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水下传感器网络「科技前沿」 精选

已有 6302 次阅读 2016-11-29 08:14 |系统分类:科研笔记

无线传感器网络(wirelesssensor networksWSN)将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起,扩展了人们的信息获取和管控能力,在国防军事、环境监测、目标跟踪、抢险救灾、智能控制、生物医疗等领域具有广泛的应用前景,成为信息科学的重要研究领域。将传感器网络应用到水环境中的新型网络形式——水下传感器网络(underwater wireless sensor networksUWSN)的研究与应用也逐渐受到各国工业界、学术界、科研机构等极大关注,水下传感器网络直接细粒度的实时数据为有效解决水下监测提供重要保障基础。




水下传感器网络


21世纪开启了人类全面开发、利用海洋资源的新纪元,水下传感器网络(underwater wireless sensor networks,UWSN)作为一个新生的信息网络已逐步成为各国学者研究的热点,在海洋环境监测、近海勘探、辅助航行、海啸预警以及海洋军事等领域具有广阔的应用前景。


UWSN通常包括水下节点、水面中继站、船基接收站、卫星以及地面接收站等。许多水下节点被随机部署在监测区域,为了全方位地监测各种信息,水下节点通常漂浮在不同的深度。这些水下节点能够随着海水的流动而移动,通过自组织的方式组成网络。节点将自己收集到的信息经过邻居节点的逐跳转发,经过数次传输之后到达水面中继站,最后通过卫星或者互联网到达地面基站。UWSN的拓扑如图1所示。




图1  水下传感器网络拓扑


无线局域网(WLAN)、移动自组网(MANET)、无线传感器网络(WSN)等传统网络采用无线电波进行通信。由于水的吸收作用,电信号在水中传输衰减严重,且频率越高,衰减越快。研究表明,遵循IEEE 802.11b/g(2.4GHz)或IEEE802.15.4(868MHz,915MHz,2.4GHz)协议的节点发送的无线电波在水中的传输距离通常为50~100cm。30~300Hz的超低频无线电波在水中的传播距离可以达到100多米,但是需要很大的接收天线,这对于水下传感器节点来说实现比较困难。由此可见,无线电波在水中的传播距离极为有限,无法在水下有效地工作。


水环境中的激光通信主要采用蓝绿光,蓝绿光在海水中的衰减小于10-2dB/m,对海水的穿透能力较强。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。蓝绿激光仅仅适合短距离、高速率的水下数据传输。综上所述,激光和无线电波都无法广泛地应用于UWSN通信。因此,水下网络节点采用声波通信。


水声通信的特点


与传统的WSN相比,采用水声通信的UWSN网络具有以下特点。


1.传播延迟大

声波在水中的传播速度是1500m/s,比地面无线电波(3.0108m/s)的传播延迟高了大约5个数量级。水声信号的传播速度受海水的压强、温度、盐度等物理特性的影响较大,具有明显的时空变特性。


2.频带窄

传输距离在1~10km的系统,带宽只有10kHz;传输距离为0.1~1km的水声通信系统的带宽为20~50kHz;若保证网络的带宽达到100kHz及以上,则通信的距离只有几十米。另外,UWSN中的传输带宽还具有时变的特性。


3.能量有限

由于传输距离较远,信号的发送与接收都需要进行额外的处理以补偿信道衰落,因此与无线电波通信相比水声通信更加消耗能量。与传统的调制解调器相比,UWSN中的声学调制解调器需要消耗更多的能量,而水下节点采用电池供电,在恶劣的水下环境中充电和更换都非常困难。孙利民等分析了传感器节点各组成部分的能量消耗情况,如图2所示。




图2  传感器节点能量消耗


4.多径效应

声波在水面和水中传播时,易受折射以及海底、海面反射的影响,导致声源发出的信号沿着多条不同的路径先后到达目的节点。如图3(a)所示节点S发送的信号沿着三条不同的路径到达目的节点R。以上信号在目的节点相互叠加,造成信号的起伏和畸变。沿不同路径传播的信号到达目的节点的时间不尽相同(图3(b)),使得信号的振幅与相位的相关性减弱,给信号的解调带来了极大的困难。




图3  多径效应


5.多普勒效应

水下传感器节点会随着水流而移动,声波的传播速度与无线电波的传播速度相比差了约5个数量级,节点很小的移动就会造成多普勒频移,并且水声信道的载波频率比较低,两者共同作用使得水中的多普勒频移远远大于地面的无线电波通信中的多普勒频移。


6.“远-近”效应

“远-近”效应是指信号强度受传输距离的影响。当节点采用相同的功率与基站通信时,由于距基站的距离不同,造成信号在传输过程中发生不同程度的衰减。距离基站越近,信号越强,反之越弱,如图4所示。



图4  “远-近”效应


7.误码率高

水下环境恶劣,声波传输过程中易受路径损耗、环境噪声、多径效应和多普勒频移的影响导致信号的出错率较高。根据传输范围和调制方法的不同,水声通信的误码率在10-710-3,且随着传输范围的不断增大而增加。


8.低带宽

水声信道的带宽依赖于声波频率及其传输距离。大部分声音系统的工作频率在30kHz以下。根据文献,目前对传输距离与带宽积的研究或商业系统还没有能够超过40km′kbit/s(IEEE 802.11的无线电波通信可达到5000km′kbit/s)。IEEE 802.11的带宽可达几十、几百兆,而传输几千米的水声信道带宽大约是几十kbit/s,几十米的短程系统带宽也只有几百kbit/s,这给水下音、视频及应急信息通信带来较大的挑战。


9.网络连通性差

首先,水下传感器网络节点处于环境较为恶劣的江、河、湖泊、海洋中,长期的浸泡、腐蚀使得节点故障率较高;其次,陆地传感器网络节点一般都是静止的,而水下传感器网络的节点可能会随着水流和其他水下活动而改变位置;再次,相对于价格低廉的陆地传感器节点,水下节点声学通信模块复杂、恶劣的水下环境需要增强的硬件保护装置,因此水下传感器节点具有价格昂贵、部署稀疏的特点。与陆地WSN、MANET等网络相比,UWSN网络连通性更差。



本文由王芳摘编自杜秀娟、苏毅珊《水下传感器网络研究》一书第一章部分,内容有删节。



ISBN:978-7-03-050067-0


水下传感器网络采用声波进行通信,具有长时延、低带宽、高误码率、动态拓扑、能量受限等系列特性,节点的有限资源决定了其上运行的协议不能太复杂,而现有的通信协议栈难以满足水下传感器网络性能要求。
  

《水下传感器网络研究》分析了水下传感器网络的应用、通信特点,以及传统协议架构在水下传感网络的应用局限性,阐述了:Micro-ANP通信协议架构及水下传感器网络的各层协议与关键设计技术,并给出Micro-ANP架构的实现。本书重视理论结合实际应用,使相关领域的读者能够比较容易地理解《水下传感器网络研究》内容。

《水下传感器网络研究》既可作为学习无线网络、传感器网络、物联网技术的本科生和研究生的参考书,也可作为从事物联网、水下传感器网络的工程技术及研究人员的参考书。


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