（通信与信息系统专业论文）带auvs水下传感器网络研究.pdf

i 摘 要 无线传感器网络在当今民用和军用中都起着重大作用，并且引起了国内外的高 度重视。随着人们对海洋的研究以及开发，水下传感器网络在海洋信息收集, 航道检 测，渔业资源调查，矿业资源勘测, 特别是国家安全等方面已经发挥着重要作用. 同 时传感器节点携带能量小，功率低，能量消耗大，生命周期短，这给研究带来巨大 挑战，但也提供了广大的研究空间。这样在寻求通信协议改进的同时也需要对通信 方式的调整，而引入 a u v s 可以节省能量的使用。 文章借鉴陆地带移动收集节点的思想，并在现有国内外研究工作基础上，较深 入地研究了带 a u v s的水下传感器网络。分析了 a u v s ，节点，a u v s之间协调工作， 采样方法，收集策略等众多组网要素；给出了用于文章仿真的包结构和信令单元； 对于 a u v s , 分析其运动速度问题，运动轨迹给出原则，a u v s 数量大小以及 a u v s 收集 策略方案；借鉴矢量传感器指向较强的基本技术，给出对于传感器硬件要求比较高 的全向采样，定向收集优化方案；考虑到网络节点密集度比较大，对同一事件均有 信息收集时，过多冗余信息所带来的网络问题，给出了概率收集模型；水下多 a u v s 进行收集时，为了协调好 a u v s 彼此的工作，避免对于“共享”节点重复收集，给出 了不同需要下的基本原则。 文章研究了较新颖的带 a u v s 的组网方案，这种组网方式可以简化网络结构，扩 大运用范围；通过优化水下传感器网络性能，经过仿真，证明优化方案能减少了节 点能量消耗，增加了网络寿命。 关键字：水下传感器网络；自主水下航行器；组网；采样方案；节能 i i a b s t r a c t with the wide application in both civilian and military domains, wireless sensor network (wsn) has been highly focused on home and abroad. the advanced research and development on underwater sensor networks (uwsn) have played a vital role in the marine information collection, channel detection, investigation of fishery resources, and exploration of mineral resources, especially the national security. therefore, the study of underwater sensor networks is a very meaningful task. as the sensor nodes contains low energy, works in low power, have large overall energy consumption and short life, which bring great challenges to the researchers, but also provide vast space to be researched on. it is essentially to improve the communication protocols at the same time to adjust the means of communication. this paper makes reference to the ideology of terrestrial sensor network, and the existing latest research work, which leads to my in- depth study of the underwater sensors with auvs. this paper focuses on the performance of the underwater network with auvs，and brings forward the adjustment to the placement of the nodes, which results in some improvement on performance of the entire networks. after simulation, it proves a good future. this paper completes the following specific tasks: abandons underwater speed of sound transmission line model, uses in shallow water with the actual linear velocity model that is used in simulation and