水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析研究楊平安

楊平安　冀寶仙

【摘 要】繁榮的海上貿(mào)易推動(dòng)了全球海上通信、信息技術(shù)以及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)等新技術(shù)在航海領(lǐng)域的應(yīng)用研究和推廣。本文主要通過(guò)對(duì)水下特殊環(huán)境特點(diǎn)的分析，以及對(duì)當(dāng)前技術(shù)在陸上的應(yīng)用研究，提出一種蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)部署策略，構(gòu)造了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且能量均衡的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足大部分水下應(yīng)用研究的需求。

【關(guān)鍵詞】水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)部署策略；蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)；能量均衡

Analysis of the topology of Underwater Wireless Sensor Networks

YANG Ping-an JI Bao-xian

（Shanghai Maritime University， Shanghai 201306，China）

【Abstract】The development of marine economy drives the global communication technology， information technology， wireless sensor network technology， etc. application technology to rapidly develop. In this paper， by analyzing the special features of the underwater environment and based on the application research of onshore wireless sensor network， it puts forward a node deployment strategy based on the cellular network structure， and structures a relatively stable and energy balanced network topology to meet the needs of most of the underwater application research.

【Key words】Underwater wireless sensor network； Cellular network structure； Node deployment strategy； Energy balance

0 引言

“21世紀(jì)海上絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)是促進(jìn)海上貿(mào)易發(fā)展、聯(lián)通世界各國(guó)最重要的戰(zhàn)略之一。此外，無(wú)線(xiàn)傳感器、衛(wèi)星通信等技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展為深海資源的開(kāi)發(fā)、海上航行環(huán)境監(jiān)測(cè)以及海上物標(biāo)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供了技術(shù)支持。

與陸上環(huán)境相比，水下環(huán)境比較復(fù)雜，通常傳輸?shù)男诺姥舆t比較大，因此造成通信沖突發(fā)生概率大，而且傳播的多徑效應(yīng)以及信道容易受干擾，也導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃圆睿?jié)點(diǎn)為了保證數(shù)據(jù)成功發(fā)送，需要多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使節(jié)點(diǎn)的能量消耗很快，加上水下節(jié)點(diǎn)部署稀疏，如果存在某一節(jié)點(diǎn)能量耗盡，就會(huì)導(dǎo)致傳感器網(wǎng)被分割成不相連的子網(wǎng)絡(luò)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，就需要從水下節(jié)點(diǎn)的部署、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和空間組網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中的能耗控制加以研究，在保證最低耗能的前提下節(jié)點(diǎn)有均衡的能量，延長(zhǎng)的生命周期。

本文通過(guò)提出一種蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分布，通過(guò)研究水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，根據(jù)節(jié)點(diǎn)部署稀疏網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，采用能量均衡的數(shù)據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

1.1 WSN節(jié)點(diǎn)的組成

如圖1所示，WSN節(jié)點(diǎn)主要由傳感、處理、通信和電源四個(gè)模塊組成。集成的每個(gè)獨(dú)立的WSN節(jié)點(diǎn)都能夠獨(dú)立地完成自身配置，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間互發(fā)位置信息，相互協(xié)調(diào)完成向岸上基站播發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[2]。

1.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2所示，WSN支持星型、簇樹(shù)型和網(wǎng)狀三種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

WSN的工作模式是各節(jié)點(diǎn)通過(guò)一跳或者多跳的方式將采集的數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器，然后通過(guò)網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，把數(shù)據(jù)傳送到岸端服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并為不同領(lǐng)域應(yīng)用研究提供數(shù)據(jù)支持。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信方式

2.1 水面無(wú)線(xiàn)電通信

無(wú)線(xiàn)電能夠?qū)崿F(xiàn)短距離高速通信，可以借助無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織逐跳傳輸?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)水面較大范圍組網(wǎng)通信的要求。但無(wú)線(xiàn)電波在海水中傳播的距離受其頻率的影響，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)因頻率較大而衰減，致使傳輸距離減小，一般為50-120cm[4]。也有實(shí)驗(yàn)表明，低頻率的長(zhǎng)波無(wú)線(xiàn)電波在海水中能夠傳輸?shù)木嚯x大概是6-8m[5]。盡管超低頻率的電磁波在海水中的穿透力較強(qiáng)，但是對(duì)于接收端天線(xiàn)的長(zhǎng)度要求比較高，而WSN節(jié)點(diǎn)體積很小，無(wú)法滿(mǎn)足安裝較長(zhǎng)天線(xiàn)的要求。因此，該通信方式多用于水上通信網(wǎng)中。

