】2016(030)008
【摘要】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。
【总页数】8页(P92-98,121)
【作者】李梅菊
【作者单位】青海民族大学物电学院,西宁810007
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.3
【相关文献】
1.水下无线传感器网络综述 [J], 李梅菊
2.水下无线传感器网络定位算法综述 [J], 陈连顺
3.水下无线传感器网络定位技术综述 [J], 姚西
4.水下无线传感器网络定位算法综述 [J], 陈连顺
5.水下无线传感器网络节点部署优化研究 [J], 孙宇晶
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水下传感器网络中的通信协议设计与性能分析
水下传感器网络中的通信协议设计与性能分析一、引言水下传感器网络是一种特殊的传感器网络，用于监测和收集水下环境中的数据信息。
与陆地传感器网络相比，水下传感器网络面临着更多的挑战，如水下信道特性、能量限制等。
为了实现高效可靠的通信，在水下传感器网络中设计合适的通信协议至关重要。
本文将探讨水下传感器网络中的通信协议设计与性能分析问题。
二、水下传感器网络通信协议设计在水下传感器网络中，通信协议的设计主要包括网络拓扑构建、节点间通信机制和能量管理等方面。
（一）网络拓扑构建网络拓扑构建是指如何部署和布置水下传感器节点以建立网络连接。
由于水下环境的复杂性，传统的网络拓扑结构如星型或网状结构并不适用。
研究者们提出了许多针对水下环境的拓扑构建方法，如基于声波传播的拓扑构建、动态分簇拓扑构建等。
这些方法在考虑水下信道特性的同时，充分利用节点能量，提高网络覆盖率和生命周期。
（二）节点间通信机制节点间通信机制是指节点之间如何进行传输和接收数据。
在水下传感器网络中，由于水下信道的传输特性，通信链路的可靠性和传输速率问题需要特别注意。
一种常用的解决方法是引入中继节点，利用中继节点进行多跳传输，提高传输的稳定性和效率。
此外，还可以采用自适应调制技术、多路径传输技术等来提高传输效果。
（三）能量管理能量管理是指如何合理分配和利用水下传感器网络中节点的能量资源。
由于水下传感器网络中节点能量有限，所以需要设计合理的能量管理策略来延长网络的生命周期。
一种常用的能量管理策略是基于混合式动态睡眠调度算法，通过灵活调整节点的休眠时间和唤醒时间，以充分利用节点能量。
三、水下传感器网络通信协议性能分析为了评估水下传感器网络通信协议的性能，需要考虑各个方面的指标，如网络覆盖率、能耗、传输延迟、数据吞吐量等。
（一）网络覆盖率网络覆盖率是指网络中被有效覆盖的区域所占的比例。
高网络覆盖率可以保证数据的高质量采集和传输。
通过合理的网络拓扑构建和节点部署策略，可以提高网络的覆盖率。
美国海军水下传感器网络发展回顾
美国海军水下传感器. All Rights Reserved.网络发展回顾朱滨下传感器网络的影响，技术性能日趋成熟。
在水声组网技术的推动下，水下传感器网络系统逐步完善，广泛采用标准通信组件和商用成品技术，呈现出大规模、自组织、动态性等特点，提高了对环境数据、战术数据和情报数据的获取能力。
以建立模拟系统、开展水声相干通信技术研究为主。
至20世纪90年代中期，浅海环境的水声通信速率和距离实现了较大发展，使水下网络的建立成为可能。
研制试验阶段（20世纪90年代后期至21世纪初期） 在此阶段，水声通信技术和水下网络技术在同时稳步发展，经过多次组网试验，包括水声调制解调器在内的各种水下传感器网络组网技术和设备日趋完善，性能不断提高。
美国海军自1998年开始了“海网”年度实验，验证水下传感器网络概念。
应用部署阶段（21世纪初期至 美海军水下战示意图. All Rights Reserved.发送器用于无线网络的接入, 这个节点可以是一个水面站, 专用浮标或水面船为载体; 如果接收发送器算机网络工程、换能器设计等多学科综合研究和应用的产物。
对于军用，构建可布放的自主式分布传感无人水下探测器“蓝鳍金枪鱼”也可用作传感器网络的节点军 事 纵 横星的无线链接。
移动网关节点在水下运动中采集传感器节点数据，然后适时浮出海面与岸基或舰基指控中心进行无线通信。
潜艇在潜行中使用水声通信链路访问“海网”网络资源或通过“海网”与远程浮标网关通信。
远程指控中心通过卫星链路或陆地局域网接入浮标网关节点。
目前，“海网”已具有很强的自组功能，如自动进行节点识别、时钟同步，节点位置定位、适应环境的发射功率控制、节点更新和失效后的网络重新配置等。
美国海军的“海网”计划，从1998年开始启动了每年度的“海网”试验，目的在于推动远程声纳和“海网”技术的发展。
“海网”的试验过程，也是水下传感器网络由提供基本的通信功能向构建水下无线网络、多重路径访问结构以及采用复合通信协议、实现高级服务功能发展的过程。
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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)以及基于地理位置的路由协议(Geographical Routing Protocol)。
（1）主动路由协议：在这种路由协议中，网络中每个节点都要建立并维护一个路由表，记录该节点到网络中其他所有节点的路由信息，并根据网络当前状态实时进行更新，所以又被称为表驱动(table-driven)路由。
这些路由信息（如距离向量）主要是从基站周期性广播的控制包中获得的。
这种协议在路由第一次建立以及每次网络拓扑由于节点移动或失效发生变化时会造成较大的网络开销，这是由于基站需要广播最新的拓扑信息给每一个节点。
主动路由协议主要包括DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector)、WRP(Wireless Routing Protocol)和OLSR(Optimized Link State Routing等协议。
这种协议实现起来较为简单，传输质量较高，能有效的避免网络拥塞。
但是路由表的建立和维护会造成巨大的网络开销，节点的频繁移动、网络拓扑的动态变化更是会加剧这种状况，这对于资源有限的水下传感器网络来说是不现实的。
（2）按需路由协议：按需路由协议不同于主动路由协议，网络节点无需建立并维护去往其他节点的路由信息，而是根据通信需要临时建立路由，所以又称为被动（反应）式路由。
只有当源节点要向目的节点发送消息时，源节点才进行路由的查找和建立，路由建立之后，将由一个专门的路由维护程序[23,24]进行维护，直至该路由失去作用。
按需路由协议主要包括DSR(Dynamic Source Routing)、AODV(Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing)、TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm)等协议。
在按需路由协议中，路由表都是根据通信需要临时建立的，基站不需要周期性的广播路由信息，此外，建立好的路由会保存在缓存中供后续通信使用，而无需节点维护，这大大降低了网络开销，减少了网络资源的浪费，相较于主动路由来说更适用于拓扑动态变化的网络。
但是，路由发现和建立的过程是不可预知的，这使得路由延迟更加多变和难以预测。
主动路由和按需路由都对消息洪泛有一定程度的依赖，而洪泛造成的网络开销对于水下传感器网络来说是难以承担的。
此外，实验表明，这两种路由协议在通信链路对称的网络中性能较好，而水下传感器网络并不满足这一点。
（3）基于地理位置的路由协议：这种协议主要依靠网络中节点的地理位置信息来建立路由[25]。
GFG[26]和PTKF(Partial Topology Knowledge Forwarding)[27]是两种常见的基于地理位置的路由协议。