analysis of the auvs, node, auvs coordination, sampling methods, collecting strategies. and this paper brought forward the needed package and signaling units for simulating. as for auvs, we designed the movement of speed limits and the principle of collecting the different trajectories, and the number of auvs. at the same time, it solves the share node problem caused by multi- auvs which brings multi- time collection, which avoids a repeat of the receiving unnecessary energy consumption. taking into account the intensity of the network nodes comparison, the same incidents are information- gathering, information carried by too many redundant to the network, but a higher demand on the hardware is needed. this paper also builds a i i i probabilistic model of the collection and sending data, to the performance of sensor networks which brings improvements in performance. the research of this thesis optimized the underwater sensor networks to certain extend, especially, advanced research on newly network structure, with auvs. it can expedite the underwater exploration and research。 k e y w o r d s : underwater sensor networks(usn)； autonomous underwater vehicles(auvs)；building networks； sampling schemes；energy- saving 1 1绪 论 本章首先介绍了研究背景及意义；然后概括地叙述了研究较少的水下传感器网 络特点及其技术难点，并简要介绍了本文要研究的带 a u v s 的水下传感器网络体系结 构。最后给出了本文的研究工作和研究重点，并说明了文章的组织结构。 1.1 背景与意义 2 1世纪是人类开始全面研究海洋特性并认识、开发、保护海洋的新世纪。海洋 所起的作用越来越大，运用越来越多，高精确度、实时性、时间- - - 空间连续的水下 环境监视系统在海洋信息收集、海洋运输航道的检测、海洋渔业资源的调查以及海 洋矿产资源的勘探和开发等方面都有着十分重要的作用, 这种网络可以获取几分钟 到几年的水下信息 1 - 2 。 水下传感器网络 3 （u n d e r w a t e r a c o u s t i c s e n s o r n e t w o r k s , u w s n ）已经突显 了越来越重要的作用，主要表现在各种水下工程和研究领域的运用。例如在有关海 洋学的数据收集方面，可以建立海洋信息采集网络，利用水下各种传感器节点，协 作的进行海底环境的三维信息采集；在灾难预报方面，可以监测海底异常地震火山 活动，向岸上提供海啸预报；在分布式战术监测方面，可以利用水下传感器网络， 协作的完成监视、目标识别、入侵检测等系统监控任务，扩大海防范围和能力; 在环 境监测方面，可以利用水下传感器网络进行污染监测、异常洋流动向，生物群落监 测等. 随着水下传感器网络的深入研究和广泛应用，人类将能更加深入地了解海洋、 研究海洋、开发海洋和利用海洋。 目前美国、欧洲等发达国家已经相继开展了水下传感器网络的相关研究工作和 工程。由于水声传感器网络在沿海区域的警戒、水下武器监控、战区海域封锁等军 事防御系统中有着独特的优势，因此美国 o n r 在 1 9 9 8 年启动了以水声传感器网络为 基础的海网（s e a w e b ） 4 , 5 实验与工程，用于沿海区域的军事监控和反潜作战系统， 实施命令、控制和导航功能，此项目带动了 f r o n t 6 、d a d s 7 等一系列项目的研究。 