水聲通信網(wǎng)絡(luò)研究

尹成 席暉

在水中，光波、電磁波的傳播衰減都非常大，即使是衰減最小的藍(lán)綠光的衰減也達(dá)到了40dB/km，因而它們?cè)诤Ｋ械膫鞑ゾ嚯x十分有限，遠(yuǎn)不能滿足人類(lèi)海洋活動(dòng)的需要。在非常低的頻率（200Hz以下），聲波在海洋中卻能傳播幾百公里，即使20kHz的聲波在水中的衰減也只有2-3dB/km，因此水下通信一般都使用聲波來(lái)進(jìn)行通信。采用聲波作為信息傳送的載體是目前水下實(shí)現(xiàn)中、遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的有效手段。

淺海水聲信道是一個(gè)時(shí)間-空間-頻率變化大、多途干擾強(qiáng)的信道。水下環(huán)境噪聲復(fù)雜且噪音高，傳輸損耗大，可以使用的帶寬非常有限。在淺海中，特別是在港灣航道附近，環(huán)境噪聲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于深海，且淺海中的水質(zhì)也比深海渾濁，造成對(duì)聲音信號(hào)較高的散射和吸收。當(dāng)聲波頻率較高時(shí)，超過(guò)一定距離，渾濁的淺海海水對(duì)聲波的散射和吸收作用會(huì)起到主導(dǎo)作用，使淺海傳輸距離小于深海。同時(shí)，淺海的多途效應(yīng)更加復(fù)雜，會(huì)造成接收信號(hào)的強(qiáng)烈起伏和嚴(yán)重的碼間干擾。水聲通信網(wǎng)絡(luò)同其他大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)一樣，都用分層的方式來(lái)組織網(wǎng)絡(luò)。但是，與OSI協(xié)議棧模型和TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)不同，水聲通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由下往上分為三層，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。

1、水聲通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由主控制器、接口電路、水下傳感器、內(nèi)存、聲音modem以及供電部分構(gòu)成。控制器通過(guò)傳感器接口電路與傳感器相連?？刂破鹘邮諅鞲衅鞯臄?shù)據(jù)，儲(chǔ)存在內(nèi)存中，然后，處理這些數(shù)據(jù)，并通過(guò)聲信號(hào)發(fā)送給其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。水下傳感器包括用于測(cè)量水質(zhì)、研究水的溫度、密度、鹽度、酸度、化學(xué)、傳導(dǎo)性、PH值等特性的傳感器。圖1顯示了水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、水聲通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)問(wèn)題是指在給定各交換節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)所在地的情況下，選擇合適的路由，并對(duì)線路進(jìn)行合理的流量和容量控制，以保證網(wǎng)絡(luò)可靠性，降低網(wǎng)絡(luò)成本。因而，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的好壞對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能和經(jīng)濟(jì)性都有重大的影響，是實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)。

在通信網(wǎng)絡(luò)中，較常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜投嗵骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)間的通信是通過(guò)中心站進(jìn)行的，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一條點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路與中心節(jié)點(diǎn)鏈接，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合于深海網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，易于升級(jí)擴(kuò)充；主要缺點(diǎn)是因?yàn)橹行墓?jié)點(diǎn)的可靠性決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，所以如果中心站出故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)中斷，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性低。此外，由于單個(gè)聲信號(hào)的傳輸距離有限，網(wǎng)絡(luò)不能大面積覆蓋。

分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫且环N全連接對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（如圖3），網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)直接與主節(jié)點(diǎn)連接，都可以通信，因而這種結(jié)構(gòu)不需要路由選擇，但要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率大，從而能量消耗大。由于水下設(shè)備能源有限，因此分布式結(jié)構(gòu)只能用于很小范圍的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)。

多跳式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫且环N多次中繼的對(duì)等結(jié)構(gòu)（如圖4），網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)靠相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多次中繼，最后到達(dá)主節(jié)點(diǎn)，再由主節(jié)點(diǎn)與岸基系統(tǒng)通信。這種網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍是由節(jié)點(diǎn)數(shù)決定的，因而可以覆蓋相當(dāng)大的區(qū)域，且單個(gè)節(jié)點(diǎn)功耗小，對(duì)淺海廣闊分布的傳感器系統(tǒng)非常適用。

由于水下環(huán)境能源有限，可用的通信帶寬比較窄，所以可靠性差的集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及能源消耗較大的分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都不適合水下組網(wǎng)，而網(wǎng)絡(luò)覆蓋面大并且能源消耗較低的多跳式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為適合，它能在最大限度上提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和可靠性，能降低能量消耗和傳播延遲，這些對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)都是至關(guān)重要的。

水聲通信的研究是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，由于各方面的原因，還有很多問(wèn)題需要在以后的工作學(xué)習(xí)中繼續(xù)深入，再進(jìn)一步提高能量的高效性，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，同時(shí)兼顧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用帶寬的公平性、增加網(wǎng)絡(luò)的適時(shí)性和提高帶寬的利用率。

作者簡(jiǎn)介：

尹成，（1983- ），男，漢族，山東日照人，碩士，山東水利職業(yè)學(xué)院教師，主要從事計(jì)算機(jī)教學(xué)和研究。