浅海水声网络全解

浅海水声网络

1.摘要

水声网络通常由通过水声相连的海底传感器节点，自主无人航行器及与岸基站点进行无线通信的网关海面站点构成。该网络服务质量受声传输信号低带宽，低声速导致的高延时和高环境噪声所限。其长期设计目标是能够提供基于网络链接的自组网络，通过最优化系统参数自主适应环境。本文考虑了最小化能耗约束，最优化吞吐和可靠性条件下设计浅海水声网络的诸多方面问题。

2.引言

近二十年来，水声通信技术取得了显著进步。高速可靠通信系统的实现使得海底坐地传感器与水下自主航行器等水下节点间实时点对点通信成为可能。当前研究热点主要集中在应对环境数据采集、近海探测、污染检测与军事侦察等应用的网络多链路协同领域。

海底或海监测的传统方法包括传感器布放，实验数据记录和试验设备回收。该方法存在诸多不足：

实验记录数据需在长达数周的实验任务结束后获取；

海底设备与岸基用户间无法进行信息交互，因此，当某区域出现感兴趣事件时无法进行系统重配置；

如果设备在回收前出现错误，那么数据采集过程将停止或所有数据可能丢失。

特定海域长期实时观测最理想的解决途径将诸多测量设备通过无线链路连接成网络结构。最基本的水下声学网络由类似固定节点与水下自主航行器等节点间的建立的双工水声通信所组成。该网络将与海面站点相连，并借助该站点采用RF链路与远程陆上节点如Internet 网络相连接。岸基多用户能够从远距离水下设备实时获取数据，评估已获取的数据，并可对单个设备发送控制信息。由于数据不再储存在水下设备中，因此可以避免数据丢失，也能通过网络重配置得以绕开失效节点

水声网络的最大约束是有限能源支持。对陆上系统而言，无线调制解调器电池的替换非常简单，但水下无线调制解调器电池替换受航行时间和调制解调器回收时间的制约而显得费时费钱。因此，对水下应用而言，传输能量显得异常昂贵。网络协议应通过减少重传次数，降低传输间隔的功耗以及最小化每次传输需求来节省能耗。

在救援与探测任务等水下应用中，需要网络能够不经大规模规划而快速布放。因此，网络应当能自主决定节点位置，通过自主组网提供高效的数据通信环境。另外，若信道条件发生改变或者某些节点在任务过程中失效，该网络应当能够通过动态重配置继续履行使命。

3.水声通信

不同于数字无线通信采用电磁波进行数据传输，水声信道中主要采用声波进行通信。在水声通信网络中声波传播速率比无线电波传播速率小五个量级。如此低的传播速率增大了网络数据包的传输时延。如果在UWA应用中网络协议设计忽略高时延，将导致网络吞吐减少。

UW A信号的可利用带宽关键取决于传播损失，由于传播损失随着距离和频率的增大而增大，严重制约了可利用带宽。在有限带宽内，特别是在浅海水声信道中，相对于无线电信道而言，声信号受时变多径的影响，会导致的严重码间串扰以及多普勒频移与拓展。多径传播以及多普勒的影响削弱了水声信号，限制了数据吞吐。因此需要特殊的信号处理手段去克服这些不利因素。

近十年初，通过发展采用非相干FSK信号的调制解调器来应对UWA信道特性的挑战，以求实现可靠通信。虽然非相干FSK通信系统在UWA信道中有效，但他们较低的频带利用率使得其无法适应多用户网络对高速率应用的要求。基于高吞吐远程通信系统的需求引发了对相干调制技术的关注。目前，随着大功率数字信号处理设备的运用，我们能够在水下通信中采取完全一致的相干相位调制。关于声调制方法总结见表一。感兴趣的读者可通过阅读文献【3】得到每个调制解调器的细节说明。

随着系统传输速率及传输距离的增大，算法复杂度大大超过了当前数字处理硬件能力。当前研究主要集中于低复杂度DSP算法以及用于网络环境的多用户调制解调器，

4.水声网络

两类需求牵引起了水声网络的重大变革：一类是环境数据的采集，另一类是水下区域侦察。典型网络由各类节点构成，某些安装在固定节点上，另一些则安装在自由移动航行器上。该类网络被称为自主式海洋采样网，这里的采样是指采集海洋中温，盐，深和水下洋流等参数。对侦察应用而言，网络由大量传感器构成，主要是在锚底或者低速水下机器人上，该网络布防迅速，主要用于覆盖浅海海域。该类网络的典型应用Seaweb将在随后进一步讨论。

网络拓扑

网络拓扑结构包括以下三种基本形式：集中式，分布式和多跳式。在集中式网络中，网络节点间通信通过中央站点进行交互，该站点常被称为网络枢纽。该网络通过该中央站点连接到主干网。该配置适用于深海网络，通过装有声学及RF调制解调器的海面浮标控制与海底设备的往复通信。该配置方式的最大不足是存在单节点失效问题，若枢失效，则整个网络将关闭。同样，受单个调制解调器工作范围所限，该网络无法覆盖大量区域。

