基于功率控制的水下声学传感器网络部署

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一种基于功率控制的无线传感器网络MAC协议

议之一。在设计无线传感器网络的ＭＣ协议时，要考虑如Ａ需下几个方面：）省能量，于节点由电池供电，不能提供ａ节由且再生能源，了提高网络生命周期，省能量成为设计考虑之为节首；）扩展性，于节点数目多、布密集，旧节点因能量ｂ可由分有
ｄｉ１３６／．ｓｎ１０ —６５．０００．９ｏ：０．９９ｊｉｓ．０１３９２１．５０４
ＮｅＭＡＣｐｏｏｏａｅｎｐｗｅｏｔｏｏｒｌｓｅｓｒｎｔｒｓｗｒｔｃｌｂｓｄｏｏｒｃｎｒｌｆｒｗｉｅｅｓｓｎｏｅｗｏｋ
曾斌军，费耀平，李敏，陶志坚
（中南大学信息科学与工程学院，长沙４００）１０１
摘
要：提出了一种基于功率控制的无线传感器网络ＭＡＣ协议，据节点接收阈值，算出节点发送最优功根计
率，在根本上减小发送功率从而节省节点能量。为了减少节点间的碰撞，引入了自适应调整竞争窗口和快速退
Ａｂｓｒｃｔａｔ：ＴｓｐｐｒｐｅｅｔｄａｂａｉｎｐｏｒｃｎｔｏｒｌｓｅｎｏｅｗｏｋｓＭＡＣｏｏｏ．Ｔｈｓｐｏｏｏｓｄｔｅｎｄｈｉａｅｒｓｎｅｓｎｇｏｗｅｏｒｌｗｉｅｅｓｓｓｒｎｔｒｐｒｔｃ１ｉｒｔｃｌｕｅｈｏｅｒｃｉｅｔｒｓｏｄｖｌｅ，ｔｎｃｌｌｔｄｔｐｉｚｒｎｓｓｉｎｐｗｅ．ＩｏｌｌｉｔｌｅｕｃｄｏｓｍｅｅｅｇＩｅｅｖｈｅｈｌａｕｈｅａｃｕａｅｈｅｏｔｍｉｅｔａｍｉｓｏｏｒｔｃｕｄｕｔｍａｅｙｒｄｅｎｏｅｃｎｕｎｒｙ．ｎｏｄｒｔｅｕｈｏｌｓｏｅｗｅｎｎｄｎｈｒｔｆｔｄｅｌｓｅｉｇｔｍｅ．ｉａｄｄｓｌ－ｄａｔｖｏｅｔｏｎｗｒｅｏｒｄｃｅｔｅｃｌｉｉｎｂｔｅｏｅａｄｔｅｄｕａｉｏｈｅｉｉｉｔｎｎｉｏｎｔｄｅｅｆａｐｉｅｃｎｔｎｉｎｗｉｄｏ

水下无线传感器网络

水下无线传感器网络
王静;陈建峰;张立杰;黄建国
【期刊名称】《声学技术》
【年(卷),期】2009(0)1
【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。

【总页数】7页(P89-95)
【关键词】水下无线传感器网络;能量;定位
【作者】王静;陈建峰;张立杰;黄建国
【作者单位】西北工业大学航海学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN915
【相关文献】
1.水下无线传感器网络节点定位的定点神经网络算法研究 [J], 王采薇; 杜秀娟
2.水下无线传感器网络节点部署优化研究 [J], 孙宇晶
3.水下光无线传感器网络的连接性分析与定位技术 [J], 向劲松;胡东洋;李长萍
4.含地形约束的动态多目标水下移动无线传感器网络调度 [J], 孙靖;匡源;查明明
5.水下无线传感器网络路由算法概述 [J], 李梅菊;徐涛;贾继洋
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水下声学监测的传感器网络设计

水下声学监测的传感器网络设计一、引言在当今科技飞速发展的时代，水下声学监测在海洋科学研究、资源勘探、环境保护以及国防安全等领域发挥着至关重要的作用。

为了实现高效、准确和全面的水下声学监测，设计一个合理且有效的传感器网络成为了关键。

二、水下声学监测的需求与挑战（一）监测需求水下声学监测的需求多种多样，包括对海洋生物的声学行为监测、海底地质结构的探测、水下航行器的跟踪以及海洋环境噪声的评估等。

