水下无线传感器网络通信技术及应用实践研究

徐初杰

（集美大学信息工程学院，厦门 361021）

水下无线传感器网络通信技术及应用实践研究

徐初杰

（集美大学信息工程学院，厦门 361021）

水下无线传感器网通信技术的研究和应用，不仅为海洋探索工作提供了充足的技术帮助，同时在水下试验、水下寻找等工作上，也取得了较大的进步。但是，对于我国现有的工作而言，水下无线传感器网络通信技术还有很大的研发空间。文章针对水下无线传感器网络通信技术及应用实践展开讨论。

水下传感器网络；技术；通信；传感器

相对于陆地而言，水下工作需要面临许多挑战。对水下无线传感器网络通信技术的研究，主要是针对多个领域进行开发和利用，通过将无线传感器在水下良好的应用，确保无线传感器网络通信技术能够在本质上得到更大的提升，在应对新的工作任务时，可以在规定时间内有效完成。

1 水下无线传感器网络通信技术概述

水下无线传感器网络通信技术的工作条件如表1[1]所示。

表1 水下无线传感器网通信技术的条件

目前，对于绝大多数的应用领域而言，水下无线传感器是作为一种高密度部署传感节点的水下网络环境。这种网络环境的最大特点在于，节点表现为高密度集结的情况。为此，根据水下无线传感器网络通信技术的实际应用方向，可以将水下网络大致划分为两种类别：第一种，水下无线传感器网络通信技术的应用，主要是长期进行非实时状态的水中监视干预，比较常见的工作形式为海图数据收集、污染监视等等。第二种，水下无线传感器网络通信技术可以在短期内，针对水中的探测实施调查和分析，比较常见的工作形式为潜艇探测、寻找丢失的宝物或者是灾难等等。

水下无线传感器网络通信技术主要有3种方式包括无线电、激光和水声通信。

1.1 无线电波通信

无线电波在海水中传输，能耗大、传输距离短。实验研究表明：低频长波无线电波水下通信距离可以达到6~8m，30~300 Hz的超低频电磁波对海水穿透能力可达100多米，但需要很长的接收天线，无法安装在水下节点上。因此，无线电波只能实现短距离的高速通信，不能满足远距离水下组网的要求。

1.2 激光通信

蓝绿激光在海水中的衰减值小于10-2dB／m，对海水穿透能力强。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。不过，它适合近距离高速率的数据传输，比如自主水下航行器和岸边基站间的数据传输等。

1.3 水声通信

声波通信技术是当前水下无线传感器网通信和组网的主要技术。发展历程由20世纪50年代的水下模拟电话到20世纪80年代的数字频移键控技术以及后来的水声相干通信技术。到了20世纪90年代DSP（digital signal processing）芯片及数字通信技术的出现，尤其是水下声学调制解调器的问世，水下无线传感器网络得到快速发展。

2 声波通信

在现代化的探索和应用当中，水下无线传感器网络通信技术获得了很高的认可，但在具体的应用中，却必须考虑到很多的影响因素，不能单纯的根据理论上的技术指标来应用。为此，在研究和应用水下无线传感器网络通信技术的过程中，需针对声波通信方面的内容展开大量的研讨，为日后的工作提供足够的支持。

2.1 声波通信带宽受限

与一般的网通信技术不同的是，水下无线传感器的应用，能够改变以往的通信模式，将陆地上的传统通信方法转变为声波通信。但是，在大量的实践和探究以后，发现声波通信带宽会受到较大的限制。从现场测试的结果来看，能够应用的频带，直接取决于传输距离，二者之间的关联较大。首先，倘若是非常高的频带，也就是在50KHz以上的频带，在短距离的通信效果上是比较理想的，其他方面则有待开发[2]。其次，倘若在通信距离上，表现为中等距离，那么建议选择的频带范围在20KHz~50KHz之间，这对于国内绝大部分地区而言，是比较实用的频带范围，效果和价值都比较高[3]。第三，针对长距离的通信，也就是在数十公里以上的通信工作，只能是应用低频来完成，也就是在10KHz以下的频带。由此可见，声波通信的带宽典型，主要是保持在0KHz~50KHz之间，对于无线射频通信来讲，还有很大的距离要提升和弥补[4]。

