UASN拓?fù)淇刂蒲芯?/h1>
2016-10-11 05:06:48劉紅日孫云霄宋佳劉揚(yáng)黃俊恒王佰玲
網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報(bào) 2016年5期 關(guān)鍵詞：研究
劉紅日，孫云霄，宋佳，劉揚(yáng)，黃俊恒，王佰玲
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UASN拓?fù)淇刂蒲芯?/p>
劉紅日，孫云霄，宋佳，劉揚(yáng)，黃俊恒，王佰玲
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所，山東威海264209）
首先，歸納了當(dāng)前水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、通信結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，分析了時(shí)間同步算法、MAC協(xié)議、部署策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频挠绊?；然后，按照網(wǎng)絡(luò)部署的先后過(guò)程，提煉出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的部署生成、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)演化、拓?fù)溆?個(gè)科學(xué)問(wèn)題；最后，為未來(lái)的研究提出了新的思路。
水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)部署；動(dòng)態(tài)演化；拓?fù)溆?/p>
1 引言
地球表面超過(guò)70%的區(qū)域被海洋覆蓋，然而，超過(guò)95%的海洋還處于最初的基礎(chǔ)研究階段，甚至是完全未開發(fā)的狀態(tài)。面對(duì)日益枯竭的陸地資源，海洋資源的開發(fā)成為世界各國(guó)未來(lái)的研究方向。然而對(duì)海洋信息的了解才剛剛開始。水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)（UASN, underwater acoustic sensor networks）是由部署在水中攜帶各種傳感器的節(jié)點(diǎn)和潛航器組成的自組織通信、感知網(wǎng)絡(luò)，能夠在部署區(qū)域內(nèi)合作完成信息的采集、監(jiān)控任務(wù)[1]。UASN在海洋水文信息調(diào)查、海洋資源研究、海洋災(zāi)害預(yù)警、海洋環(huán)境資源調(diào)查以及海洋軍事活動(dòng)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為獲取海洋信息的重要手段。
無(wú)線電波在水下衰減嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)證明不適用于水下通信；而激光在水下散射嚴(yán)重，且需要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)細(xì)激光束，在水下的應(yīng)用也受到嚴(yán)重的制約[2]；所以，水下通信主要采用水聲通信。聲波在水下傳播的速度比較慢，一般按1 500 m/s進(jìn)行計(jì)算，遠(yuǎn)低于無(wú)線電波的傳播速度；受溫度、鹽度、壓力的影響，這個(gè)數(shù)值還會(huì)發(fā)生變化。再加上傳感節(jié)點(diǎn)部署在不同的深度中，UASN所形成的三維傳感器網(wǎng)絡(luò)與陸上二維無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, wireless sensor networks）有很大的區(qū)別。陸上WSN中的相關(guān)算法，在海洋三維USAN里不能直接使用。例如，WSN中廣泛使用的覆蓋率和部署策略在UASN環(huán)境下變成了NP問(wèn)題[3,4]。
UASN的各種傳感節(jié)點(diǎn)在水下的網(wǎng)絡(luò)中相互合作，完成信息的收集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把信息傳遞到陸地的處理中心，所以，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和連通性成為數(shù)據(jù)能否全面收集并正確轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)鍵指標(biāo)。而網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂普菫榱吮ＷC網(wǎng)絡(luò)始終處于良好狀態(tài)。由于水下環(huán)境復(fù)雜，部署在水下的節(jié)點(diǎn)受到潮汐、洋流以及生物附著的影響，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生移動(dòng)甚至失效，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的性能。針對(duì)不同的水下環(huán)境，設(shè)計(jì)高效節(jié)能的拓?fù)淇刂撇呗裕瑏?lái)保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和連通性成為UASN研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
本文對(duì)UASN拓?fù)淇刂扑惴ㄟM(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)進(jìn)一步研究UASN的拓?fù)淇刂评碚摼哂兄卮蟮慕梃b意義。本文圍繞UASN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?，首先介紹了網(wǎng)絡(luò)部署中使用節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀以及拓?fù)淇刂浦胁豢扇鄙俚耐ㄐ畔到y(tǒng)結(jié)構(gòu)；然后對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬蛇^(guò)程中所需要的時(shí)間同步協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位、MAC協(xié)議以及部署策略的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，這些技術(shù)影響著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?，也是在進(jìn)行拓?fù)淇刂扑惴ㄟ^(guò)程中不可忽略的因素；最后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频难芯楷F(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有的控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了未來(lái)的研究方向。
2 相關(guān)內(nèi)容及研究現(xiàn)狀
2.1 水下傳感器節(jié)點(diǎn)
水下傳感器節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的個(gè)體，除了有水聲通信模塊以外，還有數(shù)據(jù)采集模塊。與陸地WSN傳感器節(jié)點(diǎn)相比，有以下幾點(diǎn)不同。
1) 傳感器節(jié)點(diǎn)采用的通信方式不同。雖然都是無(wú)線信號(hào)，但是水聲的傳播速度要比無(wú)線射頻信號(hào)的傳播速度低5個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致水下通信有很大的延遲性[2]。
2) 部署的環(huán)境不同。惡劣的水下環(huán)境對(duì)水下傳感器節(jié)點(diǎn)提出了更多的要求，也導(dǎo)致成本要比陸上節(jié)點(diǎn)高出許多。由于水下環(huán)境比較復(fù)雜、噪音比較多，水下傳感器節(jié)點(diǎn)的換能器把偵聽到的水聲信號(hào)經(jīng)過(guò)聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器復(fù)雜算法的處理，得到微處理器能夠直接處理的數(shù)字電信號(hào)，調(diào)制解調(diào)過(guò)程采用的處理器為高性能的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP, digital signal processor）[5]。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要使用水下解調(diào)器將電信號(hào)編碼，經(jīng)過(guò)水下?lián)Q能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)成水聲信號(hào)發(fā)射出去。水下信號(hào)的接收、轉(zhuǎn)換和發(fā)射過(guò)程中的延時(shí)是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂撇豢珊雎缘囊蛩亍?/p>
根據(jù)采用不同的水聲調(diào)制解調(diào)器，通信頻率可以從數(shù)千赫茲至數(shù)百千赫茲，傳輸?shù)木嚯x為數(shù)十米到數(shù)萬(wàn)米[6]，數(shù)據(jù)的傳輸率為數(shù)百比特每秒到數(shù)千比特每秒。所以，在研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂撇呗缘倪^(guò)程中，要充分考慮到網(wǎng)絡(luò)的通信距離。
3) 水下傳感器的成本比較高。水下傳感器節(jié)點(diǎn)由于部署在水下幾米甚至是幾千米，且需要進(jìn)行復(fù)雜的處理，導(dǎo)致水下傳感器節(jié)點(diǎn)的成本相當(dāng)高[7]，要監(jiān)控一片廣闊的立體海域，在沒(méi)有解決節(jié)點(diǎn)的成本問(wèn)題之前，以稀疏部署為主。
4) 水下傳感器的節(jié)點(diǎn)部署方式比較多，可以分成以下幾類[8]。
①靜態(tài)部署：節(jié)點(diǎn)被固定在不移動(dòng)的物體上，如船塢、海底錨點(diǎn)以及海床。
②半移動(dòng)部署：節(jié)點(diǎn)連接到水上漂浮物后下垂至水中，適用于短期部署。
③移動(dòng)部署：節(jié)點(diǎn)安裝在無(wú)纜水下機(jī)器（AUV, autonomous underwater vehicle）、低功率的水下滑翔機(jī)以及無(wú)動(dòng)力的漂浮物上。移動(dòng)部署可以用有限的硬件資源最大化節(jié)點(diǎn)的覆蓋率。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入，給拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。
由于以上的不同，在研究UASN拓?fù)淇刂茣r(shí)，需要考慮實(shí)際的節(jié)點(diǎn)性能，研究高效健壯的算法。由于節(jié)點(diǎn)的成本比較高，進(jìn)行實(shí)際水下部署的成本也很高，所以，在進(jìn)行海試之前，需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。
目前，在海試中測(cè)試過(guò)的節(jié)點(diǎn)包括AquaNodes以及簡(jiǎn)單的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)AMOUR[9]等；專用的測(cè)試床及仿真工具有美國(guó)康涅狄格州大學(xué)開發(fā)的Aqua-Lab[10]、Aqua-Sim[11]等。在AUV方面，各國(guó)都展開了研究，重量在500 kg以上，續(xù)航時(shí)間為24 h以上，如美國(guó)的藍(lán)鰭金槍魚、中科院自動(dòng)化所的潛龍一號(hào)等，以及天津大學(xué)的海燕滑翔機(jī)。圖1為MIT的研究者設(shè)計(jì)制作的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)AMOUR[9]，這些節(jié)點(diǎn)可以部署在水下不超過(guò)100 m的水域。
2.2 UASN的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
UASN是由水面上的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和水下傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的立體網(wǎng)絡(luò)[12]。水上部分包括定位和時(shí)鐘同步用的參考點(diǎn)、通信中繼的網(wǎng)關(guān)等；水下通信網(wǎng)絡(luò)研究方向覆蓋時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位、MAC通信協(xié)議以及路由控制等多個(gè)方面。水下采集信息中的時(shí)間和位置信息保證了信息的時(shí)效性和相關(guān)性。由于聲波在空氣中的速度比較慢，因此，水下的信息傳到陸地的處理中心后，在水面以上須采用無(wú)線電波的方式進(jìn)行傳播，即需要在水面上部署網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同樣也可以接受地面處理中心發(fā)送的指令。典型的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.3 UASN的時(shí)間同步
傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式特點(diǎn)決定應(yīng)用任務(wù)必須通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的細(xì)粒度協(xié)同與合作完成[13]。時(shí)間同步為協(xié)議和應(yīng)用服務(wù)提供基本的支持[14]，例如，為了保證數(shù)據(jù)的新鮮度，需要在采集的數(shù)據(jù)中加入時(shí)間戳。水下的節(jié)點(diǎn)無(wú)法從GPS等統(tǒng)一時(shí)鐘源獲取精確時(shí)間，只能通過(guò)攜帶的晶振計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算本地時(shí)間。物理性質(zhì)決定晶振周期存在微小的波動(dòng)，這種波動(dòng)的長(zhǎng)期積累，會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間不一致，將會(huì)影響一系列應(yīng)用，如多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)。由于水下通信存在較大的延遲，節(jié)點(diǎn)本身能量有限且具有一定的移動(dòng)性，所以，對(duì)水下時(shí)間同步提出了很高的要求。Liu等[15]為水下移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)成對(duì)的跨層時(shí)間同步方案——DA_Sync。該方案評(píng)估了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性帶來(lái)的多普勒漂移，使用卡爾曼濾波算法提高了時(shí)間同步的精度，通過(guò)運(yùn)行2個(gè)線性回歸方程來(lái)校準(zhǔn)時(shí)間的偏斜和漂移。