不同的应用场景对监测的精度、范围、频率响应等都有特定的要求。

（二）环境挑战水下环境复杂且恶劣，给声学监测带来了诸多挑战。

水的压力、温度、盐度等因素都会影响声音的传播速度和衰减特性。

此外，水流、海洋生物的活动以及海底地形的变化也可能导致声学信号的干扰和失真。

（三）技术难题在水下声学监测中，传感器的功耗、数据传输的可靠性、传感器节点的定位精度以及网络的同步性等都是需要解决的技术难题。

三、传感器网络的组成与架构（一）传感器节点传感器节点是网络的基本单元，通常包括声学传感器、信号处理模块、电源模块和通信模块。

声学传感器负责接收水下声学信号，信号处理模块对其进行放大、滤波和数字化处理，电源模块为节点提供能量，通信模块则用于与其他节点或基站进行数据传输。

（二）网络架构水下声学传感器网络的架构可以分为集中式、分布式和混合式。

集中式架构中，所有数据都传输到一个中心节点进行处理和分析；分布式架构中，每个节点都具有一定的处理能力，可以独立地完成部分数据处理任务；混合式架构则结合了两者的优点，在局部区域采用分布式处理，而在全局范围内采用集中式管理。

四、传感器节点的设计要点（一）声学传感器的选择声学传感器的性能直接影响监测的效果。

在选择时，需要考虑其灵敏度、频率响应范围、指向性以及噪声水平等参数。

例如，对于监测低频海洋生物声学信号，需要选择具有较低频率下限和较高灵敏度的传感器；而对于跟踪高速移动的水下目标，则需要具有良好指向性和快速响应能力的传感器。

水下传感器网络及目标定位研究的开题报告

水下传感器网络及目标定位研究的开题报告一、研究背景水下传感器网络是指利用多个水下传感器节点进行数据采集、处理、传输等功能的网络系统。

它可以在海洋、湖泊、河流等水域中进行科学研究、军事侦察、资源勘探等活动。

目标定位是水下传感器网络的一个核心应用，它可以精确定位相关目标的位置信息，可以广泛应用于海洋生态环境监测、船只导航、潜水器自主探测等领域。

目前，水下传感器网络和目标定位技术已经得到较为广泛的研究和应用。

然而，在实际应用中，水下环境的复杂性和其信道特性的不确定性给水下传感器的部署和数据处理都带来了挑战，同时目标的运动轨迹等因素的不确定性也给目标定位带来一定的难度。

因此，需要在这些方面继续深入研究，进一步提高水下传感器网络和目标定位技术的稳定性和鲁棒性。

二、研究目的和意义本研究旨在探究基于水下传感器网络的目标定位技术，结合水下环境的特殊性质，设计新的目标定位算法和优化方案，提高目标定位算法的精度和鲁棒性。

具体目的和意义如下：1. 研究水下传感器网络的部署方法和优化方案，提高网络的稳定性和覆盖范围。

2. 研究目标运动轨迹的预测方法和优化方案，提高目标定位的精度和鲁棒性。

3. 研究数据处理算法和优化方案，提高数据处理的效率和准确性。

4. 设计并实现水下传感器网络和目标定位系统的实验平台，验证所提出的算法和方案的可行性和有效性。

5. 推广水下传感器网络和目标定位技术的应用，为海洋生态保护、资源勘探、军事侦察等领域提供技术支持。

三、研究方法和内容1. 研究水下传感器网络的部署方法和优化方案，包括传感器节点的选择、部署密度、通信方式、网络拓扑结构等方面。

通过实验和模拟分析，优化水下传感器网络的性能和覆盖范围。

2. 研究目标运动轨迹的预测方法和优化方案，主要包括利用传感器节点采集的数据对目标运动轨迹进行预测、利用机器学习算法对目标运动轨迹进行预测等方面。

通过实验和模拟分析，优化目标定位算法的性能和精度。

3. 研究数据处理算法和优化方案，主要包括数据传输、数据聚合、数据分类等方面。

【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。

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。

基于功率控制的无线传感器网络MAC协议研究

文章编号：００７２２０）２０２．３１０．０４（０８０．３６０
ＲｅｅｒｈｏｎｒｙｅｉｉｎｒｌｓｅｓｒｅｗｏｋＭＡＣｐｏｏｏｓｓａｃｎｅｅｇ－ｆｃｅｔｗｉｅｓｓｎｏｔｒｅｎｒｔｃｌ
机制。仿真实验表明，引入功率控制后可以节约能耗达５％～６０９％左右。
关键词：线自组网；无线传感器网络；功率控制；ＭＣ协议；ＰＳＣ协议无ＡＣＭＡ
中图法分类号：Ｐ９．Ｔ３３０４
文献标识码：Ａ
Ｃｉａ２Ｎ０１ａｙＴｏｐｏＰＡ，ｎｄｏ６０１Ｃｉ）ｈｎ；．ｏ９８ｖｒｏｆＬＱｉａ６７，ｈｎ２Ｎｇ２ａ
ＡｂｔａｔＷｉｌｓｅｓｒｅｗｏｋｉａｍｅｇｎｅｏｋｔｃｎｏｏｙｉｅ２ｅｔｒ，Ｉｍｅｇｎｅｂｉｇｅｐａｅｉｅｄ－ｓｒｃ：ｒｅｓｓｎｏｔｒｌｅｒｉｇｎｔｒｈｌｇｔｔｎｕｙｅｎｓｌｗｅｎｈ１ｃｓｔｅｒｅｃｒｎｓａｎｗｈｓｔｅｓｎｈｖｌｐｎｆｅｏｋＬａｅｙｔｅｅａｅｍｏｅｎｒｖｓｉａｉｎｎｗｉｅｅｓｅｓｒｅｏｋＭｅｏｍｅｔｎｔｒ．ｏｗｔｌ，ｈｒｒｒｄｍｏｅｉｅｔｔｓｏｒｌｓｎｏｔｒａｎｇｏｓｎｗＡｏｎＭＡＣｐｏｏｏｓｉｓｍｍａｉｅ，ｓｍｅｔｐｃｌｒｔｃｌｓｕｒｚｄｏｙｉａＡＭＣｒｔｃｌ．ＴｈｓａｃｓｌｐｏｏｏｓｅｒｅｒｈｒｕｔｅｅｓＣ，ａｄｅｃＴｅｎｔ．ｈＣｐｏｏｏｒｔｃｌ