2 0 0 5年，美国国防部资助开展的近海水下持续监视网络 p l u s n e t 8 （p e r s i s t e n t l i t t o r a l u n d e r s e a s u r v e i l l a n c e n e t w o r k ）系统也是水声传感器网络的一个典型 运用系统，作为一种半自主控制的海底固定、水中机动的网络化设施，可该系统可 增强浅海环境中对安静型柴电潜艇的探测和跟踪能力。相比之下，我国对于这类高 延迟特殊网络环境下的通信网络研究才刚刚起步，特别是水下传感器网络方面未得 2 到足够的重视和开发。不过，国家在“十一五”规划信息化发展战略中时给出了环 境保护和灾害预警的信息化，同时在去年的国家自然科学基金和国家“8 6 3 ”计划中 给予了相当大的支持。目前中国科学院自动化研究所、哈尔滨工业大学、海洋大学 已逐步开展了这方面的研究工作。 近十年来，国外隐身型、安静型潜艇、各类微小型、自治型水下侦察和攻击型 机器人( a u v s : a u t o n o m o u s u n d e r w a t e r v e h i c l e s等) 、水下无人作战平台、作战蛙 人部队等技术发展很快。这些高技术新型武器装备，由于体积小、重量轻，运动噪 声低等特点，很容易突破常规、落后的水下防线而侵入到我国近岸区，实施侦察、 乃至攻击行动。布放于海底和水中的水声通信网络，由于具有隐蔽性好，灵敏度高、 分布式部署可覆盖面积大等特点，很容易捕捉到进入其监测区的小型机动目标。 美国华盛顿大学的 b r u c e m . 及其合作者曾成功建立了一个非对等结构的海底传感器 网络，用于海底 a u v s间通信，传感器网络不但可以辅助 a u v s通信，而且可以帮助 a u v s 进行探测，扩大 a u v s 的探测范围。这样，就可以通过a u v s 的帮助，来解决由 多跳引起的部分节点能量消耗过的，提前结束网络生命或者让网络不平衡等问题， 同时，a u v s可以节省传感器节点的布置数量，在布置相同数量传感器节点的同时可 以更好地优化网络性能。 同时带a u v s 的在解决水下比较敏感的问题方面有这其自身的优势。 类似的网络， 例如运用水下机器人作业，在国内外有着比较多的研究。虽然水下机器人和 a u v s 有 类似的作用，但是水下机器人主要是用来水下维修，水下打捞，水下定位等一些与 a u v s 不同目的的工作， 而 a u v s 很大程度上是用来进行数据收集或者目标跟踪等其他 的功能。虽然水下收集数据已经可以由类似功能的船只人工完成，但是，这样有着 效率低，费用高，并且隐蔽性不好，容易被发现等缺点，因此，a u v s 起了代替作用。 我国领海辽阔，海岸线纵长，在利用海洋资源和海军建设方面却还很薄弱。在水声 传感器网络应用研究方面起步更是很晚。国内外虽然已经有一些研究机构开始了水 下传感器网络方面的研究，但多处于起步阶段，特别是带 a u v s 的网络研究更是处于 基本空白，因此本文开展对带 a u v s 的水下传感器网络相关问题的研究具有重要的理 论价值和现实意义。 1.2 水声通信技术发展 水下环境和陆地环境不同，有其自己独特的特点，因此，有必要对其进行详细 地分析。同时现今技术的发展将给以后的研究奠定基础和指引方向。 3 1.2.1 水下通信特征 水下声信道是水声通信网络给出的关键问题，它与无线电信道有着许多不同的 特性，水下声波的传播速率比电磁波的速率低 5个数量级，传输时延为 0 . 6 7 s / k m 。 而且，声信道的可用带宽非常有限，并取决于发射距离和频率。多途、衰落及多普 勒频移等问题使得水下通信的误码率高、链路暂时性中断现象时有发生。这是水下 传感器网络与陆地无线传感器网络的重要区别之一。 表 1 - 1 海底传输距离与带宽的关系 9 超长距离 长距离 中距离 短距离 超短距离 k m 1 0 0 0 1 0 - 1 0 0 1 - 1 0 0 . 1 - 1 0 . 1 k h z 1 0 0 由表 1 - 1可见，水下声信道与空间无线电信道相比，载波频率低，带宽窄和多 途传播时延特别严重，多普勒频移的影响很大，传输速率低，所以在给出水下传感 器网络协议的时候，必须考虑到水声信道的具体情况，发展适合于水声组网的相关 技术。水下声通信主要受路径损失，噪声、多途、多普勒频移、传播延时长和延时 易变的影响。这些因素决定了水下声信道的时变和空变特性，使得水下声信道可用 的带宽有限，并且带宽取决于距离和频率。表 1 - 1显示了水下声链路不同距离所对 应的可用带宽。长距离系统( 距离在几十公里以上: 可能仅有几 k h z ，短距离系统( 距 离在几十米以上) 可以有大于 1 0 0 k h 的带宽，在这两种情况下，这些因素都导致水下 系统数据率偏低，在目前的设备中数据率的数量级大约为几十千比特。 下面介绍水下声信道传输特性: 1 . 路径损失 1 ) 衰减. 衰减主要是由声能转变为热能而被吸收所引起。衰减随着距离和频率的 增加而增加。衰减也是由粗糙的海面和海底引起的散射和反射、折射和色散。水深 对衰减程度起关键型性的作用。 2 ) 几何扩展. 这主要是由于波阵面的扩展引起声能的扩散。它随着传播距离而增 加，并独立于频率。有两个常见的几何扩展: 球面扩展和柱面扩展。球面扩展主要发 生在深水通信中，而柱面扩展主要发生在浅水通信中。 