水下聲學傳感器網(wǎng)絡研究*

何 明，陳秋麗，葉旭光，權冀川，陳希亮

（解放軍理工大學指揮信息系統(tǒng)學院 南京 210007）

1 引言

隨著人們對海洋科學研究、商業(yè)開發(fā)及水下軍事行動等需求的日益增加，迫切需要能夠進行長時間工作、高可靠、低時延、低能耗的水下聲學傳感器網(wǎng)絡（underwater acoustic sensor network，UASN），以滿足人們在海洋水文信息探測、海洋漁業(yè)資源調查、海洋礦產資源勘探、水下災害預警和水下入侵監(jiān)測等方面的應用需求[1,2]。

在水下聲學傳感器網(wǎng)絡應用之前，水下數(shù)據(jù)的感知和收集工作一般通過有線網(wǎng)絡來完成，這種方式代價高昂并且需要大量工程技術輔助，靈活性很受限制[3,4]，而水下聲學傳感器網(wǎng)絡將大量適合水下環(huán)境的傳感器節(jié)點部署于監(jiān)測水域，節(jié)點間通過聲通信的無線方式自組織構成水下聲學傳感器網(wǎng)絡，不僅部署代價相對低廉，且其分布式結構能夠在水下監(jiān)測應用中展現(xiàn)出更高的靈活度，具有廣闊的應用前景。

本文首先針對水下聲學傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點位置及功能的不同，提出了水下聲學傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)模型；接著，對水下聲學傳感器網(wǎng)絡國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)進行了介紹；然后，著重分析了水下聲學傳感器網(wǎng)絡物理層面臨的一些技術挑戰(zhàn)；最后，從3個方面對水下聲學傳感器網(wǎng)絡的研究意義進行了總結。

2 系統(tǒng)模型

水下聲學傳感器網(wǎng)絡結構是一個開放性的研究領域，對于不同的海洋環(huán)境和應用要求需采用不同的網(wǎng)絡拓撲結構[5]。但總體來說，根據(jù)水下聲學傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點位置及功能的不同，可以得到水下聲學傳感器網(wǎng)絡的原型系統(tǒng)模型，如圖1所示。圖中顯示了一個與無線陸地和衛(wèi)星網(wǎng)絡相集成的三維水下聲學網(wǎng)絡，與二維靜態(tài)拓撲相比，三維動態(tài)拓撲中的水下傳感器節(jié)點具有深度和可變性。

圖1 水下聲學傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)模型

·水面監(jiān)測層：由水面上的無線傳感器節(jié)點構成。主要包括匯聚（sink）節(jié)點，用于收集水下傳感器節(jié)點以及 AUV（autonomous underwater vehicle）節(jié)點收集到的監(jiān)測信息，并將收集到的信息通過衛(wèi)星、船舶或近岸基站傳送給用戶。

·水中監(jiān)測層：由懸浮在水中的傳感器節(jié)點構成。這些節(jié)點包括兩類：一類是不能自主移動的普通傳感器節(jié)點，這類節(jié)點帶有氣囊，由鎖鏈牽引被錨定在水底，利用海面浮標將節(jié)點下降到水中不同深度，用于監(jiān)測水中空間內的信息；另一類是AUV節(jié)點，其實質是一種水下機器人，這類節(jié)點能夠自主移動，體現(xiàn)了水下聲學傳感器網(wǎng)絡的移動性，主要用于定位固定節(jié)點，通過近距離光通信的方式與固定節(jié)點通信，實現(xiàn)命令的傳達與數(shù)據(jù)的回收。當固定節(jié)點發(fā)生節(jié)點失效或網(wǎng)絡分割時，自移動到失效位置幫助網(wǎng)絡拓撲愈合。

·水底監(jiān)測層：由被錨定在水底的傳感器節(jié)點構成。可能存在通過水聲通信的無線傳感器節(jié)點，也可能存在相互間用有線方式連接的傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點監(jiān)測到的信息或通過自移動節(jié)點（AUV節(jié)點）定時收集，或傳送給水中的匯聚節(jié)點，再由sink節(jié)點發(fā)往水面基站，然后通過無線電與衛(wèi)星、船舶或近岸基站通信，最終實現(xiàn)用戶對水底信息的實時掌握。

3 研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)