2.2 声波通信的干扰条件较多

水下无线传感器网络通信技术在目前的研究和应用当中，会针对不同的区域、不同的条件进行试验和分析，观察声波通信能否通过其他的方法来进行提升。现阶段可以明确的是，声波通信受到的干扰条件比较多，因此在后续的运营和研发当中，还有很多挑战要应对。例如，在声波通信开展的过程中，冲击的环境噪声会带来很大的影响，主要的干扰源在于水下声波通路的时间和频率色散的特性所引起的，具体表现为自干扰的状态，从而直接导致声波通信的内容不健全，有很多方面都出现了严重的缺失。首先，慢速声波和多径现象发生后，直接导致通路的传播表现为显著的延时现象。分析后发现，由于波形的时间出现了色散的情况，促使符号之间的干扰特别突出，无法快速、稳定地进行传播。其次，倘若声波通信是处在移动的环境当中，包括平台移动和海波的散射等等。传播速度比较慢的声波内容，将会直接引入大量的多普勒扩展或者是频移的内容，此时，它在信号的不同频率条件下，成分之间产生了严重的干扰现象，导致声波通信遇到了严重的阻碍。

3 水下无线传感器网络体系结构

水下传感器网络根据具体应用不同，可以有多种体系结构。按其监测的空间区域不同大致可分为二维、三维和海洋立体监测网络三种。

3.1 二维(2D)监测网络

在该模型中，传感器节点被锚定在海底，监测信息可以通过AUV定时收集或直接发往浮在水面上的基站，然后通过无线电与卫星、船舶或岸上陆基基站，最终将海底监测信息实时地传送给用户。

3.2 三维(3D)监测网络

可分为固定3D监测网络和移动3D监测网络。固定3D监测网络可由带有气囊的水下节点锚定在海底，形成固定的监测网络。利用海面浮标，将节点下降到不同的深度，也可以形成3D监测网络。移动3D监测网络可由多个AUV、水下滑翔机等单独组成网络，或与固定节点形成3D混合监测网络。

3.3 海洋立体监测网络

由水面上的无线传感器网络和水下传感器网络两部分组成，二者结合为一个统一的网络，如图1所示。水下网络部分可以是3D移动、固定或者二者混和的网络。水面网络部分利用无线电进行通信，具有传输速度快、可靠性高、耗能低、可以GPS精确定位，直接与卫星通信等优点。它还可以检测风向、波高、潮汐、水温、光照、水质污染以及负责与水下网络、陆基基站的信息传输等。

图1 海洋立体监测网络

4 水下无线传感器网络通信技术的应用实践

从现阶段的研究成果来看，水下无线传感器网络通信技术在可行性方面比较高，但需要解决的问题和挑战也不少。面对社会和行业内的强烈需求，想要在今后的工作中，将水下无线传感器网络通信技术的优势和功能充分发挥出来，必须要开展广泛的实践探究，搜集到更多的数据和信息，充分解决现阶段的各项问题，在多个方面对水下无线传感器网络通信技术内容实施健全处理，保持各项工作的稳步提升。

4.1 多输入、多输出技术

在现代化的技术研究当中，任何一项技术的应用实践，都不会从单一的方面出发，即便是在专项应用和研究方面，也会在各个方面和层次上开展大量的探讨与分析。声波通信在应用过程中，遇到了很多的干扰因素和阻碍，这些问题虽然比较严重，但并非无法解决。本文认为，在水下无线传感器网络通信技术的应用实践过程中，可以通过“多输入、多输出”的模式来完成，不仅可以在技术的应用层次上得到较好的成果，同时在很多方面对问题的解决比较理想，反复出现的概率较低。例如，采用多个发射机和多个接收机的一个无线系统称为多输入多输出（MIMO）系统[5]。它表示在一个严重的散射环境中，通路容量随min（Nt，Nr）线性地增加，这里Nt和Nr分别是发射机和接收机的数量。如此一个剧烈的容量增加，先前的功率和带宽资源不会蒙受更多的负担，但是它利用了空间维度虚拟建立并行的数据管道[6]。因而，MIMO调制是一种有前途的技术，它提供高速率水下声波通信另一种先进的机制。MIMO引入了从不同发射机来的并行数据流之间的干扰，接收机具有多通路估算，这将在训练符号上花费更多的开销。对于快变化的水下通路，为了最好的速率和性能折衷，发射机数不能太多。除了排列天线外，分布式MIMO也能聚合单发射机节点的协同工作[7]。当然，分布式MIMO需要面临大量的实际问题，如同步和协同。

4.2 多载波调制

多载波调制的原理是将可用带宽分成很多重叠的子带，从而达到在每个子带，符号波的持续时间长于通路的多径传播。因而，符号间干扰能在每个子带中抵消，极大地简化接收机通路均衡的复杂度。也正因为这个优点，多载波调制以正交频分复用的形式广泛应用于宽带无线射频领域。然而，水下通路具有很大的多普勒扩展，在OFDM子载波间引入干扰。由于缺少有效抑制多载波间干扰（ICI）的技术，早期试图在水下环境应用具有非常大的限制。近期，对水下通信的研究包括非相干基于开关键控的OFDM，低复杂度的自适应OFDM接收机和基于导频的逐块(block-by-block)接收机。遂块接收机不依赖通路，而依靠通过的OFDM块，于是，它对通过OFDM块的快速通路变化是健壮的。与单载波相位相干传输相反，OFDM具有一个很好的优点即一个信号设计能很容易扩展到不同的传输带宽，而接收机几乎不变。实验研究证明了OFDM用于水下声波通信的可行性和灵活性。