2 . 噪声 1 ) 人为噪声. 这主要是指一些机械噪声( 水泵、动力设备等) 和过往船只的噪声。 2 ) 环境噪声. 这主要是海水和大气中的湍流产生的噪声( 海浪拍岸噪声、雨噪声、 气泡噪声等) ，由地震、火山活动和海啸产生的噪声以及各种生物所发的声音等。 4 3 . 多途 多途引起码间干扰，从而造成严重的声信号衰弱。几何多途与链路有关。垂直 链路有很小的时间扩展，而水平链路则有非常大的多途扩展。扩展的程度与深度、 发射机和接收机之间的距离有很大关系。 4 . 延时长及延时变化 水下声信道的传播速率比无线电信道的传播速率低 5个数量级。大的传播延时 会大大地减少系统的吞吐率。延时变化大对给出有效的协议非常不利，因为这样就 使得估计往返时间非常困难，而这个时间对网络协议的给出非常重要。 5 . 多普勒频移 多普勒频移在水下声信道中非常重要，它能降低数字通信的性能，发射速率高 时能够在接收端引起相邻码的干扰。这就需要复杂的信号处理来解决这些码间干扰。 多普勒扩展引起的简单频率平移容易得到补偿，而它引起的连续频率扩展通常构成 了一个不可转换的信号，是很难补偿的。 1.2.2 国内外研究现状 水声通信网络的研究起步于 2 0 世纪 9 0 年代。从 2 1 世纪开始，水声通信网络引 起了各个国家的极大关注，美国和欧洲等相继启动了许多关于水下网络的研究计划， 投入了大量的人力、物力进行水声通信网络的技术研究。 1 . 美国 a o s n s ( a u t o n o m o u s o c e a n s a m p l i n g n e t w o r k s ) 项目是由 o n r资助的，它的目 标是开发一个以 a u v作为移动传感平台的智能水下采集网络。这个项目是把智能水 下机器人接入网络来提高我们观察和预测海洋的能力。这种网络的关键技术是开发 控制策略用来命令机器人到数据最有用的地方采集数据。这个项目的主要任务就是 预测海洋的物理特性， 如温度、 海流以及它的生物学和化学特性。 2 0 0 3 年在 m o n t e r e y b a y 进行的实地试验取得了巨大成功。在 2 0 0 6 年，在 m o n t e r e y b a y ，2 0 多所研究所 和高校在四个方面：a s a p ( a d a p t i v e s a m p l i n g a n d p r e d i c t i o n ) 、a e s o p ( a s s e s s i n g t h e e f f e c t s o f s u b m e s o s c a l e o c e a n p a r a m e t e r i z a t i o n s )、 l o c o ( l a y e r e d o r g a n i z a t i o n i n t h e c o a s t a l o c e a n ) 和 u p s ( u n d e r s e a p e r s i s t e n t s u r v e i l l a n c e ) 四个方面的研究，这次实验主要是利用 a u v s 针对海洋监测的任务而展开，并且获得 了比较好的效果。这里的 a u v s 定位是通过 g p s 进行定位 d a d s ( d e p l o y a b l e a u t o n o m o u s d i s t r i b u t e d s y s t e m ) 是由 o n r 发起的一个探测 性研究计划，由 s s c ( s p a w a r s y s t e m s s a n d i e g o ) 着手研究。此计划的目标就是开发 5 一个水声通信网络来检测和跟踪水面的行船和潜艇，并验证建立一个协作检测和数 据融合系统的可行性。在有限能源的情况下，这些目标就是使用分布式检测和数据 融合技术来延长网络寿命、减少域级的虚警概率、增加域级检测、增加正确分类概 率和增加目标位置估计的准确率。 s e a w e b源于 1 9 9 5年, 现在已经发展成了一个基于通信的非赢利性组织。s e a w e b 主要使用社会化的市场技术来进行海洋关注。通过提高公共意识，高级的基于科技 的解决方案以及移动的策略，引导健康海洋的意识。过去 1 0 年，s e a w e b 的项目都是 结合社会市场和通信，使用例如公众意识调查，媒体训练，公共教育来影响公众的 行为。2 0 0 4 年 s e a w e b 的 c a v i a r e m p t o r 项目取得了巨大成功。 f r o n t ( f r o n t r e s o l v i n g o b s e r v a t i o n a l n e t w o r k w i t h t e l e m e t r y ) 项目是由 n o p p ( t h e n a t i o n a l o c e a n o g r a p h i c p a r t n e r s h i p p r o g r a m ) 资助的涉及多学科的一 个项目。f r o n t 试验是用于估计在沿海海域进行海洋预报的可行性。