基于水声通信的水下传感器网络设计与实现

基于水声通信的水下传感器网络设计与实现水下传感器网络（USN）是指通过在水下设置传感器节点，通过无线电、声学等方式收集环境信息并将其传输到接收器。

USN在海洋、水利、水生生物、气象和水文监测等领域中具有广阔的应用前景。

然而，传统的USN设计存在一些问题，如信号干扰、通信距离有限、可靠性较低等，这些问题严重影响了传感器网络的应用。

因此，本文提出了一种基于水声通信的USN系统设计，并实现了该系统的原型测试。

设计思路本文所提出的USN系统主要通过水声通信实现传感器之间的数据传输，包括两个核心模块：传感器节点和基站节点。

其中，传感器节点负责定时采集环境数据并将其发送到基站节点；基站节点接收并分析传感器数据，并根据需要向传感器节点发送命令。

本系统采用了一种基于DS-CDMA的调制解调技术，通过支持自适应等化器和卷积码纠错技术实现了高可靠性的数据传输。

此外，系统还采用了多普勒补偿和自适应滤波等技术，有效降低了传输距离和多普勒效应对信号传输的影响。

传感器节点设计传感器节点是整个网络系统中最基本的单元，其主要功能是从环境中收集物理量，并将数据通过水声通信传输到基站节点。

传感器节点设计的关键是选择合适的传感器和数据采集电路，并将其与水声通信系统相结合。

为了实现传感器节点的完整功能，我们在传感器模块中使用了压力、温度和水深等多个传感器。

采集到的数据被处理成数字信号并储存在传感器芯片中。

当传感器芯片收到来自空中或水下基站的信号时，它将把数据通过水声信号传输出去。

基站节点设计基站节点是网络中的另一个核心元素，它主要负责接收、解调传感器节点发来的信号，分析数据并将它们转发到中央数据处理系统。

基站的重要任务是接收来自传感器的数据并确保数据的完整性和准确性。

由于网络中有很多节点，基站必须能够接受来自不同传感器节点的信号并将其不间断地转发到后端处理中心。

当基站收到传感器发来的数据时，它将通过解调和解码等技术将信号转换成数字数据。

美国水下传感器网络

美国水下传感器网络美国海军于1997年提出“网络中心战” 概念后，在国防部骨干路由器网的支持下，以协同作战能力网络为主体，为实现对地面、空中、太空、水面通信平台的全球点对点链接，建立起实施网络中心战的联合传感器网络，可以对陆海空实施广泛而连续的监视。

由于水下通信节点的缺失，这个强大的立体信息网无法为美国海军提供监视水下目标的能力，因而建立海底传感器网络，完备联合传感器网络功能成为关注的焦点。

为了弥补这一缺憾，增强海洋数据收集和水下预警能力，美国海军自1998年起持续开展了广域“海网”(Seaweb)的海底水声通信网络试验，很快证实了利用声学进行水下组网的可行性，并衍生出一系列水声网络计划和应用，展现了水声网络应用的广阔前景。

一、发展背景水下传感器网络是由布放在海底、海中的传感器节点和海面浮标节点以及它们之间的双向声链路组成的分布式、多节点、大面积覆盖水下三维区域，可以对信息进行采集、处理、分类和压缩，并可以通过水下通信网节点以中继方式回传到陆基或海基的信息控制中心的综合系统。

美国是最早开展水下传感器网络研究的国家，在最近二三十年里取得了长足的进步。

美国海军大力开展水下无线网络通信能力建设，有着深刻的历史背景和紧迫的现实需要。

濒海作战需求是水下传感器网络发展的根本动力。

20世纪90年代以来，在“由海向陆”等国防部战略方针的指引下，美国海军的战略重点逐渐由深海向浅海转移，并制定了深化这一战略的《21世纪海上力量》和《海军转型规划纲要》，提出建设水下传感系统，打造海军“军队网络”的水下网络，发展“由海底到太空”的网络联通能力，从而实现对濒海战场环境及时和准确的认知。