2.4 UASN的水下節(jié)點(diǎn)定位
水下節(jié)點(diǎn)的位置用來(lái)標(biāo)記所收集的信息位置，如果沒(méi)有采集信息的具體位置，該信息就失去了意義。通過(guò)節(jié)點(diǎn)的定位信息，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的通信距離和感知距離，能夠計(jì)算出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和連通性。
在定位方法中，測(cè)邊法是一種廣泛使用的定位方法。多變測(cè)量是經(jīng)典的三邊測(cè)距法的一般化，即由非共面的+1個(gè)點(diǎn)確定維坐標(biāo)信息[16]。
水下聲學(xué)定位一般可分為長(zhǎng)基線、短基線和超短基線定位。依據(jù)水聲信號(hào)在節(jié)點(diǎn)間的傳播延時(shí)或相位差，可計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)距離。不論哪一種定位方式，都需要采用多個(gè)參考點(diǎn)，根據(jù)已知參考點(diǎn)的位置信息和其他節(jié)點(diǎn)與這些節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離進(jìn)行相對(duì)定位。通常采用TOA（到達(dá)時(shí)間）、TDOA（到達(dá)時(shí)間差）等來(lái)計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離。
UASN的時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位并不是孤立的，兩者具有相互依賴性。Liu等[17]提出水下定位和時(shí)間同步問(wèn)題的聯(lián)合解決方案JSL。該方案針對(duì)水下信號(hào)時(shí)延長(zhǎng)、帶寬低、能量受限和移動(dòng)性等問(wèn)題，考慮到水下實(shí)際分層的效果，經(jīng)過(guò)4個(gè)階段的時(shí)間同步和定位迭代，再補(bǔ)償假設(shè)聲波在水下環(huán)境以直線方式傳播所帶來(lái)的范圍評(píng)估偏差，提高了節(jié)點(diǎn)定位和時(shí)間同步的精度，極大地減少了水下通信的信息交換量。
2.5 UASN的MAC協(xié)議
目前，水下水聲通信幾乎全都采用半雙工的通信方式[7]，MAC協(xié)議的效率對(duì)水下通信網(wǎng)絡(luò)的形成、拓?fù)涞目刂朴兄薮蟮挠绊憽AC協(xié)議是水下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖傻幕A(chǔ)協(xié)議[18]。適用于水下的MAC協(xié)議可以分為競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議（如CSMA）和調(diào)度協(xié)議（如TDMA）2類。TDMA的效率比較高，但需要比較嚴(yán)格的時(shí)間同步[1,15]，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量變化靈活性比較低。CSMA協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化的靈活性比較高，但水下信號(hào)傳輸?shù)拈L(zhǎng)延時(shí)導(dǎo)致基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議效率比較低[19]。
大部分MAC協(xié)議的測(cè)試是通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)[20, 21]或者人工水池[22]來(lái)進(jìn)行的。Le等[23]提出基于調(diào)度的MAC協(xié)議——PMAC。它是一個(gè)在海洋環(huán)境下測(cè)試過(guò)的通信協(xié)議，該協(xié)議采用獨(dú)特的直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輪流發(fā)送數(shù)據(jù)，距離3跳距離的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)指定的時(shí)間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)數(shù)據(jù)在一個(gè)時(shí)間槽內(nèi)完成傳輸。如果該節(jié)點(diǎn)偵聽到數(shù)據(jù)分組被轉(zhuǎn)發(fā)或者收到一個(gè)明確的應(yīng)答，則進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)分組的發(fā)送，否則，等待下一個(gè)時(shí)間槽的分配。實(shí)驗(yàn)中還采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試了SASHA、UW-aloha協(xié)議，實(shí)驗(yàn)證明，PMAC在這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下性能比其他2個(gè)好。Zhu等[24]通過(guò)多次海洋實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由水聲調(diào)制解調(diào)器特征引起的2個(gè)不可忽視的問(wèn)題：傳輸速率和長(zhǎng)分組的有效性。高傳輸速率和長(zhǎng)分組都會(huì)造成大的分組丟失率。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出分布式的基于聚簇的按需分時(shí)共享的MAC解決方案——COD-TS，采用分時(shí)協(xié)議能夠避免發(fā)送過(guò)程中數(shù)據(jù)分組的碰撞問(wèn)題，因此，有希望解決上述的2個(gè)問(wèn)題，在單跳網(wǎng)絡(luò)中，COD-TS使用Bandyopadhyay等[25]提出的聚簇方法，簇頭根據(jù)成員的請(qǐng)求為它們分配發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間槽，一輪通信的持續(xù)時(shí)間是不固定的，而是按照需求，除非總的被調(diào)度數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)間長(zhǎng)度超過(guò)了閾值，這樣保證了各簇的公平。文章還將COD-TS協(xié)議擴(kuò)展到了多跳網(wǎng)絡(luò)中。
2.6 UASN的部署
UASN的拓?fù)溲芯繎?yīng)結(jié)合節(jié)點(diǎn)的部署策略，拓?fù)淇刂茝墓?jié)點(diǎn)部署開始。
UASN節(jié)點(diǎn)的部署可以認(rèn)為是其生命周期的開始，UASN的部署需要結(jié)合海洋環(huán)境考慮部署的類型[8]、網(wǎng)關(guān)的布置[26~28]、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位等服務(wù)。在水下環(huán)境中必須考慮到節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間工作所帶來(lái)的問(wèn)題，可能的風(fēng)險(xiǎn)包括海流、潮汐、水下漁具、節(jié)點(diǎn)的能量耗盡、生物的侵蝕和附著作用以及防水的失敗等。所以，一些學(xué)者提到了節(jié)點(diǎn)的冗余部署[19]，另外，為了考慮將來(lái)破損的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆希碚撋峡梢钥紤]移動(dòng)節(jié)點(diǎn)部署和二次部署。
成本問(wèn)題成為制約UASN實(shí)際部署的一個(gè)重要原因。由于目前使用的市場(chǎng)不大，水下傳感器節(jié)點(diǎn)的成本相當(dāng)高。例如，一個(gè)有耐壓外殼的水下調(diào)制解調(diào)器大約是3 000美元。相比陸上傳感器節(jié)點(diǎn)100美元的成本，水下傳感器節(jié)點(diǎn)的成本高達(dá)10 000美元[19]。經(jīng)濟(jì)上的考慮驅(qū)使水下傳感器網(wǎng)絡(luò)稀疏部署[7,19,29]。部署的成本也非常高，海洋調(diào)查船用的海岸艇的成本是每天5 000美元，大型遠(yuǎn)洋船是每天25 000美元。所以，給定一片海域及拓?fù)湟螅绾芜M(jìn)行快速高效的部署是在實(shí)際部署之前需要解決的課題。
按照網(wǎng)絡(luò)最終的體系結(jié)構(gòu)來(lái)分，部署可以分為二維部署和三維部署。二維部署是指節(jié)點(diǎn)被固定在海床上，對(duì)海底附近信息進(jìn)行收集；而三維部署是節(jié)點(diǎn)被部署在海洋的不同深度，能夠監(jiān)控整個(gè)海域空間。三維部署對(duì)節(jié)點(diǎn)提出了新的要求，即節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)壓力傳感器來(lái)計(jì)算所在的深度并進(jìn)行水面垂直方向的調(diào)整。
目前，大部分部署算法都假設(shè)所要部署的網(wǎng)絡(luò)為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[4]，即網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知半徑和通信半徑分別都是相同的，且通信半徑大于感知半徑。最佳的部署策略是用數(shù)量最少的節(jié)點(diǎn)完全覆蓋某個(gè)二維或者三維空間。所以，一部分學(xué)者從幾何的角度出發(fā)[4,30~33]，研究網(wǎng)絡(luò)的最大覆蓋率和連通性。
Pompili等[32]分別提出了UASN下二維環(huán)境和三維體環(huán)境的節(jié)點(diǎn)部署算法。在二維環(huán)境中，提出了三角網(wǎng)格部署方法，目標(biāo)是用數(shù)量最少的節(jié)點(diǎn)覆蓋一個(gè)矩形區(qū)域，具體的策略是使用聚集節(jié)點(diǎn)，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)成為等邊三角形的每一個(gè)頂點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整三角形的邊長(zhǎng)（2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離）來(lái)達(dá)到100%的覆蓋率。文章還研究了節(jié)點(diǎn)在下沉過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)，來(lái)研究節(jié)點(diǎn)在水面部署時(shí)的位置。在二維部署的基礎(chǔ)上，提出三維的底部網(wǎng)格隨機(jī)策略。節(jié)點(diǎn)都下沉到海底，然后調(diào)整與固定在海底的錨點(diǎn)的連線長(zhǎng)度形成三維網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)的深度通過(guò)水上工作站計(jì)算得到，錨點(diǎn)的位置是通過(guò)二維環(huán)境下的三角網(wǎng)格部署策略來(lái)計(jì)算的。本文所提出的部署策略適合在單跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為了達(dá)到好的覆蓋率，要在掌握部署海域的水文情況后，才能進(jìn)行精確部署。
針對(duì)定點(diǎn)部署的弊端，Senel[3,34]提出UASN中節(jié)點(diǎn)自動(dòng)部署算法，該算法的思想是在水面上隨機(jī)部署二維傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)合作計(jì)算并各自調(diào)整自己的深度，形成一個(gè)能夠在保證連通性的同時(shí)達(dá)到最大覆蓋的三維UASN。首先，采用啟發(fā)式算法確定水面二維網(wǎng)絡(luò)的連通支配節(jié)點(diǎn)的集合，這些支配者形成未來(lái)三維網(wǎng)絡(luò)的骨干節(jié)點(diǎn)。維持支配者連通，并選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為頭節(jié)點(diǎn)，從頭節(jié)點(diǎn)開始，以令環(huán)的方式順序計(jì)算出該支配節(jié)點(diǎn)下的被支配節(jié)點(diǎn)和相鄰的支配節(jié)點(diǎn)的深度，直到所有的節(jié)點(diǎn)都完成深度計(jì)算。最后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)各自下沉到計(jì)算的深度。該方法是通過(guò)減少覆蓋的重疊來(lái)達(dá)到最大覆蓋率的，缺點(diǎn)是在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成過(guò)程中節(jié)點(diǎn)之間需多次交換數(shù)，數(shù)據(jù)通信量大。
為了形成一個(gè)完整的通信網(wǎng)絡(luò)，水面部分的網(wǎng)關(guān)是必不可少的。水面網(wǎng)關(guān)可以將水下節(jié)點(diǎn)發(fā)送的水聲信號(hào)轉(zhuǎn)為無(wú)線電信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)到控制中心。Ibrahim等[27,35]提出水面網(wǎng)關(guān)位置的計(jì)算方法，假設(shè)已經(jīng)存在一個(gè)水下網(wǎng)絡(luò)的部署，計(jì)算出給定數(shù)量的水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)部署位置。文章把水面劃分成若干個(gè)相等的網(wǎng)格，用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)來(lái)標(biāo)志某個(gè)網(wǎng)格是否部署水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。限制條件分為部署限制、流量守恒限制和沖突限制。文章把該問(wèn)題歸納為CFLP（固定容量設(shè)備選址）問(wèn)題，通過(guò)互換貪婪算法求得近似最優(yōu)解。文章還把這種節(jié)點(diǎn)部署方法擴(kuò)展為動(dòng)態(tài)部署方法，即通過(guò)定期地使用該算法來(lái)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)壽命的最大化。該算法能夠在理論上達(dá)到接近最優(yōu)解，但沒(méi)有考慮水下節(jié)點(diǎn)的拓?fù)溲莼裕雎粤司W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從開始移動(dòng)到新的拓?fù)湫纬蛇^(guò)程中需要的通信量的大小。