这个试验是把一 组设备实时测得的数据输入一个数字海洋观测模型，来估计这个海洋模型预测的准 确性。f r o n t 的试验场地是在纽约长岛东南部。它的目标就是在这样一个动态复杂的 环境下开发并测试这个观测系统模型。这个项目的关键是要开发可实时地远程探测 海洋速度、温度和盐度结构的一种技术。f r o n t是 s e a w e b的非军事应用，它采用水 下声通信和 s e a w e b 组网方法为海洋传感器提供通信、命令和控制，以实现实时的数 据传输. 2 . 欧洲 欧共体在 m a s t ( m a r i n e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y p r o g r a m ) i i i 计划的支持下， 开展了一个系列的水声通信网络研究计划( l o t u s p r o j e c t , s w a n p r o j e c t ，r o b l i n k s p r o j e c t ) 。r o b l i n k s ( l o n g r a n g e s h a l l o w w a t e r r o b u s t a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n l i n k s ) 目标是研究浅水中长距离、高数据率的稳健通信算法。s w a n ( s h a l l o w w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ) 计划目标是研究浅水中声通信网络通信协议算 法。提高浅水的声通信网物理层的相关通信技术，建立浅水的声通信网基础模块， 即 m e m u 阵接收器。l o t u s 计划研究长距离声网络。 a c m e ( a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k f o r m o n i t o r i n g o f u n d e r w a t e r e n v i r o n m e n t i n c o a s t a l a r e a s p r o j e c t ) 是 s w a n 计划的继续， 是欧洲委员会第五 个计划框架能源、环境、可持续发展组内的一个计划。它开始于 2 0 0 1年 1 2月，终 止于 2 0 0 3 年 1 1 月。a c m e 计划的目标是开发给出一个适用于浅水通信网络的稳健通 信和网络协议算法。它的成果是一个工作的水声通信网络原型。参与者有 t n o物理 电子学实验室( 荷兰) , t h a l e s 水下系统( 法国) 、 o r c a 仪器( 法国) 、 n e w c a s t l e 大学( 英 6 国) 、t n o应用物理学院( 荷兰) 和荷兰运输、公共建筑工程、水管理部。共进行了三 次海试。 3 . 中国 我国水声通信网络的研究刚刚起步。中科院声学所、东南大学、哈尔滨工程大 学和西北工业大学，厦门大学是我国进行此项研究较早的单位 1 0 - 1 2 ，目前仍处于一些 仿真研究阶段以及较低级的实验。 1.3 水下传感器网络 较系统地总结了国内外对于水下传感器网络协议研究的基本现状，是文章完成 过程中的参考 1.3.1 协议研究现状 1 通信协议栈 水声通信网络协议栈应具有能量意识以及促进节点之间的协作等功能。协议栈 由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，另外还有一部分独立于层 次模型之外：能量管理，拓扑控制。图 1 - 1所示的水声通信网络协议栈结构是沿袭 了陆地无线传感器网络结构得来的。 物理 数据链路 路 由 传输控制 上层应用 时间同步定位 拓 扑 能 量 / 安 全 / 移 动 图 1 - 1 水声传感器网络协议栈 2 m o d e m 研究现状 作为工作在物理层的设备，在传感器网络进行通信不可或缺，特别是要提供实 时通信 1 3 ，m o d e m 的作用更加明显。在组网中，m o d e m 承担着将采样到的感兴趣的信 号转换为可以处理的信号形式。 许多商用产品 1 4 - 1 5 已经投入使用，同时有的模型已经被广泛运用 1 6 ，还有一些正 7 在研究当中 1 7 。早期的 m o d e m 对硬件 1 8 - 1 9 和 o s 要求比较高，特别是接收器和处理器。 虽然使用了模块化给出 2 0 , 2 1 ，对硬件的要求带来巨大的经济投入，因此，m o d e m 的研 究工作转向于软件 m o d e m 2 2 , 2 3 的给出和使用，并且尽量使其功率低，花费少。 m o d e m 的给出都只是局限于算法级 1 9 , 2 0 , 2 4 - 2 5 ，借用了 2 6 中的通信栈模型。 8 0年代使用非相干的 f s k调制和相干的 p s k ，这两种调制技术，使 m o d e m在两 种不同的速率进行切换；9 0年代初使用的是 q a m 2 7 。