美国海军现有水下侦测能力的不足是水下传感器网络发展的现实因素。

由于缺乏有效监视水下目标的能力，特别是面对濒海作战的探潜、反潜和猎雷需求，美国海军必然要增加水下探测距离和分辨率，提高水下战场信息控制能力，扩大水声预警探测范围。

为此，美国海军大力发展水下传感器网络，将之作为防御战场和安全屏障，保卫美国的领海安全、海军部队和海上力量。

基于功率控制的IEEE 802.15.4算法在无线传感器网络中的应用

ｓｈｈｗｔａｅｅａｅｓｖｄｕ０ｂｏｅｏｔｌｈｎｌｇｒＯ（ｕｅ— ａｒｅ）ｏｃｒ．ｕｓｏｔｎｒｃｎｂａｅｐｔ５％ｙｐｗｒｎｒｅｒｅｓｈｇｙｏｃｏｗａＳＳｐｒｒｍｅＯｄｒｃｕｓｆ
＼．２南京邮电大学信号与信息处理研究所，江苏南京２００／１３０
摘
要：高效节能是大规模无线传感器网络首要关注的问题，ＥＥ８２１．ＩＥ０．５４标准因其低速率低成本低
功耗高质量，认为是无线传感器网络和无线个域网的理想实现技术。研究出将功率控制机制引被
入到该标准中可以进一步节约能耗：功率控制可以从直接的降低发送能量和间接的减少碰撞两个
角度节约能耗，是一种有效的节能机制。仿真实验表明，引入功率控制后在较高超帧阶下可以节约
能耗达５％左右。０
关键词：Ｅ０．５４；ＩＥ８２１．无线传感器网络；Ｅ功率控制；高效节能
ｏｏｒｔｌｗｏｔ，ｏｐｗｅｎｉｈｑａｉＩｆｌｗａｅ，ｏｃｓｌｗｏｒａｄｈｇｕｌｙ，ＥＥＥ０１４ｓａｄｒｓｃｎｉｅｅｏｂｅｔｄａｅｈｌｇｔ８２．ｔｎａｄｉｏｓｄｒｄｔｈｅｉｅｌｔｃｎｏｏ５．ｙｔｍｐｅｎｒｌｓｅｓｒｎｔｒｓａｄｗｉｌｓｅｓｎｌａｅｅｗｏｋ．ＴｈｓｐｐｒｉｔｏｕｅｏｒｃｎｒｌｔｏｉｌｍｅｔｗｉｅｅｓｓｎｏｅｗｏｋｎｒｅｓｐｒｏａｒａｎｔｒｓｅｉａｅｎｒｄｃｓｐｗｅｏｔｏｏｍｏｉｈＥＥＥ０１４ｔｎａｄｔｅｕｃｎｒｏｓｄｆｔｅＩｙ８２．５．ｓａｄｒｏｒｄｅｅｅｇｃｎｕｍｐｉｎ．ｗｈｉｈｃｎｐｏｉｅａｆｅｔｖｃａｉｍｏｙｔｏｃａｒｖｄｎｅｆｃｉｅｍｅｈｎｓｆｒｉｒｖｎｇｅｒｆｃｅｃｅｙｄｃｅｓｎｈｒｎｍｉｉｇｐｗｅｉｅｔｙｏｖｉｉｇｃｌｓｏｍｐｏｉｎｅｇｅｉｎｉｓｂｅｒａｉｇｔｅｔａｓｔｎｏｒｄｒｃｌｒａｏｄｎｏｌｉｎ，Ｔｈｉｌｔｏｅｙｉｔｉｅｓｍｕａｉｎｒ —

水下声学传感器网络研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ（ＵＡＳＮ）ｂｅｃｏｍｅｓｔｈｅｈｏｔｓｐｏｔｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ，
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｍａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ，ＰＬＡＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００７，Ｃｈｉｎａ）
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｉｓａｍａｊｏｒｃｏｎｃｅｒｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ＳｔｕｄｙｏｎＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＡｃｏｕｓｔｉｃＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ
ＨｅＭｉｎｇ，ＣｈｅｎＱｉｕｌｉ，ＹｅＸｕｇｕａｎｇ，ＱｕａｎＪｉｃｈｕａｎ，ＣｈｅｎＸｉｌｉａｎｇ
Ｌａｓｔｌｙ，ｔｈｅｎｅｘｔｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｗａｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ｎｅｔｗｏｒｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｔｉｍｅｄｅｌａｙ

水下传感器网络的设计与应用

水下传感器网络的设计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重要的应用价值。

无论是海洋科学研究、水下资源勘探，还是海洋环境监测和国防安全等方面，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，简单来说，就是由多个部署在水下的传感器节点组成的网络系统。