（1）研究現(xiàn)狀

美國最早開始水下聲學傳感器網(wǎng)絡的研究，20世紀50年代，美國就將水聲監(jiān)視系統(tǒng)（SOSUS）運用于太平洋和大西洋的海域中。美國麻省理工學院研發(fā)了水下機器人AUV，可進行自主式移動，構建了移動節(jié)點與固定節(jié)點相結合的水下傳感網(wǎng)絡（AOSN）[6]。美國南加利福尼亞大學對水下移動傳感網(wǎng)絡的水聲通信與網(wǎng)絡協(xié)議進行了研究，提出了密集型水下傳感器網(wǎng)絡的概念，為更適應水下工作環(huán)境，研發(fā)了具備檢測接收信號能量和控制功耗等功能的水聲通信系統(tǒng)[7.8]。另外，水聲網(wǎng)絡的通信模式及傳感器節(jié)點的定位算法領域也收獲了一些研究成果[9,10]。隨后歐盟、日本、加拿大等地區(qū)和國家也投入水下通信網(wǎng)絡領域的研究中，人類對深海領域的監(jiān)測成果有了新的進展。

我國從“八五”期間就開始水聲通信的研究，自2006年起，水下聲學傳感器網(wǎng)絡被列為國家自然科學基金重大項目。在水下聲學傳感器網(wǎng)絡的通信、水下聲學傳感器節(jié)點部署設計、網(wǎng)絡拓撲自組織構建等方面有顯著成果。各知名大學也紛紛組建項目組，提出關于水聲傳感網(wǎng)絡各項技術的研究課題，國家“863”計劃也多次在相關領域立項，水下聲學傳感器網(wǎng)絡的研究更加系統(tǒng)。具體計劃見表1。

建立水下傳感網(wǎng)絡，在近海、公海和海底等位置觀測諸如氣候變異、海洋環(huán)流、海洋酸化等復雜的海洋過程。

（2）發(fā)展動態(tài)

與國外發(fā)達國家相比，國內的研究起步較晚，大部分還僅處在理論探索階段，在水聲通信[13]、協(xié)議安全[14,15]、節(jié)點布置[16,17]等方面有了一定進展，然而，針對UASN存在的鏈接時延較長且多變、帶寬較低、節(jié)點能量有限、誤碼率高等問題，國內的研究尚不完善。因此，水下聲學傳感器網(wǎng)絡的研究仍面臨著許多技術挑戰(zhàn)。

4 物理層技術挑戰(zhàn)

高品質的通信是成功實現(xiàn)監(jiān)測、探測及預警系統(tǒng)面臨的關鍵問題，這對于陸地和衛(wèi)星通信技術來說已經取得了顯著的進步，但對于水下通信來說，仍存在許多瓶頸需要解決，見表2。復雜的水下環(huán)境以及隨之產生的高能耗使得傳感器網(wǎng)絡在水下環(huán)境中的應用受到很大限制，尤其是由于多通道信號的傳播以及媒介的時變性，使得聲學通信能力受到了較為嚴重的限制，造成聲學通信鏈路質量較低、信道波動較大等問題。

表1 各國水下聲通信網(wǎng)絡研究計劃

表2 水下聲學傳感器網(wǎng)絡特點與側重關注點

為提高水下聲學傳感器網(wǎng)絡通信質量，功率和能量最優(yōu)化非常重要，這是因為聲學通信比其他無線通信耗能更多，且水下環(huán)境中能量補給更加困難。水下傳感器節(jié)點一般是由電池驅動的，通過降低傳輸功率可以延長網(wǎng)絡壽命，但同時又會使誤碼率增加。這些促使水下聲學傳感器網(wǎng)絡設計要求低功耗，并在最小復雜度的情況下有盡可能低的誤碼率。而要實現(xiàn)這一目的，需要從物理層著手對傳感器節(jié)點及水聲通信網(wǎng)絡進行分析設計，主要解決如下幾個技術挑戰(zhàn)。

（1）多普勒傳播

多普勒頻率傳播在水下聲通信信道中尤為重要，特別是在受到自然干擾、數(shù)字通信性能退化的時候。高數(shù)據(jù)速率的傳輸會產生很多鄰近的符號來干擾接收器，因此需要成熟的信號處理機制來對產生的內部符號干擾進行處理。

多普勒傳播產生：一個簡單的頻率轉化，使接收器對其補償相對簡單；一個連續(xù)的頻率傳播，構成了一個不可轉變的信號，使接收器的補償變得更加困難。如果一個信道有B帶寬的多普勒傳播以及一個信號的符號持續(xù)時間為T，那么在它復雜的封裝中大約有B×T個不相關采樣。這取決于所考慮的海洋環(huán)境，大多數(shù)被描述的因素都是由水媒介的化學—物理屬性引起的，如溫度、鹽堿度、密度以及因素的空間—時間變化，這些變化連同信道的波動引導特性，一起產生了聲學信道時間和空間的變化。目前，不管在深水還是淺水中，水平信道比垂直信道的變化速度更快。