由于信道恶劣，带宽低，为了 更好地克服 i s i ，o f d m 技术 2 0 , 2 8 - 2 9 已经很好地在水下进行运用。 3 m a c 研究现状 m a c 是水声网络 3 , 1 7 , 3 0 , 3 1 未解决的问题，但是，在电磁波通信系统中，已经研究有 几十年，并且在陆地传感器网络中广受关注。 这几年，一系列的 m a c协议也在水下网络中展开研究。s e a w e b实验是最广泛而 且周期最长的水声网络部署。 由于 m o d e m 的局限性， s e a w e b 9 8 和 s e a w e b 9 9 使用 f d m a 。 由于带宽有限，并且信道的频率选择性，使得这并不理想 3 0 。最近的 s e a w e b 实验使 用的混合 t d m a - c d m a 并使用 m a c a 型 3 2 r t s / c t s / d a t a 握手协议。 虽然使用了集中的服 务框架 3 3 ，s e a w e b已经超出 m a c层，使用邻居发现进行路由选择。部署和配置网络 需要花费几天，并且覆盖范围为 1 0 0 , 0 0 0 平方米。 a c a r 和 a d a m s 3 4 描述了 a c m e n e t ，使用中央化的 t d m a 协议，并使用自适应数据 率和功率控制。s m i t h , e t a l 3 5 阐述了基于 c s m a / c a的 a d h o c网络协议，并且使用 信息优先和多包转发的提升。l a p i e r r e e t a l 3 6 给出了使用 c s m a / c d ，还未解决好在 半双工信道中如何解决冲突的问题。一般来说，基于 c s m a 的协议对于隐藏和暴露终 端问题是异常脆弱。 在多跳网络中，常出现隐藏终端的问题。m a c a 3 2 使用 r t s / c t s / d a t a 包来减少隐 藏终端所带来的问题，m a c a w 3 7 在链路层增加了 a c k ，这样可以适当减少在不可靠信 道 3 中所带来的问题。许多自使用性已经运用到 m a c a ，m a c a w ，f a m a 。m o l i n s和 s t o j a n o v i c 3 7 最近给出了时间隙 f a m a 。k e b k a l e t a l 3 8 给出了一种方法来减少基于 m a c a和 m a c a w的延迟，他们同时建议扩展 f a m a 使用 c d m a 到 r t s包中来给出冲突 避免的 f a m a 协议。 另一个比较潜在的运用t d m a - c d m a 簇到s e a w e b 中， s a l v a - g a r a u 和s t o j a n o v i c 3 8 进行了深入的研究。这一思想就是将时间隙减小，适当地增加开销。d o u k k a l i和 n u a y m i 比较了很多协议后，最终也建议采用 t d m a - c d m a 协议 3 9 。 c d m a 协议近两年受到广泛关注，并且经常使用多用户 d s s s 4 0 。每一个用户都用 有一个扩频码，而且 c d m a 没有用户限制，基于 d s s s 的 c d m a 可以在多径环境中也有 8 比较好的效果；s t o j a n o v i c和 f r e i t a g 4 1 使用四个用户阐述了 c d m a ，并且有一点每 个用户消耗的能量是一样的，如果接收到的功率不是完全一样的话，那么数据就不 能成功的被接收到，这样减少了功率计算问题，但是增加了计算复杂度 4 2 ，并且其 网络是星型结构， 发送和接收器是中心化的； m o r n s e t a l 4 3 对非中心化网络使用 c d m a 进行了研究， 并且每一个节点有其单独的时隙， 指出了 c m d a 是一种冲突避免的方法， 在以后的水下传感器网络中有良好的运用前景。 4 路由研究现状 近年来，有许多传感器网络的路由研究，这些协议不适合于解决水下通信的路 由问题。目前的路由协议大致可以分为三类：先应式路由( p r o a c t i v e ） 、反应式路由 ( r e a c t i v e ） 、基于地理位置的路由( g e o g r a p h i c a l ) . 先应式路由又称表驱动路由，比较典型的代表如 d s d v 4 4 、o l s r 4 5 等。这种路由 方案在一开始网络路由建立时，有比较大的能量开销，每次网络拓扑结构发生变化 时，或者其中的节点失效，更新的拓扑信息就要发到整个网络中去。网络中的每一 个节点都能可以到任何一个其他节点，但是并不适合运用于水下网络当中。 反应式路由，比较典型的代表如 d s r 4 6 、a o d v 4 7 等。这种协议比较适合在动态网 络中使用，但是延迟比较大，并且一开始要通过泛洪来进行网络初始化。这种协议 也不适合运用于水下。因为路由路径建立比较长，而且容易信号被放大。 基于地理位置的路由，比较典型代表如 g f g 4 8 、p t k f 4 9 等。由于其灵活性和信号 有限性，这种路由在水下有比较好的运用前景。在水下设备中( 传感器节点，a u v s ， u u v s 等) 都需要知道自己的位置。