这些传感器节点能够感知、采集和传输水下环境中的各种信息，如水温、水压、水流速度、水质以及水下物体的运动等。

要设计一个高效可靠的水下传感器网络，可不是一件容易的事情。

首先得考虑传感器节点的硬件设计。

由于水下环境的特殊性，这些节点必须具备良好的防水、抗压和耐腐蚀性能。

同时，为了保证长时间的稳定工作，它们还需要具备低功耗的特点，毕竟在水下更换电池或者进行能源补给可不是一件轻松的事儿。

在能源供应方面，太阳能在水下可没法使用，所以一般会采用电池供电或者利用海洋中的能量，比如潮汐能、温差能等。

但这些能源的获取和转化技术目前还存在一定的挑战，需要不断地研究和改进。

通信问题也是水下传感器网络设计中的一个关键难题。

在水下，电磁波的传播受到很大的限制，而声波则成为了主要的通信手段。

但声波在水下传播时，速度较慢、衰减较大，而且容易受到多径效应和噪声的干扰。

因此，如何提高通信的效率和可靠性，是研究人员一直努力解决的问题。

为了实现有效的通信，通常需要采用合适的通信协议和算法。

比如，在网络拓扑结构的设计上，要考虑节点的分布和连接方式，以确保信息能够快速准确地传输。

在数据传输过程中，还需要进行数据压缩、纠错编码等处理，以减少数据量和提高数据的准确性。

除了硬件和通信方面的设计，软件算法也同样重要。

比如，如何对传感器节点进行有效的定位和时间同步，如何进行数据的融合和处理，以及如何实现网络的自组织和自适应等，这些都需要精心设计的算法来支持。

在实际应用中，水下传感器网络有着广泛的用途。

在海洋科学研究中，它可以帮助科学家们收集海洋中的各种数据，从而更好地了解海洋的生态系统、气候变化以及海洋环流等现象。

水下传感器网络部署优化研究

的冲击、生物的破坏等使得水下传感器网络具有水
传感器感知半径为Ｒ，Ｏ即Ｂ＝Ｒ。ＡＢ：ＢＩＣ＝＝Ｉ
ａ，则。／，ＯＡ＝６
，。。。‘ ＿●－－● 。● 。。。。。。＿－＿ ●●－＿。。。。。。。。。－＿。。＿。。。。。。＿。＿＿ ●
网络可靠性问题，分析水下传感器网络部署模型在
的基础上建立可靠性模型及网络优化模型。２１网络部署模型．
ＳＭ．Ｎａｒｌａ．ｚｕｍ，Ｚｇｎ．Ｈａ证明ＡｌｙｍｕｔＪａｓ６Ｌ］
图３坐标图
得：。 √２５＊Ｒ，以推出立方体边长为：口一／可
２模型建立
水下传感器网络的部署，必须解决节点部署及
一４５＊Ｒ，。＝４５＊Ｒ），方体每／Ｖ一ｄ：（／＝。立个顶点由８个立方体共享，心点只有１个立方体体
水下传感器网络部署优化研究
曾斌，德欢钟
４０３）３００（军工程大学，汉海武
摘
要：下传感器网络具有广阔的应用前景，也存在能量有限、迟较长、署区域不连通和通信能耗大等问题，水但延部理
论和实践证明传感器节点的优化部署是解决已上问题的有效方法。为此综合考虑水下传感器网络的工作环境及传感器特性，建立了提高网络可靠性的网络部署模型，出了网络部署的成本函数及约束条件，使用遗传算法对传感器节点和中转节点给并的部署成本及网络生命周期内的能量消耗进行优化。通过仿真实验表明，模型收敛速度快，署节点结果合理，到了较好该部达