UASN的節(jié)點(diǎn)部署研究算法不是很多，原因之一是很難取得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在大部分的研究文獻(xiàn)里，都假定UASN已經(jīng)部署完畢。實(shí)際上，UASN從部署到最終通信網(wǎng)絡(luò)的形成過(guò)程涉及時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題和MAC協(xié)議問(wèn)題，而這3個(gè)問(wèn)題又相互依賴。例如，節(jié)點(diǎn)的定點(diǎn)部署需要節(jié)點(diǎn)精確定位，而節(jié)點(diǎn)在使用TOA方式定位時(shí)，不僅需要解決時(shí)間同步問(wèn)題，還需要解決參考節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)部署的問(wèn)題等。另外，由于節(jié)點(diǎn)的成本比較高，在稀疏部署條件下，如何對(duì)某個(gè)區(qū)域?qū)嵭杏行ПO(jiān)控成為未來(lái)的研究方向。
3 UASN拓?fù)淇刂评碚撗芯績(jī)?nèi)容
UASN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂聘采w了節(jié)點(diǎn)的部署、拓?fù)湫纬?、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)。
3.1 UASN的特點(diǎn)
UASN的拓?fù)淇刂评碚撗芯渴墙⒃跁r(shí)間同步、水下節(jié)點(diǎn)定位以及MAC協(xié)議等理論基礎(chǔ)之上的，控制具有復(fù)雜性，而復(fù)雜多變的水下環(huán)境也給網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂茙?lái)了新的挑戰(zhàn)。
UASN的網(wǎng)絡(luò)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。
1) UASN是復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)。由于單純的海底二維部署不能有效地監(jiān)控整個(gè)立體海域，而且二維的海底部署要求充分掌握海底地形。當(dāng)監(jiān)控的對(duì)象為廣闊的深水水域時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)感知范圍的限制，需要在不同的水深部署節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，還需要一類部署在水面的節(jié)點(diǎn)，能夠把水聲信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)并發(fā)送到處理中心。所以，UASN的拓?fù)溲芯縖4, 30, 31, 33, 36]大都集中在三維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>
2) UASN的數(shù)據(jù)吞吐率比較低。由于水聲信道具有路徑損耗，特別是受淺海海域信號(hào)反射和折射的影響，誤碼率高，再加上信號(hào)頻率低，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐率比較低。另外，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，節(jié)點(diǎn)在部署以后，大部分時(shí)間都處在休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)的處理能力與通信能力嚴(yán)重不匹配。
3) UASN的拓?fù)渚哂袆?dòng)態(tài)演化性。首先，由于水下節(jié)點(diǎn)能量使用的不均衡，對(duì)于多跳聚簇網(wǎng)絡(luò)而言，靠近簇頭的節(jié)點(diǎn)由于較高的轉(zhuǎn)發(fā)頻率會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量消耗快而過(guò)早死亡；其次，由于洋流和潮汐的影響，懸浮在水中的節(jié)點(diǎn)也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的位置動(dòng)態(tài)發(fā)生變化；最后，長(zhǎng)時(shí)間的生物侵蝕和附著作用，會(huì)使節(jié)點(diǎn)失去感知能力，懸浮的節(jié)點(diǎn)會(huì)沉入海底，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)生變化。
4) 作為感知和通信主體的傳感器節(jié)點(diǎn)的能量不容易補(bǔ)充，再部署比較困難。節(jié)點(diǎn)的有限能量嚴(yán)重影響了水下傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命。但是，一般認(rèn)為，AUV和水下滑翔機(jī)等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以到對(duì)接處進(jìn)行能量補(bǔ)充和信息傳輸[37]，這給設(shè)計(jì)具有健壯性和長(zhǎng)壽命的網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)方便。
以上幾個(gè)因素影響了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕研院途W(wǎng)絡(luò)的壽命，同時(shí)也影響了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频牟呗浴?/p>
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫荱ASN研究的關(guān)鍵問(wèn)題，水下傳感器拓?fù)淇刂频哪繕?biāo)為在保證網(wǎng)絡(luò)高連通性、感知的高覆蓋率的前提下減少時(shí)延[38]、節(jié)省能量[31]、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命[39]。
3.2 UASN拓?fù)淇刂频难芯績(jī)?nèi)容
目前，學(xué)術(shù)界針對(duì)UASN拓?fù)淇刂评碚摰难芯恐饕獓@以下幾點(diǎn)。
1) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的部署、生成算法
考慮到不同的水深、水下地形（海床不平整）等因素，設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是進(jìn)行拓?fù)溲芯康氖滓獑?wèn)題。Senel等[3, 34]提出在水面上計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的深度后再各自下沉到指定的深度的控制算法。該算法控制簡(jiǎn)單，但是骨干節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量大、通信量也很大，導(dǎo)致骨干節(jié)點(diǎn)的能量損耗比較快。何明等[40]提出使用魚群?jiǎn)l(fā)算法研究AUV節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的部署，最終完成兩者的分布密度相匹配部署。對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)分組編號(hào)，發(fā)現(xiàn)失效節(jié)點(diǎn)以后，AUV進(jìn)行愈合。把傳感器節(jié)點(diǎn)作為人工魚，目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的事件作為食物，再次使用魚群?jiǎn)l(fā)算法，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠?。模擬在800 m×800 m×800 m的水下檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，部署100個(gè)目標(biāo)事件、50個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和10個(gè)AUV節(jié)點(diǎn)進(jìn)行100輪仿真，事件覆蓋度基本在90%以上。但該算法要求AUV與傳感器節(jié)點(diǎn)一起部署，并且傳感器節(jié)點(diǎn)在死亡之前，AUV一直不工作，在愈合過(guò)程中，AUV需要降低功率使用，沒(méi)有充分發(fā)揮AUV的功能，不適用于實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署和拓?fù)淇刂浦小?/p>
為了方便研究，水下傳感器節(jié)點(diǎn)一般都認(rèn)為是同構(gòu)的。Wang等[41]研究了同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的聚簇控制算法，根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)情況，可以周期性地重新選擇能量大且距離中心點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，該算法理論上能夠均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。但簇頭的全局選舉需要進(jìn)行大量的通信，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)消耗節(jié)點(diǎn)的大量能量。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟渴鹕伤惴ǖ哪繕?biāo)是在某一海洋環(huán)境下，使用少量的節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大的覆蓋區(qū)域。大部分部署策略都是以犧牲通信量來(lái)達(dá)到或者接近最優(yōu)，而忽略了水下通信的低效率和高能量損耗對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響。
2) 拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)演化性研究
Caruso 等[42]分析了自由漂流的節(jié)點(diǎn)在海流中的漫流（meandering current）和渦流（vortices）的運(yùn)動(dòng)，提出節(jié)點(diǎn)水下環(huán)境的移動(dòng)模型—meandering current mobility，得出了覆蓋率和連通性是時(shí)間函數(shù)的結(jié)論。Mandal等[43]研究了水下傳感器節(jié)點(diǎn)在海洋中的受力情況，提出了節(jié)點(diǎn)的物理移動(dòng)模型——海洋力量移動(dòng)模型（oceanic forces mobility model），分析了在三維環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)在該模型下的運(yùn)動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的離散和定位方面的影響。仿真結(jié)果表明，在海洋力量的影響下，定位覆蓋率降低36.70%、錯(cuò)誤率增加21.14%、平均能量消耗增加大于3%。Liu等[38,44,45]進(jìn)行了半移動(dòng)部署的節(jié)點(diǎn)（水下節(jié)點(diǎn)通過(guò)連線與固定在海床的錨點(diǎn)連接）在洋流作用下的網(wǎng)絡(luò)演化性研究。文章指出這樣的節(jié)點(diǎn)在水下的移動(dòng)軌跡為球冠結(jié)構(gòu)，研究目標(biāo)是找到一個(gè)能夠在維持覆蓋和連通的同時(shí)，盡可能減少能量消耗的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴ā?/p>
目前，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男阅茉u(píng)價(jià)指標(biāo)一般采用連通性和覆蓋率，但是水下網(wǎng)絡(luò)的特殊性還應(yīng)該有其他的指標(biāo)，如節(jié)點(diǎn)的平均通信距離等。研究合理且全面地評(píng)價(jià)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是拓?fù)淇刂埔鉀Q的問(wèn)題之一。
3) 拓?fù)涞挠蠙C(jī)制研究
水下節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和復(fù)雜的水下環(huán)境使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)生變化。為保證網(wǎng)絡(luò)能夠不間斷地工作，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)性能達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆稀Ｓ戏椒òü?jié)點(diǎn)的冗余部署、二次部署以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)輔助修補(bǔ)等。
Liu等[46]認(rèn)為重新部署的關(guān)鍵點(diǎn)是解決覆蓋率問(wèn)題，通過(guò)把監(jiān)控水域分成大小相同的立方體來(lái)研究網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。文章提出通過(guò)增加新的節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)休眠的冗余節(jié)點(diǎn)2個(gè)算法來(lái)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。使用一個(gè)隨機(jī)游走模型來(lái)模擬洋流環(huán)境，并在這個(gè)模型研究覆蓋率的變化。模擬在50 m× 50 m×50 m的水域里部署100個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用部署新節(jié)點(diǎn)的算法后，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率可以達(dá)到95%。隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)逐漸減少，使用移動(dòng)冗余節(jié)點(diǎn)的算法，可以減緩覆蓋率降低的速度。該算法雖然能夠減緩網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的衰減，但并沒(méi)有考慮到冗余節(jié)點(diǎn)的具體位置，也沒(méi)有考慮到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，愈合以后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不一定是最優(yōu)的。