虽然 g p s 在陆地网络中运用比较好，但是，其使用 的频率根本不适合于水下运用。在水下通过声波进行定位，使 3 d结构和 2 d结构极 其类似。 文献给出了一种依赖于运行在岸台基站上网络中心管理者的路由协议，其自治 的建立水下网络拓扑，控制网络资源，建立网络数据通道。尽管被作者认为是一种 比较有前途的水声网络路由协议， 但是文章并没有对其性能进行彻底研究。 文献 5 0 给出了一种基于向量的中继路由策略（v e c t o r - b a s e d f o r w a r d i n g ，v b f ） ，其实质 是一种本地路由方案，不需要知道所有节点的状态信息，只需少量的节点参与路由 的选择过程中来。从而节省了能量开销，同时也增强了路由的健壮性，但是并没有 很好的考虑延迟的因素，不太适合大多数水下应用环境。文献 5 1 给出了一种针对 浅水环境中的建立路由方案。其路由的建立依赖于中心管理者通过“投票”消息收 集的节点邻居关系信息。然后这篇文献并没有很好的考虑路由选择的具体标准。 在不需要获得实时信息的情况下，d t n 网络概念运用到水下。由于水下环境，使 9 得水下路由协议的研究比较缓慢，比较难获得一种实时，低耗的路由协议，因此， 有必要对水下协议栈进行改进。 5 定位 上面对从硬件给出到接入层，再到网络层的研究现状进行了总结。但是, 作为 s e a w e b方案，涉及到其他问题，例如设备定位，可靠性分析，包括运用，也是水下 传感器网络不可或缺的研究问题。 水下网络设备包括浮标，普通传感器节点，移动节点( a u v s , u u v s 等) 。而且 g p s 不能用于水下网络定位，因此，水下设备精确定位成为了一个大的难点。 5 2 中给 出了网络定位不确定性的许多困难。 文 5 3 中给出了定位理论，近两年的论文中，定位方面的研究比较多，而且论 证了其实际运用的可行性。水下是一个极其巨大的空间，随着监测范围的增加，必 然定位难度也会增加。因此，文 5 2 给出了与 g p s结合使用的定位方案，而且是比 较有发展前景的一种定位方式。 以上是对水下传感器网络中近年来比较受关注的研究问题的总结。 1.4 论文的主要研究及组织结构 本论文将针对带 a u v s 水声传感器网络的组网和技术展开深入研究，文章主要研 究工作以及行文在如下： 1 . 更加深入地研究水下传感器网络的组网；将 a u v s 加入到水下传感器网络中， 通过对 a u v s有关问题较深入展开研究，并且对网络性能进行仿真；希望将 a u v s加 入到水下传感器网络后，减少传感器节点的能量消耗，延长了网络的生命周期，并 增加了网络运用范围，更好地发挥了网络效能； 2 . 考虑到水下传感器在全向发送过程中， 只有部分范围内可以与a u v s 进行通信， 而其他方向将带来很大的能量浪费，提出优化方案；节点采样中，对于相对密集的 节点布置，有相对大的节点冗余，发送数据时必将有较大的能量消耗，而且重复数 据较多，针对这一情况，给出了新的采样方案，减少了总的数据传输量，节约了能 量，增加网络生命；同时将解决 a u v s 可能带来的问题。 文章的具体组织结构与章节安排如下： 第一章：分析本文的选题背景和课题意义：概括叙述了水声传感器网络组网相 关技术，从水声数字通信技术、网络特点、通信协议三个方面描述了目前的发展近 况和代表性协议，并给出了水声传感器网络组网所面临的技术挑战，最后给出本文 的研究内容。 1 0 第二章：完成带 a u v s 水声传感器网络的组网：本章设定网络背景，相当于搭建 网络平台，为后面的仿真做准备；网络的建立过程重点是分析了加入到传感器网络 中的重要元素a u v s ，规划了运动轨迹情况，需要多 a u v s 情况时其数量，以及不同 网络密度情况下的移动策略问题；通过分析带 a u v s 水下传感器网络的挑战，提出论 文研究的侧重点。 第三章：重点解决网络中的主要问题：给出了基本的 a u v s 网络模型，分析了尽 心通信的网络要素；给出了评估网络性能中计算网络延迟和能量消耗的方法；并给 出用于仿真的基本信息单元；给出对传感器网络进行优化的几个方法，并且简单地 解决了多 a u v s 情况下带来的“共享问题” ； 第四章：对二章和第三章的分析进行仿真：得出仿真结果，说明组网的优越性， 而且说明网络优化方式的可行性从而证明本论文的意义。并对研究结果的实际运用 性进行描述。 第五章：总结全文工作，同时对本文的后续研究方向进行了讨论。 1 1 2 带 a u v s水下传感器网络 本章首先比较系统地介绍了 a u v s 水下传感器网络概念，网络基本要素以及网络 特征；然后分析了带 a u v s 水下传感器网络的一些基本研究点，并给出本章组网对应 的基本方案；最后针对带 a u v s 水下传感器网络的关键问题和技术，给出论文研究侧 重点。 2.1 带 auvs 水下传感器网络概念 水下自主航行器（ a u t o n o m o u s u n d e r w a t e r v e h i c l e s ，a u v s ) 是继水下机器人 之后，开发的另一种水下航行器。