（2）路由方法

陸地傳感器網(wǎng)絡應用普遍采用設計路由算法來使通信能耗最小，最終增加傳感器壽命。這種思想同樣適用于水下及空間的應用，所以Friis無約束的太空傳播模型必須被考慮在內。這種模型對接收到的以及傳輸?shù)哪芰恐g的關系進行了定義，并且聲明當信息是通過多跳路徑從源點到目的地傳輸時，通信能耗大幅度減少。

然而，分步式的衛(wèi)星任務產生了嚴格的時間限制，尤其是對于地球同步衛(wèi)星而言。典型的無線實時控制系統(tǒng)對于端到端的等待時間，包括感知、通信、計算和行動的上限為10 ms，這意味著多跳傳輸?shù)木窒拊谟谔幚怼⒌却蛡鞑サ葧r延。

（3）水下節(jié)點的能量采集

水下能量采集的一種典型方法就是利用水波的移動。Eco Wave Power構建并測試了它的海洋波流能量產生模型——“Wave Clapper”以及“Power Wing”。最近哈佛科學家提出了一種海底活電池，這種電池由生活在它自身附近的微生物補充電量。由于這些微生物以從海床里漂浮上來的有毒化學物質為食，它們能夠產生一種生物電流，這種電流可以在它們居住的類似于“煙囪式”的構筑物墻體上流動，而這種能量或許可以保證部署在海床上的傳感器節(jié)點正常工作。丹佛科羅拉多大學的科學家們受微生物燃料細胞（MFC）學啟發(fā)，開發(fā)出了一種極富創(chuàng)新性并且非常高效的能量系統(tǒng)，利用可降解的物質（如廢水或航海沉淀物等）中產生的細菌對傳感器節(jié)點直接充電。如果這些能量補充技術中的任意一種被有效應用于水下聲學傳感器網(wǎng)絡中，那么其網(wǎng)絡生命周期將會得到極大的延長。

5 研究意義

（1）科研意義

針對我國海洋環(huán)境監(jiān)探測存在的時空覆蓋范圍有限、監(jiān)測空間尺度較小、數(shù)據(jù)傳輸與處理能力有限、探測手段單一等不足，水下聲學傳感器網(wǎng)絡研究作為海洋監(jiān)測重大科學問題的關鍵環(huán)節(jié)，是物聯(lián)網(wǎng)水下應用科學前沿的突破點，可為該領域的研究進展積累關鍵的基礎資料和數(shù)據(jù)，對揭示水下聲學傳感器網(wǎng)絡拓撲演化機理有重要意義，為傳感器網(wǎng)絡可靠性研究提供了新思路和理論依據(jù)。

（2）軍事意義

黃巖島和釣魚島等海域爭端說明海洋是人類的主要戰(zhàn)場之一。外軍先進潛艇及其他水下武器對我國海域造成了軍事威脅。在現(xiàn)代水下作戰(zhàn)時，水下聲學傳感器網(wǎng)絡是集偵察、警戒、指控、通信、導航、定位、目標攻擊、綜合作戰(zhàn)能力于一體的龐大體系。未來海戰(zhàn)可充分發(fā)揮近?？臻g優(yōu)勢，水下聲學傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展甚至可能影響到海軍軍事戰(zhàn)略的變革，從而有效提高對水下目標的實時監(jiān)測能力和海洋水文信息獲取能力，對提高國家海防水平具有重大軍事意義。

（3）經濟與社會意義

我國是海洋大國，有數(shù)百萬平方公里的專屬經濟區(qū)，海底蘊藏著豐富的礦產資源與油氣資源，水下聲學傳感器網(wǎng)絡對海洋礦產資源勘探有重要實用價值，對解決我國未來的礦產與能源短缺問題具有極其重大的意義。同時，彌補了我國現(xiàn)有海洋監(jiān)探測技術的不足，有效提高了我國海洋環(huán)境監(jiān)探測能力。

6 結束語

水聲通信網(wǎng)絡承擔著探測、數(shù)據(jù)通信的重要使命。但由于水聲信道惡劣的傳輸條件，使得信道帶寬嚴重受限，聲信號易受強環(huán)境噪聲、時變多徑的影響，產生嚴重的碼間干擾、高傳輸時延以及大的多普勒頻移擴展。依據(jù)水聲通信網(wǎng)絡的特殊性，綜合考慮網(wǎng)絡時延、節(jié)點能耗及傳輸成功率等因素，保證通信的高質量，提高水下聲學傳感器網(wǎng)絡可靠性迫在眉睫。本文對水下聲學傳感器網(wǎng)絡的國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)進行了介紹，分析了水下聲學傳感器網(wǎng)絡結構，并闡述了保證高質量通信所面臨的物理層技術挑戰(zhàn)。下一步工作主要是針對水下聲學傳感器網(wǎng)絡拓撲進行研究，并尋求提高網(wǎng)絡可靠性的技術途徑與方法。

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