在UASN中，以水下滑翔機(jī)為代表的節(jié)點(diǎn)有不可控的移動(dòng)性，又有一定的自主運(yùn)動(dòng)性。這樣的節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆咸峁┝私鉀Q方法。Luo等[39]提出了SSC（sea surface coverage）解決方案。文章把節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)分成不可控的移動(dòng)和可控的移動(dòng)2類，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知區(qū)域是一塊固定的感知區(qū)域，通過(guò)一個(gè)分布式算法。首先，計(jì)算不可控運(yùn)動(dòng)性下的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)距離；然后，為了補(bǔ)償這個(gè)距離，計(jì)算可控移動(dòng)性下節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)的距離；最后，多個(gè)節(jié)點(diǎn)相互合作，交換感知區(qū)域，來(lái)彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)所產(chǎn)生的感知漏洞。該解決方案與每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都回到原來(lái)初始位置（back-to-origin）的算法相比，能夠節(jié)省能量，減緩節(jié)點(diǎn)的能量衰減。適用于隨機(jī)環(huán)流（random-ring）的洋流模型，而對(duì)于常見的漫流（meandering current）模型，該算法退化成back-to-origin，效率顯著降低。
目前的研究都假設(shè)網(wǎng)絡(luò)需要拓?fù)溆?，進(jìn)而研究拓?fù)溆峡刂扑惴?。但是沒(méi)有提及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆系南葲Q條件，即當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)或某幾個(gè)性能指標(biāo)到達(dá)什么值時(shí)，需要進(jìn)行愈合。在研究愈合機(jī)制中，因?yàn)橥ㄐ诺难訒r(shí)等因素，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆祥_始到結(jié)束這一個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間是不能忽略的，所以，周期對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫阅苤笜?biāo)進(jìn)行采樣后對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可用狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)、進(jìn)而預(yù)警等相關(guān)理論研究是進(jìn)行拓?fù)淇刂评碚撗芯康姆较蛑弧?/p>
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠蠁?wèn)題在本質(zhì)上是系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，在獲取當(dāng)前系統(tǒng)參數(shù)的條件下，新加入的節(jié)點(diǎn)部署在什么位置上能夠使愈合后的網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最優(yōu)或接近最優(yōu)。
4 未來(lái)研究展望
UASN拓?fù)淇刂剖俏磥?lái)進(jìn)行大規(guī)模部署的關(guān)鍵技術(shù)之一，圍繞未來(lái)的實(shí)際大規(guī)模部署，UASN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯靠蓮囊韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行深入。
1) OWSN部署階段的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)測(cè)模型。在研究UASN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)，一般都假設(shè)通信距離大于感知距離，所以，拓?fù)淇刂频哪繕?biāo)首先是保證覆蓋率。但實(shí)際上的部署由于水文影響或者成本因素，很難達(dá)到100%。在這種背景下，如何評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男阅芤约皩?duì)愈合的策略做出性能評(píng)估是亟需解決的理論問(wèn)題。
2) 自主移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溲芯俊Ｋ露鄠€(gè)自主移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（如AUV）的編隊(duì)拓?fù)淇刂埔彩悄壳暗囊粋€(gè)研究熱點(diǎn)方向，特別是利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控重要價(jià)值的基礎(chǔ)設(shè)施（如海島、鉆井平臺(tái)等）。例如，Zou等[47,48]使用3D-PSO（粒子群優(yōu)化）的拓?fù)淇刂扑惴ǎ枚鄠€(gè)AUV來(lái)聯(lián)合保衛(wèi)港口和艦船的周邊安全。
3) 拓?fù)溆系牟呗?。好的網(wǎng)絡(luò)愈合策略不能簡(jiǎn)單地用新節(jié)點(diǎn)代替原來(lái)的某一個(gè)或幾個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)或者臨近死亡節(jié)點(diǎn)，而是要考慮到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)（節(jié)點(diǎn)的能量剩余量、網(wǎng)絡(luò)通信的瓶頸等），選擇最佳的愈合位置。例如，在獲得當(dāng)前多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)上確定重新部署策略，重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部分拓?fù)?，從而達(dá)到優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪康摹?/p>
4) 拓?fù)溆现械陌踩珕?wèn)題。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆线^(guò)程中加入新的同構(gòu)或者異構(gòu)節(jié)點(diǎn)所導(dǎo)致的安全問(wèn)題不能忽視。例如，如何對(duì)新加入的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行密鑰管理和身份認(rèn)證來(lái)阻止女巫攻擊、蟲洞攻擊等惡意攻擊行為的生效。
5) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化預(yù)測(cè)模型。在建立的性能評(píng)估模型下，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化來(lái)預(yù)測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能變化，為拓?fù)涞挠咸峁Q策。
6) 三維仿真平臺(tái)的研究。目前的網(wǎng)絡(luò)仿真工具，如NS2[49]、OMNeT[50]、NS3[51]都不能很好地支持UASN的網(wǎng)絡(luò)仿真。WOSS（world ocean simulation system）[52]是海洋環(huán)境下的水聲信道仿真工具，輸入海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，能夠?qū)Ｑ笏曅诺肋M(jìn)行仿真，無(wú)縫支持NS3的仿真。目前的仿真平臺(tái)缺少像水下滑翔機(jī)、AUV等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模型，更不能對(duì)洋流模型、海底地形等進(jìn)行建模。所以，UASN下的三維仿真平臺(tái)作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂评碚撗芯康闹纹脚_(tái)，也是未來(lái)的研究方向之一。
5 結(jié)束語(yǔ)
UASN的研究目前還處于發(fā)展階段，由于實(shí)際部署難度較大、成本昂貴，大部分的拓?fù)淇刂蒲芯咳蕴幱跍\層次的理論研究階段。本文圍繞UASN的拓?fù)淇刂评碚撗芯浚紫?，分析了水下傳感器?jié)點(diǎn)、時(shí)間同步、MAC協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位及部署等各方面對(duì)拓?fù)淇刂评碚摰挠绊?；然后，分析了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂评碚摰难芯績(jī)?nèi)容以及學(xué)術(shù)界現(xiàn)有的控制算法及其局限性；最后，提出了未來(lái)的研究方向，為更深入地研究拓?fù)溲芯靠刂评碚撎峁┝诵碌难芯奎c(diǎn)。解決UASN成本，才會(huì)有更多實(shí)際的水下部署，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂评碚摰难芯?。不可預(yù)見的復(fù)雜海洋環(huán)境，對(duì)拓?fù)淇刂扑惴ㄔ诳捎眯?、頑健性等方面提出了更高的要求。
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Survey on UASN topology control
Liu Hong-ri, Sun Yun-xiao, Song Jia, Liu Yang, Huang Jun-heng, Wang Bai-ling
（Institute of Network Technology, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209,China）
Firstly, the status of current research of water acoustic sensor network nodes and communication structure were summed up, and the impact of the time synchronization, MAC protocol and deployment strategies on network topology control were analyzed. Secondly, following successive process of network deployment, three scientific issues including the deployment generation of topological structure, the dynamic evolution of topology and healing mechanism of topology were extracted. Finally, a new thought for future research was provided.
underwater acoustic sensor networks, network deployment, dynamic evolve, topology healing
Natural Scientific Research Innovation Foundation in Harbin Institute of Technology (No.HIT.NSRIF.201723), Discipline Construction Guiding Foundation in Harbin Institute of Technology (Weihai) (No.WH20150211)，The National Natural Science Foundation of China (No.61371177), Technological Development Program in Shandong Province (No.2014GGX101053), Major Scientific and Technological Special Project in Shandong Province (No.2015ZDXX0201B04)
TP393.0
A
10.11959/j.issn.2096-109x.2016.00053
2016-03-17；
2016-04-27。
王佰玲，wbl@hit.edu.cn
哈爾濱工業(yè)大學(xué)科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（No.HIT.NSRIF.201723）；哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）學(xué)科建設(shè)引導(dǎo)基金資助項(xiàng)目（No.WH20150211）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61371177）；山東省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.2014GGX101053）；山東省科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.2015ZDXX0201B04）
劉紅日（1982-），男，山東煙臺(tái)人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）博士生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ髠鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)及安全。
孫云霄（1989-），男，山東濰坊人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全通信協(xié)議。
宋佳（1978-），男，山東青島人，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。
劉揚(yáng)（1972-），男，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)攻防技術(shù)、信息對(duì)抗技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳播機(jī)制及輿情分析。
黃俊恒（1966-），男，河南長(zhǎng)垣人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、人工智能。
王佰玲（1978-），男，黑龍江哈爾濱人，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全。
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劉紅日，孫云霄，宋佳，劉揚(yáng)，黃俊恒，王佰玲
?