2.2 水下聲波通信

目前，聲波通信已經(jīng)在水下通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中得到廣泛應(yīng)用。最早研究的水聲通信技術(shù)是從水下模擬電話(huà)的問(wèn)世開(kāi)始的[6]。后來(lái)數(shù)字通信技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)大使模擬系統(tǒng)逐漸退出歷史舞臺(tái)，也為通信組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新的研究思路。

自組織、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、自愈功能、多跳路由是傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離信息傳播，可以分辨海水中的目標(biāo)，而且傳播速度較快，改變了傳統(tǒng)通過(guò)大量鋪設(shè)水下電纜的監(jiān)測(cè)模式，大大的節(jié)省了成本。

3 水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)和混合網(wǎng)絡(luò)是目前常用的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（1）靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般是指使用現(xiàn)有浮標(biāo)或者錨的方式部署傳感器節(jié)點(diǎn)，使其能可靠地固定在相對(duì)靜止的位置。如圖3所示是符合實(shí)際應(yīng)用的三維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由處于不同深度的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了近似立體空間結(jié)構(gòu)的三維拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，通常采用人工或者自動(dòng)布置方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的初始部署，一般都是稀疏網(wǎng)絡(luò)。水下傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電量耗盡，或者意外損壞如喑流、風(fēng)浪造成節(jié)點(diǎn)損壞等非正常因素所引起的節(jié)點(diǎn)失效問(wèn)題時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通度下降，在一定程度上影響該靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用推廣。

（2）動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

水下動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的的最大特點(diǎn)就是WSN節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)當(dāng)前水下環(huán)境情況，自由地變換空間位置。如圖4所示，在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中都會(huì)在水面放置具有無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)，用于收集所有水下節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)，并與岸端或附近船載基站進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳。水下的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，使用水聲通信方式進(jìn)行通信，這些水下節(jié)點(diǎn)可以是自制水下機(jī)器人或其他水下航行器，它們通過(guò)漂浮裝置實(shí)現(xiàn)在水底任意深度的移動(dòng)。

（3）混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖5所示，混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)加入自制水下設(shè)備、遠(yuǎn)端控制設(shè)備和水下航行器等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可看成是部署在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

為了能夠從不同方向接收和發(fā)射數(shù)據(jù)，需要在可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上安裝多個(gè)水聲收發(fā)器。節(jié)點(diǎn)通過(guò)評(píng)估自身性能，即當(dāng)前能量高低，以及所處監(jiān)測(cè)環(huán)境中數(shù)據(jù)密度動(dòng)態(tài)地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重組，保證穩(wěn)定可靠地監(jiān)測(cè)。此外，通過(guò)部署動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)，能夠有效避免監(jiān)測(cè)盲區(qū)，確保重組網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋所有監(jiān)測(cè)區(qū)域。而且混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的部署，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇能夠保證網(wǎng)絡(luò)能量均衡，且吞吐量最大化的通信路由。

圖5 混合傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于水下特殊且復(fù)雜的環(huán)境特點(diǎn)，為了保證網(wǎng)絡(luò)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，而且也為了節(jié)約成本，實(shí)際應(yīng)用中，傳感節(jié)點(diǎn)分布密度是呈現(xiàn)稀疏狀的，這些水下節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)水下環(huán)境的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，將采集到的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并通過(guò)通信協(xié)議發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，如果有應(yīng)用需要，通過(guò)新增的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)來(lái)完成緊急的數(shù)據(jù)收集。新增移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可通過(guò)機(jī)動(dòng)船釋放，當(dāng)節(jié)點(diǎn)下降到水下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域后，根據(jù)規(guī)約，通知所有節(jié)點(diǎn)把當(dāng)前釆集數(shù)據(jù)匯聚到水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，在接收完采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將返回水面，退出網(wǎng)絡(luò)，各水下節(jié)點(diǎn)將返回到原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中繼續(xù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。

3.2 水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)總結(jié)如表1。

4 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的感知模型

4.1 影響因素

水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，面臨的最大問(wèn)題是節(jié)點(diǎn)部署策略可達(dá)到相同覆蓋區(qū)域的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)最小節(jié)點(diǎn)投放數(shù)量。