声学传感器在水下探测中的创新应用

声学传感器在水下探测中的创新应用在探索海洋的奥秘以及保障水下安全等领域，水下探测技术发挥着至关重要的作用。

而声学传感器作为其中的关键设备，其应用不断创新，为我们打开了更广阔的水下世界认知之门。

声学传感器，简单来说，就是能够感知声音并将其转化为电信号的装置。

在水下环境中，由于水的特性，声波成为了信息传递的理想媒介。

相比其他探测手段，声波在水中传播时衰减小、传播距离远，能够有效地穿透水体，获取丰富的信息。

过去，声学传感器在水下探测中的应用主要集中在军事领域，如潜艇的探测和定位。

随着技术的发展，其应用范围不断拓展，涵盖了海洋科学研究、资源勘探、水下工程建设以及环境保护等多个方面。

在海洋科学研究中，声学传感器的创新应用为我们揭示了海洋生态系统的神秘面纱。

例如，通过声学传感器可以监测海洋生物的活动和分布。

科学家们利用声学传感器发射特定频率的声波，然后接收回波来判断海洋生物的种类、数量和行为模式。

这对于了解海洋生物的迁徙规律、种群动态以及生态平衡具有重要意义。

在资源勘探方面，声学传感器也发挥着不可或缺的作用。

石油和天然气等资源通常埋藏在海底深处，传统的勘探方法往往具有局限性。

而声学传感器可以通过声波反射来探测海底地质结构，帮助确定潜在的资源储藏区域。

同时，它还能够监测海底的热液活动，为寻找新型能源提供线索。

水下工程建设是声学传感器创新应用的又一重要领域。

在桥梁、码头等水下基础设施的建设过程中，声学传感器可以实时监测施工过程中的结构稳定性。

通过对声波传播速度和反射特性的分析，工程师能够及时发现潜在的结构缺陷和安全隐患，确保工程质量和施工安全。

此外，在环境保护方面，声学传感器为监测海洋污染和保护海洋生态环境提供了有力的手段。

它可以检测水下噪声的变化，从而评估人类活动对海洋生物生存环境的影响。

例如，船舶航行产生的噪声可能会干扰海洋生物的交流和导航，通过声学传感器的监测，我们可以采取相应的措施来减少这种负面影响。

近年来，随着人工智能、大数据等技术的融入，声学传感器在水下探测中的性能得到了进一步提升。

水下传感器网络的构建与优化研究

水下传感器网络的构建与优化研究在当今科技迅速发展的时代，水下传感器网络作为一种新兴的技术，在海洋探索、资源开发、环境监测以及军事应用等领域发挥着越来越重要的作用。

水下环境的特殊性，如高水压、低能见度、复杂的水流和有限的通信带宽等，给水下传感器网络的构建与优化带来了巨大的挑战。

水下传感器网络的构建首先要解决的是节点的部署问题。

由于水下环境的复杂性，节点的部署不能像在陆地上那样随意。

合理的节点部署方案能够确保网络的覆盖范围和连通性，从而有效地收集和传输数据。

在部署节点时，需要考虑多种因素，如监测区域的大小和形状、水流的速度和方向、节点的通信半径以及能量消耗等。

例如，如果监测区域是一个较大的矩形海域，可能需要采用均匀分布的部署方式，以保证整个区域都能被覆盖到；而如果监测区域是一个不规则的形状，或者存在特定的热点区域需要重点监测，那么就需要采用非均匀的部署方式，在关键区域增加节点的密度。

节点之间的通信是水下传感器网络的核心问题之一。

水下通信与陆地通信有很大的不同，主要的通信方式包括声波通信、光通信和电磁通信等。

声波通信是目前水下传感器网络中应用最广泛的通信方式，因为声波在水中能够传播较远的距离。

然而，声波通信的速率较低，而且存在多径传播、时延和多普勒频移等问题，这给数据的准确传输带来了困难。

为了提高通信质量，需要采用合适的调制解调技术、纠错编码技术以及多输入多输出（MIMO）技术等。

此外，还可以通过优化网络拓扑结构、路由协议和介质访问控制（MAC）协议等来减少通信冲突和能量消耗。

能量供应是水下传感器网络面临的另一个关键问题。

由于水下环境的限制，很难对节点进行频繁的电池更换或充电。

因此，如何有效地节约能量，延长网络的生命周期，是一个亟待解决的问题。

在硬件设计方面，可以采用低功耗的芯片和传感器，以及高效的电源管理模块。

在软件方面，可以通过优化通信协议、调整节点的工作模式（如休眠和唤醒机制）以及数据融合技术等来降低能量消耗。

基于先验概率模型的混合水下传感器网络部署

基于先验概率模型的混合水下传感器网络部署摘要：针对水下传感器网络，结合水声通信和光通信两种通信方式的优点，设计了新的水下传感器网络结构。

根据水下目标分布的先验概率模型，提出了混合水下传感器网络部署算法，实现了水下数据的高速传输和水下目标区域的高效覆盖。

仿真结果表明，算法能够较好地减少网络部署的节点数目、缩短数据传输延时，减少能量损耗，延长网络寿命。

关键词：水下传感器网络；先验概率模型；混合网络；光学通信0 引言水下传感器网络是目前传感器网络研究的热点，现有的研究主要集中在水下传感器网络结构的构建、水下传感器节点的研究和设计、水下传感器网络路由协议的研究和分析、水下传感器网络通信方式的选取和建立和水下传感器网络节点的部署等方面[1]。