UASN拓?fù)淇刂蒲芯?/p>
劉紅日，孫云霄，宋佳，劉揚(yáng)，黃俊恒，王佰玲
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所，山東威海264209）
首先，歸納了當(dāng)前水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、通信結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，分析了時(shí)間同步算法、MAC協(xié)議、部署策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频挠绊?；然后，按照網(wǎng)絡(luò)部署的先后過(guò)程，提煉出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的部署生成、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)演化、拓?fù)溆?個(gè)科學(xué)問(wèn)題；最后，為未來(lái)的研究提出了新的思路。
水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)部署；動(dòng)態(tài)演化；拓?fù)溆?/p>
1 引言
地球表面超過(guò)70%的區(qū)域被海洋覆蓋，然而，超過(guò)95%的海洋還處于最初的基礎(chǔ)研究階段，甚至是完全未開發(fā)的狀態(tài)。面對(duì)日益枯竭的陸地資源，海洋資源的開發(fā)成為世界各國(guó)未來(lái)的研究方向。然而對(duì)海洋信息的了解才剛剛開始。水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)（UASN, underwater acoustic sensor networks）是由部署在水中攜帶各種傳感器的節(jié)點(diǎn)和潛航器組成的自組織通信、感知網(wǎng)絡(luò)，能夠在部署區(qū)域內(nèi)合作完成信息的采集、監(jiān)控任務(wù)[1]。UASN在海洋水文信息調(diào)查、海洋資源研究、海洋災(zāi)害預(yù)警、海洋環(huán)境資源調(diào)查以及海洋軍事活動(dòng)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為獲取海洋信息的重要手段。
無(wú)線電波在水下衰減嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)證明不適用于水下通信；而激光在水下散射嚴(yán)重，且需要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)細(xì)激光束，在水下的應(yīng)用也受到嚴(yán)重的制約[2]；所以，水下通信主要采用水聲通信。聲波在水下傳播的速度比較慢，一般按1 500 m/s進(jìn)行計(jì)算，遠(yuǎn)低于無(wú)線電波的傳播速度；受溫度、鹽度、壓力的影響，這個(gè)數(shù)值還會(huì)發(fā)生變化。再加上傳感節(jié)點(diǎn)部署在不同的深度中，UASN所形成的三維傳感器網(wǎng)絡(luò)與陸上二維無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, wireless sensor networks）有很大的區(qū)別。陸上WSN中的相關(guān)算法，在海洋三維USAN里不能直接使用。例如，WSN中廣泛使用的覆蓋率和部署策略在UASN環(huán)境下變成了NP問(wèn)題[3,4]。
UASN的各種傳感節(jié)點(diǎn)在水下的網(wǎng)絡(luò)中相互合作，完成信息的收集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把信息傳遞到陸地的處理中心，所以，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和連通性成為數(shù)據(jù)能否全面收集并正確轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)鍵指標(biāo)。而網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂普菫榱吮ＷC網(wǎng)絡(luò)始終處于良好狀態(tài)。由于水下環(huán)境復(fù)雜，部署在水下的節(jié)點(diǎn)受到潮汐、洋流以及生物附著的影響，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生移動(dòng)甚至失效，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的性能。針對(duì)不同的水下環(huán)境，設(shè)計(jì)高效節(jié)能的拓?fù)淇刂撇呗裕瑏?lái)保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和連通性成為UASN研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
本文對(duì)UASN拓?fù)淇刂扑惴ㄟM(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)進(jìn)一步研究UASN的拓?fù)淇刂评碚摼哂兄卮蟮慕梃b意義。本文圍繞UASN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?，首先介紹了網(wǎng)絡(luò)部署中使用節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀以及拓?fù)淇刂浦胁豢扇鄙俚耐ㄐ畔到y(tǒng)結(jié)構(gòu)；然后對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬蛇^(guò)程中所需要的時(shí)間同步協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位、MAC協(xié)議以及部署策略的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，這些技術(shù)影響著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?，也是在進(jìn)行拓?fù)淇刂扑惴ㄟ^(guò)程中不可忽略的因素；最后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频难芯楷F(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有的控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了未來(lái)的研究方向。
2 相關(guān)內(nèi)容及研究現(xiàn)狀
2.1 水下傳感器節(jié)點(diǎn)
水下傳感器節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的個(gè)體，除了有水聲通信模塊以外，還有數(shù)據(jù)采集模塊。與陸地WSN傳感器節(jié)點(diǎn)相比，有以下幾點(diǎn)不同。
1) 傳感器節(jié)點(diǎn)采用的通信方式不同。雖然都是無(wú)線信號(hào)，但是水聲的傳播速度要比無(wú)線射頻信號(hào)的傳播速度低5個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致水下通信有很大的延遲性[2]。
2) 部署的環(huán)境不同。惡劣的水下環(huán)境對(duì)水下傳感器節(jié)點(diǎn)提出了更多的要求，也導(dǎo)致成本要比陸上節(jié)點(diǎn)高出許多。由于水下環(huán)境比較復(fù)雜、噪音比較多，水下傳感器節(jié)點(diǎn)的換能器把偵聽到的水聲信號(hào)經(jīng)過(guò)聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器復(fù)雜算法的處理，得到微處理器能夠直接處理的數(shù)字電信號(hào)，調(diào)制解調(diào)過(guò)程采用的處理器為高性能的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP, digital signal processor）[5]。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要使用水下解調(diào)器將電信號(hào)編碼，經(jīng)過(guò)水下?lián)Q能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)成水聲信號(hào)發(fā)射出去。水下信號(hào)的接收、轉(zhuǎn)換和發(fā)射過(guò)程中的延時(shí)是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂撇豢珊雎缘囊蛩亍?/p>
根據(jù)采用不同的水聲調(diào)制解調(diào)器，通信頻率可以從數(shù)千赫茲至數(shù)百千赫茲，傳輸?shù)木嚯x為數(shù)十米到數(shù)萬(wàn)米[6]，數(shù)據(jù)的傳輸率為數(shù)百比特每秒到數(shù)千比特每秒。所以，在研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂撇呗缘倪^(guò)程中，要充分考慮到網(wǎng)絡(luò)的通信距離。
3) 水下傳感器的成本比較高。水下傳感器節(jié)點(diǎn)由于部署在水下幾米甚至是幾千米，且需要進(jìn)行復(fù)雜的處理，導(dǎo)致水下傳感器節(jié)點(diǎn)的成本相當(dāng)高[7]，要監(jiān)控一片廣闊的立體海域，在沒(méi)有解決節(jié)點(diǎn)的成本問(wèn)題之前，以稀疏部署為主。
4) 水下傳感器的節(jié)點(diǎn)部署方式比較多，可以分成以下幾類[8]。
①靜態(tài)部署：節(jié)點(diǎn)被固定在不移動(dòng)的物體上，如船塢、海底錨點(diǎn)以及海床。
②半移動(dòng)部署：節(jié)點(diǎn)連接到水上漂浮物后下垂至水中，適用于短期部署。
③移動(dòng)部署：節(jié)點(diǎn)安裝在無(wú)纜水下機(jī)器（AUV, autonomous underwater vehicle）、低功率的水下滑翔機(jī)以及無(wú)動(dòng)力的漂浮物上。移動(dòng)部署可以用有限的硬件資源最大化節(jié)點(diǎn)的覆蓋率。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入，給拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。
由于以上的不同，在研究UASN拓?fù)淇刂茣r(shí)，需要考慮實(shí)際的節(jié)點(diǎn)性能，研究高效健壯的算法。由于節(jié)點(diǎn)的成本比較高，進(jìn)行實(shí)際水下部署的成本也很高，所以，在進(jìn)行海試之前，需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。
目前，在海試中測(cè)試過(guò)的節(jié)點(diǎn)包括AquaNodes以及簡(jiǎn)單的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)AMOUR[9]等；專用的測(cè)試床及仿真工具有美國(guó)康涅狄格州大學(xué)開發(fā)的Aqua-Lab[10]、Aqua-Sim[11]等。在AUV方面，各國(guó)都展開了研究，重量在500 kg以上，續(xù)航時(shí)間為24 h以上，如美國(guó)的藍(lán)鰭金槍魚、中科院自動(dòng)化所的潛龍一號(hào)等，以及天津大學(xué)的海燕滑翔機(jī)。圖1為MIT的研究者設(shè)計(jì)制作的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)AMOUR[9]，這些節(jié)點(diǎn)可以部署在水下不超過(guò)100 m的水域。
2.2 UASN的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
UASN是由水面上的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和水下傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的立體網(wǎng)絡(luò)[12]。水上部分包括定位和時(shí)鐘同步用的參考點(diǎn)、通信中繼的網(wǎng)關(guān)等；水下通信網(wǎng)絡(luò)研究方向覆蓋時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位、MAC通信協(xié)議以及路由控制等多個(gè)方面。水下采集信息中的時(shí)間和位置信息保證了信息的時(shí)效性和相關(guān)性。由于聲波在空氣中的速度比較慢，因此，水下的信息傳到陸地的處理中心后，在水面以上須采用無(wú)線電波的方式進(jìn)行傳播，即需要在水面上部署網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同樣也可以接受地面處理中心發(fā)送的指令。典型的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.3 UASN的時(shí)間同步
傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式特點(diǎn)決定應(yīng)用任務(wù)必須通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的細(xì)粒度協(xié)同與合作完成[13]。時(shí)間同步為協(xié)議和應(yīng)用服務(wù)提供基本的支持[14]，例如，為了保證數(shù)據(jù)的新鮮度，需要在采集的數(shù)據(jù)中加入時(shí)間戳。水下的節(jié)點(diǎn)無(wú)法從GPS等統(tǒng)一時(shí)鐘源獲取精確時(shí)間，只能通過(guò)攜帶的晶振計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算本地時(shí)間。物理性質(zhì)決定晶振周期存在微小的波動(dòng)，這種波動(dòng)的長(zhǎng)期積累，會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間不一致，將會(huì)影響一系列應(yīng)用，如多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)。由于水下通信存在較大的延遲，節(jié)點(diǎn)本身能量有限且具有一定的移動(dòng)性，所以，對(duì)水下時(shí)間同步提出了很高的要求。Liu等[15]為水下移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)成對(duì)的跨層時(shí)間同步方案——DA_Sync。該方案評(píng)估了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性帶來(lái)的多普勒漂移，使用卡爾曼濾波算法提高了時(shí)間同步的精度，通過(guò)運(yùn)行2個(gè)線性回歸方程來(lái)校準(zhǔn)時(shí)間的偏斜和漂移。