a u v s最初用于监视任务时给出的。在一定区域当 某个监视现象需要较高的采样频率时，可以自适应地增加节点的密度。当然，随着 节点密度的增加，在同一节点单位时间采样的数据必然呈增长趋势。网络复杂度在 急剧增加，a u v s可以依靠自身的智能，对复杂的传感器网络进行调度，而很少依靠 岸上控制中心的在线控制。 a u v s可以在没有缆绳、远程控制的情况下进行工作，所以，它们在海洋学、环 境监视、 水下资源开发中有着广泛的应用 5 5 。 文献 5 6 显示配备了多个传感器的 a u v s 潜艇可以到达海洋任何深度的可行性。所以，它们可以增强水声通信网络的能力。 给出 a u v s 的目标之一是使它们依靠自身的智能，而很少依靠岸上控制中心的在 线控制。太阳能系统可以增加 a u v s 的寿命，因此它就可以不必每天都进行恢复、充 电，这样就可以获得几个月的连续信息。目前有几种 a u v s已用于水下的试验平台 5 7 - 5 9 。它们有一些很像小型潜艇( 如麻省理工学院研制的 o d y s s e y - c l a s s a u v s 。还有 一些功能比较简单的，如 d r i f t e r s和 g l i d e r s是用于水下探测的海洋学仪器。 d r i f t e r s漂浮在水中，能在垂直方向上移动。它们被用于测量预置深度 6 0 。水下 g l i d e r s 是电池供电。它用水压泵来改变它的体积来产生浮力变化，从而产生向前滑 翔的动力。当它浮出水面的时候，用 g p s来确定它的位置。这个位置信息被中继到 岸基接收站，操作者通过发送控制信息和 g l i d e r s进行交互。潜入深度从 2 0 0米到 1 5 0 0米，工作持续时间从几个星期到几个月。文献 6 1 显示 g l i d e r s在分布的水下 环境中能够协作完成移动、重新设置等控制策略。文中给出的框架可以保持这些成 组的 g l i d e r s 对称性。 组内维持同一分布， g l i d e r s 可以自由的旋转并能够随波摆动。 在 2 0 0 3年 m o n t e r e y b a y试验中把文献 6 2 的理论应用于自治水下 g l i d e r s的试验 结果。 a u s i 所开发的第二代太阳能充电 a u v s 已经经过多个实验， 实验主要是模仿机器 1 2 人的行动，功能性地模拟网关，调查任务，背景导航，组网通信和能量管理。同时， 为了支持这些行为，正在开发分层协议来创造和使用这些行为。 康涅狄格大学的水下传感器实验室，所进行的研究包括有效声通信，多接入控 制，数据路由和转发，可靠的数据传输，安全和鲁棒性，数据存储和管理，定位和 同步已经数据融合，分散以及跟踪，等等。同时也进行水下传感器节点的整合，这 些节点是监听，计算，通信和机制控制为一体的，这些发展的最后目的是开发一个 可变规模的 u w s n平台，为以后 a u v s网络的发展提供建设性的研究。其最近与 u s c 和 u c l a合作的项目“海蜂: 快速部署水下传感器网络 ，与 u m a s s和 w h o i合作研究 的“发展新型的水下传感器网络结构”项目均在研中。 2.1.1 带 auvs 水下传感器网络基本要素 为了更好地对 a u v s 网络进行分析，有必要对网络中的各种因素进行简单描述： 1 . a u v s ：a u v s是传统水下传感器网络中重要的元素，而且其行为是网络中重要 的特征，由于 a u v s具有很大的自由性，可以根据 a u v s的运动来优化网络性能，同 时扩大运用范围； 2 . 普通传感器节点：负责简单的监视任务，采样数据； 3 . a u v s数目和协调工作能力：一般来说，带 a u v s水下传感器网络是多个 a u v s 运用于网络当中，a u v s功能相同，或者不同的 a u v s承当不同的角色。当然，a u v s 之间是互相协调工作，或者彼此独立工作； 4 . 普通传感器节点协调水平：普通传感器节点可以通过 a u v s 以两种基本不同方 式进行工作：1 . 每个节点彼此独立，单独承担着数据发送或者收集的任务；2 . 多个 节点成簇，并且通过网关的形式与 a u v s 进行通信； 图 2 - 1 是一个最基本的带 a u v s 的水下传感器网络模型： 1 3 o auv a b 图 2 - 1 单 a u v s 传感器网络简单模型 图 2 - 1 为 a u v s 在布置好的网络中运动，进行数据收集。分为两个不同的部分， 以 o 节点单独的网络和除 o 节点外的其它节点组成的网络。o 节点完成独立的功能， 并且认为是与其他网络断开。如果要以其他网络进行通信的话，a u v s充当着存储转 发的功能，当然，如果 o 节点只是简单地只将采样的数据发送到 a u v s ，那么 a u v s 承 担着数据收集作用。 对于另一部分网络，在初始化后，开始采样数据，将收集到的数据保存，等待 a u v s 的到达。当接收到 a u v s 到达的信息后，与 a u v s 进行协商，然后进行数据交互。 图 2 - 1 中描述了当节点 b 离 a u v s 距离较远