正是因为水下传感器网络研究方向和内容的多样性，使得水下传感器网络的研究是一项艰巨而富有挑战性的任务[2]。

水下通信方式的选取对于水下传感器网络的结构以及效率起到决定性的作用[3]。

目前的水下传感器网络中水声信道通信已经被广泛地应用，特别是对于远距离的水下无线通信。

但在近距离的水下无线通信中，由于水声信道通信在水下传输过程中能耗较高、传播时间较长，通信带宽较高，水声通信没有明显的优势。

随着高亮度蓝绿LED光源和激光二极管技术的发展，使得高带宽的水下光学通信在近距离通信方面替代水声通信成为可能。

水下光学通信在获得较高的数据传输效率和较小的传输过程延时的同时，可以方便地应用在水下自动机器人和节点之间通信，是一种有吸引力的通信方式。

文献[4]中提出了一种通过软件定义传输过程中调制和解调列表的方式，使得水下光学通信的完全实施变得更为方便，证明了两种类型的链路使用LED或激光器的可行性，使网络连通性在现成的硬件基础上能够完成。

文献[5]中做了对基于光学通信的水下传感器网络方面的探索，并对基于LED的水下光学通信的发展进行了说明。

文献[6]和文献[7]中从网络部署的结构方面对水下光学通信传感器网络的设计进行了深入的研究和分析，提出了一种将水下光学传感器节点部署在网状结构中，设计算法来选择相邻的水下传感器节点之间点到点链路，通过这些链路的搭建形成鲁棒性较好的拓扑网络结构。

水下声学传感器网络节点定位算法及自组织过程研究

立水下声学传感器网络（ＵＳｓｎｅａｅＡＮ：Ｕｄｒｔｗｒ
ＡｏｓｃＳｎｏｅｏｋ）ｃｕｔｅｓｒｔｒｓ已成为各同研究的重点问ｉＮｗ题之一。可以通过将微型通信节点布置在海底，或通过飞机、舰艇和潜艇随机布撒在一定深度的海区，自组织的形成水下传感器网络，实现海洋环境监以
Ａｂｔａｔ：Ｗｉｈｒｂｅｏｐｒｅａｃｏｏｅｎｕｄｒｔｒａｏｓｉｅｓｒｎｔｒｓ，ｉｔｉｕｅｏｅｌ— ｓｒｃｔｔｅｐｏｌｍｆｓａｓｎｈｒｎｄｓｉｎｅｗａｅｃｕｔｃｓｎｏｅｗｏｋａｄｓｒｂｔｄｎｄｏｈｃｌｚｔｏｌｏｉｍｓｐｔｆｒｒＩｒｅｏｐｏｉｅｔｅｎｏｍａｉｎｆｒｎｄｏａｉａｉｎａｇｒｔｍｕｈｓｔｅａｉａｉｎａｇｒｔｈｉｕｗａｄ．ｎｏｄｒｔｒｖｄｈｉｆｒｔｏｏｏｅｌｃｌｔｌｏｉｈｓｃａｈｏｚｏ
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ｎｉｈｏｈｏｅａｉｎｔｂｅ．ｉｔｉｕｅｎ１ｃｎｕｒｎｔｒｎｍｉபைடு நூலகம்ｏｌｏｉｈｉｒｓｎｔｄｗｈｃｎｌｄｓａｅｇｂｒｏｄｒｌｔｏａｌｓａｄｓｒｂｔｄａ（ｏｃｒｅｔｄａａｔａｓｓｉｎａｇｒｔｍｓｐｅｅｅｉｈｉｃｕｅ

水下无线传感网络

十．水下无线传感网络水下无线传感网络水下无线传感网络与陆地无线传感网络的不同特点的具体表现水下无线传感网路通信技术水下无线传感器节点的组成水下无线传感器网络体系结构水下无线传感网络的定位水下传感器网络部署在极其复杂可变的水下环境中，主要利用水声进行通信，有着许多与陆地无线传感器网络不同的特点，具体表现在：第一，水下信道具有高时延、时延动态变化、高衰减、高误码率、多径效应、多普勒频散严重、高度动态变化以及低带宽等特点，被认为是迄今难度最大的无线通信信道；第二，水下节点和网络具有移动性特点；第三，水下节点使用电池供电，更换电池更为困难。

另外，节点发送信息耗能比接收信息往往大很多倍；第四，由于水下节点价格昂贵，水下网络具有稀疏性的特点．水下传感器网络的这些特点，使得陆地无线传感器网络协议不能直接应用于水下，必须研究适应水下网络特点的新协议．1.水下无线传感器网络通信技术1）.无线电波通信：无线电波在海水中衰减严重，频率越高衰减越大．水下实验表明：MOTE节点发射的无线电波在水下仅能传播50～120am因此，无线电波只能实现短距离的高速通信，不能满足远距离水下组网的要求．2）.激光通信：蓝绿激光在海水中的衰减值小于0.01dB／m，对海水穿透能力强．水下激光通信需要直线对准传输，通信距离较短，水的清澈度会影响通信质量，这都制约着它在水下网络中的应用．不过，它适合近距离高速率的数据传输。