2.4 UASN的水下節(jié)點(diǎn)定位
水下節(jié)點(diǎn)的位置用來(lái)標(biāo)記所收集的信息位置，如果沒(méi)有采集信息的具體位置，該信息就失去了意義。通過(guò)節(jié)點(diǎn)的定位信息，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的通信距離和感知距離，能夠計(jì)算出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和連通性。
在定位方法中，測(cè)邊法是一種廣泛使用的定位方法。多變測(cè)量是經(jīng)典的三邊測(cè)距法的一般化，即由非共面的+1個(gè)點(diǎn)確定維坐標(biāo)信息[16]。
水下聲學(xué)定位一般可分為長(zhǎng)基線、短基線和超短基線定位。依據(jù)水聲信號(hào)在節(jié)點(diǎn)間的傳播延時(shí)或相位差，可計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)距離。不論哪一種定位方式，都需要采用多個(gè)參考點(diǎn)，根據(jù)已知參考點(diǎn)的位置信息和其他節(jié)點(diǎn)與這些節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離進(jìn)行相對(duì)定位。通常采用TOA（到達(dá)時(shí)間）、TDOA（到達(dá)時(shí)間差）等來(lái)計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離。
UASN的時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位并不是孤立的，兩者具有相互依賴性。Liu等[17]提出水下定位和時(shí)間同步問(wèn)題的聯(lián)合解決方案JSL。該方案針對(duì)水下信號(hào)時(shí)延長(zhǎng)、帶寬低、能量受限和移動(dòng)性等問(wèn)題，考慮到水下實(shí)際分層的效果，經(jīng)過(guò)4個(gè)階段的時(shí)間同步和定位迭代，再補(bǔ)償假設(shè)聲波在水下環(huán)境以直線方式傳播所帶來(lái)的范圍評(píng)估偏差，提高了節(jié)點(diǎn)定位和時(shí)間同步的精度，極大地減少了水下通信的信息交換量。
2.5 UASN的MAC協(xié)議
目前，水下水聲通信幾乎全都采用半雙工的通信方式[7]，MAC協(xié)議的效率對(duì)水下通信網(wǎng)絡(luò)的形成、拓?fù)涞目刂朴兄薮蟮挠绊憽AC協(xié)議是水下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖傻幕A(chǔ)協(xié)議[18]。適用于水下的MAC協(xié)議可以分為競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議（如CSMA）和調(diào)度協(xié)議（如TDMA）2類。TDMA的效率比較高，但需要比較嚴(yán)格的時(shí)間同步[1,15]，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量變化靈活性比較低。CSMA協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化的靈活性比較高，但水下信號(hào)傳輸?shù)拈L(zhǎng)延時(shí)導(dǎo)致基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議效率比較低[19]。
大部分MAC協(xié)議的測(cè)試是通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)[20, 21]或者人工水池[22]來(lái)進(jìn)行的。Le等[23]提出基于調(diào)度的MAC協(xié)議——PMAC。它是一個(gè)在海洋環(huán)境下測(cè)試過(guò)的通信協(xié)議，該協(xié)議采用獨(dú)特的直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輪流發(fā)送數(shù)據(jù)，距離3跳距離的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)指定的時(shí)間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)數(shù)據(jù)在一個(gè)時(shí)間槽內(nèi)完成傳輸。如果該節(jié)點(diǎn)偵聽到數(shù)據(jù)分組被轉(zhuǎn)發(fā)或者收到一個(gè)明確的應(yīng)答，則進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)分組的發(fā)送，否則，等待下一個(gè)時(shí)間槽的分配。實(shí)驗(yàn)中還采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試了SASHA、UW-aloha協(xié)議，實(shí)驗(yàn)證明，PMAC在這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下性能比其他2個(gè)好。Zhu等[24]通過(guò)多次海洋實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由水聲調(diào)制解調(diào)器特征引起的2個(gè)不可忽視的問(wèn)題：傳輸速率和長(zhǎng)分組的有效性。高傳輸速率和長(zhǎng)分組都會(huì)造成大的分組丟失率。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出分布式的基于聚簇的按需分時(shí)共享的MAC解決方案——COD-TS，采用分時(shí)協(xié)議能夠避免發(fā)送過(guò)程中數(shù)據(jù)分組的碰撞問(wèn)題，因此，有希望解決上述的2個(gè)問(wèn)題，在單跳網(wǎng)絡(luò)中，COD-TS使用Bandyopadhyay等[25]提出的聚簇方法，簇頭根據(jù)成員的請(qǐng)求為它們分配發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間槽，一輪通信的持續(xù)時(shí)間是不固定的，而是按照需求，除非總的被調(diào)度數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)間長(zhǎng)度超過(guò)了閾值，這樣保證了各簇的公平。文章還將COD-TS協(xié)議擴(kuò)展到了多跳網(wǎng)絡(luò)中。
2.6 UASN的部署
UASN的拓?fù)溲芯繎?yīng)結(jié)合節(jié)點(diǎn)的部署策略，拓?fù)淇刂茝墓?jié)點(diǎn)部署開始。
UASN節(jié)點(diǎn)的部署可以認(rèn)為是其生命周期的開始，UASN的部署需要結(jié)合海洋環(huán)境考慮部署的類型[8]、網(wǎng)關(guān)的布置[26~28]、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位等服務(wù)。在水下環(huán)境中必須考慮到節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間工作所帶來(lái)的問(wèn)題，可能的風(fēng)險(xiǎn)包括海流、潮汐、水下漁具、節(jié)點(diǎn)的能量耗盡、生物的侵蝕和附著作用以及防水的失敗等。所以，一些學(xué)者提到了節(jié)點(diǎn)的冗余部署[19]，另外，為了考慮將來(lái)破損的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆希碚撋峡梢钥紤]移動(dòng)節(jié)點(diǎn)部署和二次部署。
成本問(wèn)題成為制約UASN實(shí)際部署的一個(gè)重要原因。由于目前使用的市場(chǎng)不大，水下傳感器節(jié)點(diǎn)的成本相當(dāng)高。例如，一個(gè)有耐壓外殼的水下調(diào)制解調(diào)器大約是3 000美元。相比陸上傳感器節(jié)點(diǎn)100美元的成本，水下傳感器節(jié)點(diǎn)的成本高達(dá)10 000美元[19]。經(jīng)濟(jì)上的考慮驅(qū)使水下傳感器網(wǎng)絡(luò)稀疏部署[7,19,29]。部署的成本也非常高，海洋調(diào)查船用的海岸艇的成本是每天5 000美元，大型遠(yuǎn)洋船是每天25 000美元。所以，給定一片海域及拓?fù)湟螅绾芜M(jìn)行快速高效的部署是在實(shí)際部署之前需要解決的課題。
按照網(wǎng)絡(luò)最終的體系結(jié)構(gòu)來(lái)分，部署可以分為二維部署和三維部署。二維部署是指節(jié)點(diǎn)被固定在海床上，對(duì)海底附近信息進(jìn)行收集；而三維部署是節(jié)點(diǎn)被部署在海洋的不同深度，能夠監(jiān)控整個(gè)海域空間。三維部署對(duì)節(jié)點(diǎn)提出了新的要求，即節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)壓力傳感器來(lái)計(jì)算所在的深度并進(jìn)行水面垂直方向的調(diào)整。
目前，大部分部署算法都假設(shè)所要部署的網(wǎng)絡(luò)為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[4]，即網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知半徑和通信半徑分別都是相同的，且通信半徑大于感知半徑。最佳的部署策略是用數(shù)量最少的節(jié)點(diǎn)完全覆蓋某個(gè)二維或者三維空間。所以，一部分學(xué)者從幾何的角度出發(fā)[4,30~33]，研究網(wǎng)絡(luò)的最大覆蓋率和連通性。
Pompili等[32]分別提出了UASN下二維環(huán)境和三維體環(huán)境的節(jié)點(diǎn)部署算法。在二維環(huán)境中，提出了三角網(wǎng)格部署方法，目標(biāo)是用數(shù)量最少的節(jié)點(diǎn)覆蓋一個(gè)矩形區(qū)域，具體的策略是使用聚集節(jié)點(diǎn)，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)成為等邊三角形的每一個(gè)頂點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整三角形的邊長(zhǎng)（2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離）來(lái)達(dá)到100%的覆蓋率。文章還研究了節(jié)點(diǎn)在下沉過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)，來(lái)研究節(jié)點(diǎn)在水面部署時(shí)的位置。在二維部署的基礎(chǔ)上，提出三維的底部網(wǎng)格隨機(jī)策略。節(jié)點(diǎn)都下沉到海底，然后調(diào)整與固定在海底的錨點(diǎn)的連線長(zhǎng)度形成三維網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)的深度通過(guò)水上工作站計(jì)算得到，錨點(diǎn)的位置是通過(guò)二維環(huán)境下的三角網(wǎng)格部署策略來(lái)計(jì)算的。本文所提出的部署策略適合在單跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為了達(dá)到好的覆蓋率，要在掌握部署海域的水文情況后，才能進(jìn)行精確部署。
針對(duì)定點(diǎn)部署的弊端，Senel[3,34]提出UASN中節(jié)點(diǎn)自動(dòng)部署算法，該算法的思想是在水面上隨機(jī)部署二維傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)合作計(jì)算并各自調(diào)整自己的深度，形成一個(gè)能夠在保證連通性的同時(shí)達(dá)到最大覆蓋的三維UASN。首先，采用啟發(fā)式算法確定水面二維網(wǎng)絡(luò)的連通支配節(jié)點(diǎn)的集合，這些支配者形成未來(lái)三維網(wǎng)絡(luò)的骨干節(jié)點(diǎn)。維持支配者連通，并選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為頭節(jié)點(diǎn)，從頭節(jié)點(diǎn)開始，以令環(huán)的方式順序計(jì)算出該支配節(jié)點(diǎn)下的被支配節(jié)點(diǎn)和相鄰的支配節(jié)點(diǎn)的深度，直到所有的節(jié)點(diǎn)都完成深度計(jì)算。最后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)各自下沉到計(jì)算的深度。該方法是通過(guò)減少覆蓋的重疊來(lái)達(dá)到最大覆蓋率的，缺點(diǎn)是在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成過(guò)程中節(jié)點(diǎn)之間需多次交換數(shù)，數(shù)據(jù)通信量大。
為了形成一個(gè)完整的通信網(wǎng)絡(luò)，水面部分的網(wǎng)關(guān)是必不可少的。水面網(wǎng)關(guān)可以將水下節(jié)點(diǎn)發(fā)送的水聲信號(hào)轉(zhuǎn)為無(wú)線電信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)到控制中心。Ibrahim等[27,35]提出水面網(wǎng)關(guān)位置的計(jì)算方法，假設(shè)已經(jīng)存在一個(gè)水下網(wǎng)絡(luò)的部署，計(jì)算出給定數(shù)量的水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)部署位置。文章把水面劃分成若干個(gè)相等的網(wǎng)格，用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)來(lái)標(biāo)志某個(gè)網(wǎng)格是否部署水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。限制條件分為部署限制、流量守恒限制和沖突限制。文章把該問(wèn)題歸納為CFLP（固定容量設(shè)備選址）問(wèn)題，通過(guò)互換貪婪算法求得近似最優(yōu)解。文章還把這種節(jié)點(diǎn)部署方法擴(kuò)展為動(dòng)態(tài)部署方法，即通過(guò)定期地使用該算法來(lái)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)壽命的最大化。該算法能夠在理論上達(dá)到接近最優(yōu)解，但沒(méi)有考慮水下節(jié)點(diǎn)的拓?fù)溲莼裕雎粤司W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從開始移動(dòng)到新的拓?fù)湫纬蛇^(guò)程中需要的通信量的大小。