4.3 电磁波通信

对于水下无线传感器网络通信技术而言，其在应用和实践的过程中，倘若单纯的通过声波通信来完成，不可能对所有的复杂情况都能应对，势必还会出现一些比较特殊的问题，这就导致在具体的工作中，将会出现恶性循环的情况。通过对水下无线传感器网络通信技术进行深入的研究后，发现应用“电磁波通信”的方法，能够将技术优势更好地发挥出来，在很多方面都可以达到理想的成果，创造的经济价值和社会价值都比较理想。

由于海水导电的特性，使用射频无线水下通信的主要挑战是严重的衰减。因而，EMCOMM工作在功率受限的区域。超低频(ELF)无线信号已用于军事应用。在二次世界大战期间，德国潜艇首先采用无线射频电磁波通信，天线输出高达1~ 2兆瓦功率。ELF信号，典型80Hz左右，非常低的功率，今天已用于全球海军潜艇通信。水下的天线设计不同于用于大气中传统服务的天线[8]。天线不是与海水直接接触，金属的发射和接收天线被防水电绝缘材料包裹。这种方式中，一个EM信号能从发射机馈入海水，一个远距离的接收机从海水中取出[9]。

2006年，推出世界上第一个商用水下射频Modem—S1510。它的数据率100bps，通信范围几十米。2007年，推出宽带水下射频Modem—S5510。它支持1m范围，数据率1-10Mbpsa。由于EM波的传播特性，EMCOMM只是非常短距离应用的选择。例如AUV与基站间的通信，AUV在一个基站通信范围内运动，以下载数据和接收下一步的指令[10]。

5 结语

本文对水下无线传感器网络通信技术及应用实践展开讨论，尽管水下无线传感器网络还有许多问题亟待解决,但对水下无线传感器网络研究近几年得到了巨大的发展，并继续深入研究，将来水下无线传感器网络必会得到广泛的应用。从现阶段的工作来看，水下无线传感器网络通信技术获得了较高的技术指标，整体上获得的成就也比较突出。但是社会在进步，科技在发展，人类对水下作业的要求也越来越高，因此，需要对水下无线传感器网络通信技术进行更深入的研究和分析，健全技术体系并设定较多的应用方案，创造出更大的价值。

[1]郭忠文，罗汉江，洪 锋，等.水下无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展，2010（03）:377-389.

[2]刘林峰，刘 业.基于满Steiner树问题的水下无线传感器网络拓扑愈合算法研究[J].通信学报，2010（09）:30-37+45.

[3]何 明，梁文辉，陈国华，等.水下移动无线传感器网络拓扑[J].控制与决策,2013（12）:1 761-1 770.

[4]邹志强，王 悦，沙 超，等.无线传感器水下监测网络稀疏采样和近似重构[J].仪器仪表学报,2012（12）：2 728-2 734.

[5]魏 巍，陈楠楠，张晓晖，等.用于水下传感器网络的无线光通信研究概况[J].传感器世界，2011（03）:6-12.

[6]刘玉梁，潘仲明.水下无线传感器网络能量路由协议的仿真研究[J].传感技术学报,2011（06）：:905-908.

[7]罗 强，潘仲明.一种小规模水下无线传感器网络的部署算法[J].传感技术学报,2011（07）:1043-1047.

[8]毕京学,郭 英,甄 杰,等.水下无线传感器网络定位技术研究进展[J].导航定位学报,2014（01）:41-45+71.

[9]王建平,孔德川,陈 伟.一种基于多普勒效应的水下无线传感器网络时间同步机制[J].传感技术学报,2014（05）:680-686.

[10]姚 西.水下无线传感器网络定位技术综述[J].现代电子技术, 2013（07）:11-15，18.

责任编辑：吴艳玲

Research on Communication Technology and Application of Underwater Wireless Sensor Network

XU Chujie
(Jimei University Information Engineering College,Xiamen 361021）

The research and application of underwater wireless sensor network communication technology not only provide sufficient technical assistance for marine exploration work,but also have made great progress in underwater test,underwater search and so on.However,for our country’s current work,underwater wireless sensor network communication technology has a lot of research and development space.In this paper,the communication technology and application practice of underwater wireless sensor networks are discussed.

underwater;technology;communication;sensor

G

A

2016-08-29

徐初杰（1987-)，男，福建省永定县人，助理实验师，研究方向：水下通信、水下目标定位。