另两个网络拓扑属于对等网络，一个全连通对等网络提供网络中各节点间的点对点通信。这样的拓扑结构省去了路由。但同时带来的是与远隔节点间通信的输出功率过大。同样，当节点试图进行对远端节点发送数据包时，将对临近节点通信产生功率压制和干扰。称之为远近问题。

多跳对等网络仅由相邻节点的通信链路构成，信息从源节点传输到目的节点需要通过节点间包传输。路由信息通过智能算法进行处理以适应环境变化。由于多跳网络范围取决于节点数目而不是调制解调器边界，因此其能够覆盖相对广泛区域。UW A网络设计目标之一就

是最小化能耗并提供节点间及与主干网的可靠联通。网络拓扑结构是决定能耗的重要参数。在文献平【6】中，作者描述了最小化能耗网络拓扑是多跳对等网络，减小能耗的代价是复杂通信协议与数据包延时，需要特别注意的是对时延敏感系统。

多重接入方法

包括水声网络在内的诸多信息网络中，通信是突发式的，用户通过网络传送数据的时间往往要小于系统闲置时间。因此，网络用户应当通过多重接入方式高效共享可利用的频段和时间。频分复用技术将可利用的频带分为若干子带并将每个子带指定给独立用户。由于极度受限的频带资源和自带系统抗衰落的不足，使得FDMA系统无法充分应用于UW A。

不同于频带分离，时分复用将一个时间间隔，称之为一帧分成若干时间片段。相邻的时隙间的数据包冲突可以通过包含与相应信道时延成比例的保护时间来避免。TDMA系统需要异常精确的同步以实现对时间段的合理利用。UW A通道中的高时延需要长保护时间从而限制了TDMA的效率。同样，建立一个共同的定时基准也是相当困难的。

码分复用允许多用户在全频段内同时传输。来自不同用户的信号通过伪随机编码实现。宽带CDMA信道不仅能够对抗频率选择性衰减，对直接序列CDMA而言，也能在接收端通过Rake滤波技术利用水声信道中的时间分集。扩频信号可用于处理接收端多用户检测带来的冲突。同样，也能减少重传数和能量需求。此特性既降低电池消耗也增加了网络吞吐。因此，CDMA的似乎是浅水声学网络中最合适的多址技术。

路由算法

信息网络中存在两种基本的路由方法：虚拟回路路由，一次传输的所有数据包通过同一条路径进行传输和数据包路由，数据包允许通过不同的传输路径进行传输。使用虚拟回路传输网络路径选择取决于传输开始时刻。而在数据包路由中，每个节点均可进行路径选择，这将数据包的下一个跳。

多数路由方法基于最短路径算法。该方法对网络中的每个链路分配代价，该代价函数取决于物理距离和拥塞等级。路由算法寻找从源节点到目标节点的最短路径(最小代价路径)。在分布式应用中，每个节点确定向临近结点传输一个数据包的花费，并将该信息与网络中的其他节点共享。这样，每个节点维护一个数据库，该数据库反映了可能路径的花销。

对路由而言，需要考虑网络节点可移动这一更为普遍的情形。这种情况可认为网络是由固定海底传感器和AUVs组成。

在ad hoc网络中，主要问题是获取每个独立链路最近的状态来确定数据包最佳路由。然而，如果通信媒介是浅海通信信道是多变的，路由的更新相当快。在路由领域，目前的研究重点是减少通过路由的消息的同时找到最佳路径，这是一组相互矛盾的要求。

媒体访问控制协议

针对UWA信道存在许多MAC协议，这些协议能减少由于数据报冲突导致的信息损失。我们将专注于MACA协议以及该协议的变化。该MACA协议首先由Karn提出，该协议采用请求发送（RTS）和清除发送（CTS）这两类信号数据包。当A需要给B发送一个信息时，将首先发布一个RTS命令。如果B接收到该RTS命令，B将发回一个CTS命令。A一旦接收到CTS，就开始传输数据包。节点间将通过进行RTS-CTS交换时探测信道。信道状态信息将用于设置物理层参数例如输出功率和调制方式。MACA的这些特性能够满足UWA网络设计的需要。它为最小功耗约束下的可靠通信提供相关信息，并具备避免冲突发生的能力。RTS-CTS交换增加了开销，但是减少重传可以补偿这些增加的开销。

MACA协议确保了网络层端对端通信的可靠性。若由于错误导致某些数据包丢失，最终目的节点将向源节点请求重传丢失数据包。在高可靠链路中，由于该方法消除了估计每跳所发送的独立信息，从而增加了网络吞吐。在低质量通信线路中，信息极有可能包含错误的数据包。恢复网络层中数据包错误需要额外的时延。通常，在无线电和水声等低可靠信道的链