3）.水声通信：目前水下传感器网络主要利用声波实现通信和组网．最早的水声通信技术可以追溯到20世纪50年代的水下模拟电话。

．20世纪80年代出现了取代模拟系统的数字频移键控技术以及后来的水声相干通信技术．20世纪90年代DSP芯片及数字通信技术的出现，尤其是水下声学调制解调器的问世，为水下传感器网络的发展奠定了坚实的基础．水下声学传播特征：高时延和时延的动态变化；水声信号衰减大，通信信道带宽低；多经效应严重；传输误码率高。

水下声学技术在海洋生物多样性保护中的应用研究

水下声学技术在海洋生物多样性保护中的应用研究海洋生物多样性是维持海洋生态系统健康的必要条件。

然而，随着人类活动的增加以及环境变化的影响，海洋生物多样性正面临严重的威胁。

为了保护海洋生物的多样性，研究人员开始利用水下声学技术来进行监测和研究。

本文将探讨水下声学技术在海洋生物多样性保护中的应用研究。

一、水下声学技术简介水下声学技术是一种利用声波在水下传播的原理来实现远距离通信、目标探测和信号定位的技术。

在海洋中，声波传播的速度远远快于光波和电磁波，而且相对于其他传感技术而言，水下声学技术的成本较低，适用于远距离和实时监测。

因此，水下声学技术成为了海洋生物多样性研究领域的重要工具。

二、水下声学技术在海洋生物监测中的应用1. 声纳探测技术声纳探测技术是一种利用声波回波来识别和跟踪海洋动物的方法。

通过将声波发射到海洋中，然后接收回波信号并分析其特征，可以判断出水下目标的种类、数量和位置。

这对于海洋生物多样性的监测和保护具有重要意义。

例如，利用声纳探测技术可以追踪座头鲸等大型海洋哺乳动物的迁徙路径，以及监测渔业活动对海洋生态系统的影响。

2. 声纳定位技术声纳定位技术是一种利用声音信号的传播时间和强度差异来确定海洋生物位置的方法。

通过在不同位置上部署多个声源和接收器，可以实现对海洋生物的定位追踪。

这对于海洋保护区的管理和海洋生态系统研究至关重要。

例如，在鲨鱼保护项目中，声纳定位技术可以帮助研究人员追踪鲨鱼的迁徙路径，了解它们的栖息地和迁徙习性，从而为其保护提供科学依据。

三、水下声学技术在海洋生物行为研究中的应用1. 声纳标签技术声纳标签是一种携带声学传感器的装置，可以将其固定在海洋生物身上，用于记录和分析其行为和环境信息。

声纳标签技术可以帮助研究人员了解海洋生物的迁徙、觅食和交配行为，以及其对环境变化的适应能力。

例如，利用声纳标签技术可以研究海龟在孵化后的迁徙路径和生活习性，为海龟保护和管理提供数据支持。

2. 水下声学传感网络水下声学传感网络是一种基于水下声学通信的多节点传感器网络，可以实现对海洋生物和环境参数的实时监测。

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部署研究特别是以优化网络资源、长网络寿命为目的水下传感器网络非均匀部署的研究较少。改进了现有传感器探测模延型，立探测功率与传感半径的关系，合体心立方格覆盖方案，立了水下传感器网络非均匀部署模型，真实验表明，建结建仿非均匀部署模型有效地控制了节点部署密度，衡了网络能量，对于均匀部署模型显著提高了网络寿命。平相关键词：下传感器网络，均匀部署，率控制，水非功寿命优化
基于功率控制的水下声学传感器网络部署
钟德欢，曾斌，姚路
４０３）３００（军工程大学管理工程学院，汉海武
摘
要：目前对在传感器网络部署优化的研究中，要集中在二维传感器部署优化的研究上，水下三维传感器网络的主对
Ｖｏ．３６Ｎｏ．１，９
ＳｅＺｌｐ，Ｏ１
火力与指挥控制
ＦｉｅＣｏｔｏｒｎｒｌ＆ＣｏｍａｄＣｏｎｒｌｍｎｔｏ
第３６卷
第９期
２１０１年９月
文章编号：０２０４２１）９０１－３１０ — ６０（０１０ — １５０
ｐｒｐｏｅｍｐｏｖｎｈｅｃｎｅｔｏｔｅｅｉｇｐｏｒａｅｉａｉ１Ｔｈｅｓｍｕａｉｎｒｓｌｓｏｓｄｂｙｉｒｉｇｔｏｎｃｉｎｂｅｗｅｎｓｎｓｎｗｅｎｄｓｎｓｎｇｒｄａ．ｉｌｔｏｅｕｔｓｏｗｔｔｈｅｈｈａｔｍｏｅｃｎｏｒｌｈｅｄｌａｃｎｔｏｔｄｅｉｙｆｈｅｅｓｒｎｄｎｓｔｏｔｓｎｏａｂａａｃｔｅｅｇｙｆｆｅｅｔｒａｌｎｅｈｅｎｒｏｄｉｆｒｎａｅ
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中图分类号：２２ＴＰ１文献标识码：Ａ
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