實(shí)際上，傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率大小直接影響其通信范圍，而傳感器可以感知的范圍是與其能夠監(jiān)測(cè)的范圍有關(guān)的，典型值就是收到的信號(hào)的有效信號(hào)強(qiáng)度大于其固有噪聲的最大距離。

節(jié)點(diǎn)的成本也嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn)的部署，水下傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成本比較昂貴，基于成本的原因，不可能部署太多的節(jié)點(diǎn)，也就導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的冗余度會(huì)比較低，從而帶來(lái)節(jié)點(diǎn)的通信鏈路的冗余度也較低。節(jié)點(diǎn)的能量是保證傳感網(wǎng)絡(luò)生命周期的重要因素，因此節(jié)點(diǎn)所擁有的能量，決定了部署策略，

4.2 感知模型

構(gòu)建節(jié)點(diǎn)的感知模型是解決節(jié)點(diǎn)部署的基礎(chǔ)。常用的感知模型包括0-1感知模型和概率統(tǒng)計(jì)感知模型。

0-1感知模型是可用以下數(shù)學(xué)模型描述：

其中，P（si）表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)感知到P點(diǎn)的概率，r是節(jié)點(diǎn)的感知半徑，d是節(jié)點(diǎn)到被感知對(duì)象的直線(xiàn)距離。式（1）表示如果被感知對(duì)象進(jìn)入傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍，記概率為1，否則概率為0。

概率統(tǒng)計(jì)感知模型如圖6所示。

其中，r為感知半徑，ε是感知不確定區(qū)間。數(shù)學(xué)模型如下：

其中，P（si）表示節(jié)點(diǎn)Si感知到P點(diǎn)的概率，r是感知半徑，d是節(jié)點(diǎn)到被感知對(duì)象的直線(xiàn)距離。α=r-ε，λ和β是表征節(jié)點(diǎn)感知能力的系數(shù)。

5 蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)部署策略

本文提出了一種蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)部署策略。對(duì)于部署在水下的節(jié)點(diǎn)，其發(fā)射功率都可調(diào)整。因此網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)存在高功率長(zhǎng)距離的發(fā)送模式和低功率短距離的多跳發(fā)送模式，當(dāng)選擇一種通信模式下，如何部署節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)水下傳感器網(wǎng)中能耗均衡?；蛘咄ㄟ^(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)部署位置，通過(guò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行模式和節(jié)點(diǎn)位置綜合起來(lái)，使節(jié)點(diǎn)能耗均衡，網(wǎng)絡(luò)生存期最大化。

如圖7所示是一種蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)部署示意圖。采用靜態(tài)節(jié)點(diǎn)部署方法（可以將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)臨時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)中），在淺水區(qū)域中，將n個(gè)節(jié)點(diǎn)被安置在可看作等深度的平面上，并以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心的正六邊形頂點(diǎn)上，由于部署水深程度基本一致，構(gòu)成一個(gè)淺水蜂窩網(wǎng)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于節(jié)點(diǎn)類(lèi)型相同，傳輸方向都指向中心節(jié)點(diǎn)，感知半徑R具有與通信半徑r相同的最大能力，其中r可根據(jù)需求設(shè)定大小，總能滿(mǎn)足r≥R條件。

每個(gè)工作周期，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)采用多跳的傳輸模式傳送信息。如圖7所示，假設(shè)匯聚節(jié)點(diǎn)編號(hào)為S0，傳感器節(jié)點(diǎn)分別為s1，s2，...，s6，正六邊形上的六個(gè)節(jié)點(diǎn)都向匯聚節(jié)點(diǎn)S0傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)于s1和s6節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)選擇向S0還是S1發(fā)送，取決于這兩個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的能量大小，選擇能量大的傳輸，以便向上一級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)繼續(xù)傳輸，保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量均衡。如果網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，則選擇消耗總能量最低的路徑傳送信息，確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量始終平衡。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析適用于水下環(huán)境的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和混合結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)拓?fù)洌梃b陸上蜂窩網(wǎng)的架構(gòu)采用蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的部署節(jié)點(diǎn)，可以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠和暢通，同時(shí)提高能效，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。未來(lái)希望從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和最優(yōu)化路由兩個(gè)方面開(kāi)發(fā)更具有應(yīng)用價(jià)值的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]