UASN的節(jié)點(diǎn)部署研究算法不是很多，原因之一是很難取得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在大部分的研究文獻(xiàn)里，都假定UASN已經(jīng)部署完畢。實(shí)際上，UASN從部署到最終通信網(wǎng)絡(luò)的形成過(guò)程涉及時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題和MAC協(xié)議問(wèn)題，而這3個(gè)問(wèn)題又相互依賴。例如，節(jié)點(diǎn)的定點(diǎn)部署需要節(jié)點(diǎn)精確定位，而節(jié)點(diǎn)在使用TOA方式定位時(shí)，不僅需要解決時(shí)間同步問(wèn)題，還需要解決參考節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)部署的問(wèn)題等。另外，由于節(jié)點(diǎn)的成本比較高，在稀疏部署條件下，如何對(duì)某個(gè)區(qū)域?qū)嵭杏行ПO(jiān)控成為未來(lái)的研究方向。
3 UASN拓?fù)淇刂评碚撗芯績(jī)?nèi)容
UASN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂聘采w了節(jié)點(diǎn)的部署、拓?fù)湫纬?、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)。
3.1 UASN的特點(diǎn)
UASN的拓?fù)淇刂评碚撗芯渴墙⒃跁r(shí)間同步、水下節(jié)點(diǎn)定位以及MAC協(xié)議等理論基礎(chǔ)之上的，控制具有復(fù)雜性，而復(fù)雜多變的水下環(huán)境也給網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂茙?lái)了新的挑戰(zhàn)。
UASN的網(wǎng)絡(luò)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。
1) UASN是復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)。由于單純的海底二維部署不能有效地監(jiān)控整個(gè)立體海域，而且二維的海底部署要求充分掌握海底地形。當(dāng)監(jiān)控的對(duì)象為廣闊的深水水域時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)感知范圍的限制，需要在不同的水深部署節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，還需要一類部署在水面的節(jié)點(diǎn)，能夠把水聲信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)并發(fā)送到處理中心。所以，UASN的拓?fù)溲芯縖4, 30, 31, 33, 36]大都集中在三維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>
2) UASN的數(shù)據(jù)吞吐率比較低。由于水聲信道具有路徑損耗，特別是受淺海海域信號(hào)反射和折射的影響，誤碼率高，再加上信號(hào)頻率低，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐率比較低。另外，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，節(jié)點(diǎn)在部署以后，大部分時(shí)間都處在休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)的處理能力與通信能力嚴(yán)重不匹配。
3) UASN的拓?fù)渚哂袆?dòng)態(tài)演化性。首先，由于水下節(jié)點(diǎn)能量使用的不均衡，對(duì)于多跳聚簇網(wǎng)絡(luò)而言，靠近簇頭的節(jié)點(diǎn)由于較高的轉(zhuǎn)發(fā)頻率會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量消耗快而過(guò)早死亡；其次，由于洋流和潮汐的影響，懸浮在水中的節(jié)點(diǎn)也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的位置動(dòng)態(tài)發(fā)生變化；最后，長(zhǎng)時(shí)間的生物侵蝕和附著作用，會(huì)使節(jié)點(diǎn)失去感知能力，懸浮的節(jié)點(diǎn)會(huì)沉入海底，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)生變化。
4) 作為感知和通信主體的傳感器節(jié)點(diǎn)的能量不容易補(bǔ)充，再部署比較困難。節(jié)點(diǎn)的有限能量嚴(yán)重影響了水下傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命。但是，一般認(rèn)為，AUV和水下滑翔機(jī)等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以到對(duì)接處進(jìn)行能量補(bǔ)充和信息傳輸[37]，這給設(shè)計(jì)具有健壯性和長(zhǎng)壽命的網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)方便。
以上幾個(gè)因素影響了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕研院途W(wǎng)絡(luò)的壽命，同時(shí)也影響了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频牟呗浴?/p>
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫荱ASN研究的關(guān)鍵問(wèn)題，水下傳感器拓?fù)淇刂频哪繕?biāo)為在保證網(wǎng)絡(luò)高連通性、感知的高覆蓋率的前提下減少時(shí)延[38]、節(jié)省能量[31]、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命[39]。
3.2 UASN拓?fù)淇刂频难芯績(jī)?nèi)容
目前，學(xué)術(shù)界針對(duì)UASN拓?fù)淇刂评碚摰难芯恐饕獓@以下幾點(diǎn)。
1) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的部署、生成算法
考慮到不同的水深、水下地形（海床不平整）等因素，設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是進(jìn)行拓?fù)溲芯康氖滓獑?wèn)題。Senel等[3, 34]提出在水面上計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的深度后再各自下沉到指定的深度的控制算法。該算法控制簡(jiǎn)單，但是骨干節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量大、通信量也很大，導(dǎo)致骨干節(jié)點(diǎn)的能量損耗比較快。何明等[40]提出使用魚群?jiǎn)l(fā)算法研究AUV節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的部署，最終完成兩者的分布密度相匹配部署。對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)分組編號(hào)，發(fā)現(xiàn)失效節(jié)點(diǎn)以后，AUV進(jìn)行愈合。把傳感器節(jié)點(diǎn)作為人工魚，目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的事件作為食物，再次使用魚群?jiǎn)l(fā)算法，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠?。模擬在800 m×800 m×800 m的水下檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，部署100個(gè)目標(biāo)事件、50個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和10個(gè)AUV節(jié)點(diǎn)進(jìn)行100輪仿真，事件覆蓋度基本在90%以上。但該算法要求AUV與傳感器節(jié)點(diǎn)一起部署，并且傳感器節(jié)點(diǎn)在死亡之前，AUV一直不工作，在愈合過(guò)程中，AUV需要降低功率使用，沒(méi)有充分發(fā)揮AUV的功能，不適用于實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署和拓?fù)淇刂浦小?/p>
為了方便研究，水下傳感器節(jié)點(diǎn)一般都認(rèn)為是同構(gòu)的。Wang等[41]研究了同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的聚簇控制算法，根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)情況，可以周期性地重新選擇能量大且距離中心點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，該算法理論上能夠均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。但簇頭的全局選舉需要進(jìn)行大量的通信，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)消耗節(jié)點(diǎn)的大量能量。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟渴鹕伤惴ǖ哪繕?biāo)是在某一海洋環(huán)境下，使用少量的節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大的覆蓋區(qū)域。大部分部署策略都是以犧牲通信量來(lái)達(dá)到或者接近最優(yōu)，而忽略了水下通信的低效率和高能量損耗對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響。
2) 拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)演化性研究
Caruso 等[42]分析了自由漂流的節(jié)點(diǎn)在海流中的漫流（meandering current）和渦流（vortices）的運(yùn)動(dòng)，提出節(jié)點(diǎn)水下環(huán)境的移動(dòng)模型—meandering current mobility，得出了覆蓋率和連通性是時(shí)間函數(shù)的結(jié)論。Mandal等[43]研究了水下傳感器節(jié)點(diǎn)在海洋中的受力情況，提出了節(jié)點(diǎn)的物理移動(dòng)模型——海洋力量移動(dòng)模型（oceanic forces mobility model），分析了在三維環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)在該模型下的運(yùn)動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的離散和定位方面的影響。仿真結(jié)果表明，在海洋力量的影響下，定位覆蓋率降低36.70%、錯(cuò)誤率增加21.14%、平均能量消耗增加大于3%。Liu等[38,44,45]進(jìn)行了半移動(dòng)部署的節(jié)點(diǎn)（水下節(jié)點(diǎn)通過(guò)連線與固定在海床的錨點(diǎn)連接）在洋流作用下的網(wǎng)絡(luò)演化性研究。文章指出這樣的節(jié)點(diǎn)在水下的移動(dòng)軌跡為球冠結(jié)構(gòu)，研究目標(biāo)是找到一個(gè)能夠在維持覆蓋和連通的同時(shí)，盡可能減少能量消耗的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴ā?/p>
目前，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男阅茉u(píng)價(jià)指標(biāo)一般采用連通性和覆蓋率，但是水下網(wǎng)絡(luò)的特殊性還應(yīng)該有其他的指標(biāo)，如節(jié)點(diǎn)的平均通信距離等。研究合理且全面地評(píng)價(jià)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是拓?fù)淇刂埔鉀Q的問(wèn)題之一。
3) 拓?fù)涞挠蠙C(jī)制研究
水下節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和復(fù)雜的水下環(huán)境使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)生變化。為保證網(wǎng)絡(luò)能夠不間斷地工作，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)性能達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆稀Ｓ戏椒òü?jié)點(diǎn)的冗余部署、二次部署以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)輔助修補(bǔ)等。
Liu等[46]認(rèn)為重新部署的關(guān)鍵點(diǎn)是解決覆蓋率問(wèn)題，通過(guò)把監(jiān)控水域分成大小相同的立方體來(lái)研究網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。文章提出通過(guò)增加新的節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)休眠的冗余節(jié)點(diǎn)2個(gè)算法來(lái)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。使用一個(gè)隨機(jī)游走模型來(lái)模擬洋流環(huán)境，并在這個(gè)模型研究覆蓋率的變化。模擬在50 m× 50 m×50 m的水域里部署100個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用部署新節(jié)點(diǎn)的算法后，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率可以達(dá)到95%。隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)逐漸減少，使用移動(dòng)冗余節(jié)點(diǎn)的算法，可以減緩覆蓋率降低的速度。該算法雖然能夠減緩網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的衰減，但并沒(méi)有考慮到冗余節(jié)點(diǎn)的具體位置，也沒(méi)有考慮到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，愈合以后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不一定是最優(yōu)的。
