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。

2.水下无线传感器节点的基本组成

主要由控制器(CPU)、存储器、传感器和水声调制解调器等组成。

与陆地上的主要区别是控制器通过调制解调器发送或接收数据．发送数据时，数据信息经过调制编码，然后通过水声换能器的电致伸缩效应将电信号转换成声信号发送出去．在接收信号时，则利用水声换能器压电效应进行声电转换，将接收的信息解码还原成有效数据送往控制器．

3.水下无线传感器网络体系结构

按其监测的空间区域不同大致可分为：

1）.二维监测网络：在该模型中，传感器节点被锚定在海底，监测信息可以通过AUV定时收集，或直接发往浮在水面上的基站，然后通过无线电与卫星、船舶或岸上陆基基站，最终将海底监测信息实时地传送给用户．

2）三维监测网络：分为固定3D监测网络和移动3D监测网络

固定3D监测网络：可由带有气囊的水下节点锚定在海底，形成固定的监测网络．或利用海面浮标，将节点下降到不同的深度，也可以形成3D监测网络。

移动3D监测网络可由多个AUV、水下滑翔机等单独组成网络，或与固定节点形成3D混合监测网络．

3）立体监测网络：由水面上的无线传感器网络和水下传感器网络组成，二者结合为一个统一的网络，水面网络部分利用无线电通信。

4．水下路由协议

（1）一种基于表驱动路由协议设计思想的选优能量路由协议

该协议在数据传送时总是选取目标函数解较优的路径。从而能够高效利用传感器节点的能量，同时均衡各节点的能量消耗。

根据路由驱动方式的不同，可以将路由协议分为主动式(Proactive)路由协议和被动式(Reactive)路由协议HJ。主动式路由协议也叫表驱动路由协议，也即网络中的每个节点采用周期性广播路由信息，通过交换路由信息主动地寻找路由，建立并记录一张或几张到达目的节点的路由表。当源节点需要发送数据时，可以从路由表中立即查出指向目的节点的路由，从而减小数据传输的时延。被动式路

由协议是指：当需要向目的节点发送数据而路由表中没有可用路由时，则开辟新的路由。这种按需建立路由的机制虽然可节省路由的能耗，但是增大了数据传输的时延。

考虑到水下节点能量有限和水下节点间通信能耗大的特点，引进多跳分布式网络拓扑结构，利用选优目标函数的解优化选择路由，提出选优能量路由协议(Excellent—ChoosingEnergy Routing Protoc01)。

刘玉梁，潘仲明.水下无线传感器网络能量路由协议的仿真研究.传感技术学报.2011，24（6）:905-908

（2）种基于前向簇头与前向网关的无线路由协议(FFBR)

其思想是基于分簇结构，引入前向簇头和前向网关的概念，并在分簇初始化的过程中“捎带”选择前向簇头和前向网关，以形成朝向sink的方向性节能路由。它避免了路由建立的开销和时延，同时保证数据传榆时网络能耗均衡，以减小水声高延迟、高能耗带来的不利影响。

优点：该协议减小了路由形成的开销和时延，保证数据传输最趋于sink节点、网络能耗均衡，以减小水声通信高延迟和高能耗带来的不利影响。

FFBR协议比DSR协议能更好地适应水声高延迟、高能耗通信环境，不但有较高的连通率，而且能节省网络能量，提高数据传输的及时性。

张剑，黄本雄，张帆，涂来.一种适合水下无线传感器网络的能量有效路由协议.计算机科学.2008，25（1）：38-41

5.水下无线传感器网络的定位

特点：水下不能直接使用GPS；水下信道带宽低，通信开销大的协议不适用于水下；节点随海流的移动等．

分为基于测距的定位和基于非测距的定位．

（1）基于RToF的协作式节点定位算法

利用适合水下传播的声波信号，采用RToF测距算法，可以减少对时钟同步的要求。

RToF (roundtrip time of flight)L91：如果发射机和接收机属于不同时钟域或无法进行严格的时钟同步，可以用计算往返时间、扣除处理延时的方法估计发射机和接收机之间的距离，基本原理如图10所示，可得距离d的表达式为