在UASN中，以水下滑翔機(jī)為代表的節(jié)點(diǎn)有不可控的移動(dòng)性，又有一定的自主運(yùn)動(dòng)性。這樣的節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆咸峁┝私鉀Q方法。Luo等[39]提出了SSC（sea surface coverage）解決方案。文章把節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)分成不可控的移動(dòng)和可控的移動(dòng)2類，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知區(qū)域是一塊固定的感知區(qū)域，通過(guò)一個(gè)分布式算法。首先，計(jì)算不可控運(yùn)動(dòng)性下的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)距離；然后，為了補(bǔ)償這個(gè)距離，計(jì)算可控移動(dòng)性下節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)的距離；最后，多個(gè)節(jié)點(diǎn)相互合作，交換感知區(qū)域，來(lái)彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)所產(chǎn)生的感知漏洞。該解決方案與每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都回到原來(lái)初始位置（back-to-origin）的算法相比，能夠節(jié)省能量，減緩節(jié)點(diǎn)的能量衰減。適用于隨機(jī)環(huán)流（random-ring）的洋流模型，而對(duì)于常見的漫流（meandering current）模型，該算法退化成back-to-origin，效率顯著降低。
目前的研究都假設(shè)網(wǎng)絡(luò)需要拓?fù)溆?，進(jìn)而研究拓?fù)溆峡刂扑惴?。但是沒(méi)有提及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆系南葲Q條件，即當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)或某幾個(gè)性能指標(biāo)到達(dá)什么值時(shí)，需要進(jìn)行愈合。在研究愈合機(jī)制中，因?yàn)橥ㄐ诺难訒r(shí)等因素，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆祥_始到結(jié)束這一個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間是不能忽略的，所以，周期對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫阅苤笜?biāo)進(jìn)行采樣后對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可用狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)、進(jìn)而預(yù)警等相關(guān)理論研究是進(jìn)行拓?fù)淇刂评碚撗芯康姆较蛑弧?/p>
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠蠁?wèn)題在本質(zhì)上是系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，在獲取當(dāng)前系統(tǒng)參數(shù)的條件下，新加入的節(jié)點(diǎn)部署在什么位置上能夠使愈合后的網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最優(yōu)或接近最優(yōu)。
4 未來(lái)研究展望
UASN拓?fù)淇刂剖俏磥?lái)進(jìn)行大規(guī)模部署的關(guān)鍵技術(shù)之一，圍繞未來(lái)的實(shí)際大規(guī)模部署，UASN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯靠蓮囊韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行深入。
1) OWSN部署階段的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)測(cè)模型。在研究UASN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)，一般都假設(shè)通信距離大于感知距離，所以，拓?fù)淇刂频哪繕?biāo)首先是保證覆蓋率。但實(shí)際上的部署由于水文影響或者成本因素，很難達(dá)到100%。在這種背景下，如何評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男阅芤约皩?duì)愈合的策略做出性能評(píng)估是亟需解決的理論問(wèn)題。
2) 自主移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溲芯俊Ｋ露鄠€(gè)自主移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（如AUV）的編隊(duì)拓?fù)淇刂埔彩悄壳暗囊粋€(gè)研究熱點(diǎn)方向，特別是利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控重要價(jià)值的基礎(chǔ)設(shè)施（如海島、鉆井平臺(tái)等）。例如，Zou等[47,48]使用3D-PSO（粒子群優(yōu)化）的拓?fù)淇刂扑惴ǎ枚鄠€(gè)AUV來(lái)聯(lián)合保衛(wèi)港口和艦船的周邊安全。
3) 拓?fù)溆系牟呗?。好的網(wǎng)絡(luò)愈合策略不能簡(jiǎn)單地用新節(jié)點(diǎn)代替原來(lái)的某一個(gè)或幾個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)或者臨近死亡節(jié)點(diǎn)，而是要考慮到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)（節(jié)點(diǎn)的能量剩余量、網(wǎng)絡(luò)通信的瓶頸等），選擇最佳的愈合位置。例如，在獲得當(dāng)前多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)上確定重新部署策略，重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部分拓?fù)?，從而達(dá)到優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪康摹?/p>
4) 拓?fù)溆现械陌踩珕?wèn)題。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆线^(guò)程中加入新的同構(gòu)或者異構(gòu)節(jié)點(diǎn)所導(dǎo)致的安全問(wèn)題不能忽視。例如，如何對(duì)新加入的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行密鑰管理和身份認(rèn)證來(lái)阻止女巫攻擊、蟲洞攻擊等惡意攻擊行為的生效。
5) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化預(yù)測(cè)模型。在建立的性能評(píng)估模型下，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化來(lái)預(yù)測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能變化，為拓?fù)涞挠咸峁Q策。
6) 三維仿真平臺(tái)的研究。目前的網(wǎng)絡(luò)仿真工具，如NS2[49]、OMNeT[50]、NS3[51]都不能很好地支持UASN的網(wǎng)絡(luò)仿真。WOSS（world ocean simulation system）[52]是海洋環(huán)境下的水聲信道仿真工具，輸入海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，能夠?qū)Ｑ笏曅诺肋M(jìn)行仿真，無(wú)縫支持NS3的仿真。目前的仿真平臺(tái)缺少像水下滑翔機(jī)、AUV等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模型，更不能對(duì)洋流模型、海底地形等進(jìn)行建模。所以，UASN下的三維仿真平臺(tái)作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂评碚撗芯康闹纹脚_(tái)，也是未來(lái)的研究方向之一。
5 結(jié)束語(yǔ)
UASN的研究目前還處于發(fā)展階段，由于實(shí)際部署難度較大、成本昂貴，大部分的拓?fù)淇刂蒲芯咳蕴幱跍\層次的理論研究階段。本文圍繞UASN的拓?fù)淇刂评碚撗芯浚紫?，分析了水下傳感器?jié)點(diǎn)、時(shí)間同步、MAC協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位及部署等各方面對(duì)拓?fù)淇刂评碚摰挠绊?；然后，分析了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂评碚摰难芯績(jī)?nèi)容以及學(xué)術(shù)界現(xiàn)有的控制算法及其局限性；最后，提出了未來(lái)的研究方向，為更深入地研究拓?fù)溲芯靠刂评碚撎峁┝诵碌难芯奎c(diǎn)。解決UASN成本，才會(huì)有更多實(shí)際的水下部署，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂评碚摰难芯?。不可預(yù)見的復(fù)雜海洋環(huán)境，對(duì)拓?fù)淇刂扑惴ㄔ诳捎眯?、頑健性等方面提出了更高的要求。
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Survey on UASN topology control
Liu Hong-ri, Sun Yun-xiao, Song Jia, Liu Yang, Huang Jun-heng, Wang Bai-ling
（Institute of Network Technology, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209,China）
Firstly, the status of current research of water acoustic sensor network nodes and communication structure were summed up, and the impact of the time synchronization, MAC protocol and deployment strategies on network topology control were analyzed. Secondly, following successive process of network deployment, three scientific issues including the deployment generation of topological structure, the dynamic evolution of topology and healing mechanism of topology were extracted. Finally, a new thought for future research was provided.
underwater acoustic sensor networks, network deployment, dynamic evolve, topology healing
Natural Scientific Research Innovation Foundation in Harbin Institute of Technology (No.HIT.NSRIF.201723), Discipline Construction Guiding Foundation in Harbin Institute of Technology (Weihai) (No.WH20150211)，The National Natural Science Foundation of China (No.61371177), Technological Development Program in Shandong Province (No.2014GGX101053), Major Scientific and Technological Special Project in Shandong Province (No.2015ZDXX0201B04)
TP393.0
A
10.11959/j.issn.2096-109x.2016.00053
2016-03-17；
2016-04-27。
王佰玲，wbl@hit.edu.cn
哈爾濱工業(yè)大學(xué)科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（No.HIT.NSRIF.201723）；哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）學(xué)科建設(shè)引導(dǎo)基金資助項(xiàng)目（No.WH20150211）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61371177）；山東省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.2014GGX101053）；山東省科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.2015ZDXX0201B04）
劉紅日（1982-），男，山東煙臺(tái)人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）博士生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ髠鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)及安全。
孫云霄（1989-），男，山東濰坊人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全通信協(xié)議。
宋佳（1978-），男，山東青島人，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。
劉揚(yáng)（1972-），男，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)攻防技術(shù)、信息對(duì)抗技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳播機(jī)制及輿情分析。
黃俊恒（1966-），男，河南長(zhǎng)垣人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、人工智能。
王佰玲（1978-），男，黑龍江哈爾濱人，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全。
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