（计算机应用技术专业论文）基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究.pdf

删i f l i i r ! f l i l l l f , l f fflllffflf!lffll肼,il p i h , , l l , p l l t fi i f + | l lr l | | y 18 2 8 7 7 0 基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究 学位论文完成日期：2 q q 竺生! q 旦! 鱼 ! 指导教师签字 答辩委员会成员签字 箍碑 垒翌盟 独创声明 小人，u 昕r t - 交的学f t 论文足小人 j ：吁帅撕吁h 且i 川，j | l = 亢i ：作，乏j 仅芒“内 j j | 了c f ，k 粜荆，5 之所知，除丫文。 i 特别j j l j 以h ：汴f 晒i 卫c | ：的地，j 。外，论文t ，小包含其 他人l 纶发表或撰写过的硼7 f 成泶，也小包含术捩僻 f 沱：如没自f = 他需要特别声f p j 的，本栏町窄) 或。f 0 他敦厶讥构的学位或址书使 用过的材料。- j 我一i 叫工作的州志对本研究所做的仟f l l j 负献均已存论文中作了明 确的说l p j 并衷示谢意。 学位论文作者签名：铷、移哟签：笋h 期：p 叩年f 工月加同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：铜、玖蟛 翩稼勃患支 签字f j 州j ：m 年f1 月阳目签字h 驯：九：叩年f1 月即r j 基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究 摘要 水下无线传感器网络的节能问题一直是近年来大家研究的热点，涌现出了不 少与数据处理相关的组网协议技术和研究成果。目前，水下无线传感器网络主要 利用水声进行通信，网络节点依靠声波来传递信息，水声换能器成为必不可少的 部件。由于柱形换能器可以做成水平无指向性、垂直指向性可控的宽带换能器， 是声纳系统中仅次于纵向换能器的一种类型，因此更适合在浅海中使用。 本文研究一种适用于柱形换能器的无线传感器网络组网协议，建立网络理论 分析模型，提出适用于水下无线传感器网络的数据传输控制方法，并针对给出的 网络部署模型对其m a c 层协议进行研究，提出新的路由传输机制和节点定位方 法，通过仿真验证其有效性。论文的主要研究内容包括： l 、抽象基于换能器的水下节点，建立水下节点的通讯模型，定义节点的部 署概率和换能器概率，给出两节点间连通概率的计算公式，并通过仿真研究换能 器基本参数与节点连通概率之间的关系，从而得出换能器发射角是影响换能器概 率的主要因素。本文提出了适用于水下稀疏部署的固定部署模型，对于给定区域， 给出节点部署密度与节点通讯概率之间的关系；对于水下节点的随机稠密部署， 给出了节点部署密度与节点通讯概率之间的关系。 2 、在结合第一部分给出的连通概率的基础上，针对水下网络特点，提出适 应此网络模型的m a c 协议算法。第一种方法是根据节点连通概率确定节点之间发 包重传次数，在此基础上采用r t s c t s 机制进行通信建立；第二种方法是进一步 考虑降低节点能量消耗，确定合理的休眠机制，最后通过仿真验证了算法的有效 性。 3 、针对本文提出的固定部署和随机部署，分别给出了基于固定部署和随机 部署的路由转发协议。对于固定部署，基于最短路径的原则，建立从源节点到目 的节点多条路径来实现能量的平衡。为了提高路由算法的自适应性，当路径上有 节点损坏时，通过寻找损坏节点附近的新的节点来替代损坏节点以保持路径的有 效性，从而提高了路由的可靠性和网络的吞吐量，并通过仿真验证了其有效性。 对于随机部署，考虑节点间的连通概率、节点的剩余能量以及与目标节点之间的 距离等因素，给出了转发节点的选择依据，从而减少节点的盲目转发，同时每个 节点通过维护转发节点排除表来减少选择邻居节点时的计算量，通过仿真显示该 协议可以使得网络能量平稳下降，有效的延长网络的生命周期。 4 、定位部分利用了声波幅度的有关特性和第一部分连通概率与距离的关系， 分别提出了一种测距方法，并应用到定位方法中。第一种方法是利用了声波在水 下传播时幅度衰减和距离的关系，进而推导出一个有关距离和幅度的公式，然后 利用三边定位的方法进行定位；第二种方法使用移动节点依据了节点的连通概率 来推算出两节点之间的距离，定位时也采用三边定位的方法确定未知节点位置， 最后通过实验和仿真验证了这些定位方法的适用性。 关键词：水下传感器网络：柱形换能器；组网协议；网络连通性；连通概率 r e s e a r c ho fn e t w o r k i n gp r o t o c o l sw i t hc y l i n d r i c a lt r a n s d u c e r i nu n d e r w a t e rs e n s o rn e t w o r k s a b s t r a c t e n e r g ys a v i n gi so n e o ft h eh o t t e s tr e s e a r c ht o p i c si nr e c e n ty e a r sf o ru n d e r w a t e r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k st h e r eh a sb e e nal o to fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dr e s e a r c h r e s u l t sr e l i e dt od a t ap r o c e s s i n g n o w ，t h es o u n di st h em a i nc o m m u n i c a t i o nm e d i u m i n t h eu n d e r w a t e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( u w s n ) ，s ot h eu n d e r w a t e ra c o u s t i c t r a n s d u c e ri sar e q u i s i t ec o m p o n e n ti nt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cs y s t e m t h ec y l i n d e r t r a n s d u c e rc a nb eu n l i m i t e d h o r i z o na n dc o n t r o l l e d - v e r t i c a l ，s oi ti st h eo n ew h i c hi s s e c o n dt ot h ev e r t i c a lt r a n s d u c e ri nt h es o n a rs y s t e m ，w h i c hi sm o r ew i d e l yu s e di nt h e s h a l l o ws e a i nt h i sp a p e r ，w ep r e s e n to n en e t w o r kp r o t o c o lw h i c hc a nb eu s e di nt h eu w s n w i t ht h ec y l i n d e rt r a n s d u c e r ，b u i l dt h en e t w o r ka n a l y s i sm o d e l ，b r i n gf o r w a r dt h e c o n t r o lm e t h o du s e di nt h eu w s n sd a t at r a n s m i s s i o n ，p r o p o s et h em a c p r o t o c o lo f t h eg i v e nn e t w o r km o d e la n dp u tf o r w a r dt h en e wr o u t et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n d n o d e o r i e n t a t i o nm e t h o d ，a tl a s tw et e s tt h ev a l i d i t y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： 1 w eb u i l dt h ec o m m u n i c a t i o nm o d e l 诵t hc y h n d e rt r a n s d u c e rn o d e s ，d e f i n et h e d e p l o y m e n tp r o b a b i l i t ya n dt h et r a n s d u c e rp r o b a b i l i t y , d e d u c et h ef o r m u l aw h i c h c a l c u l a t e st h ec o n n e c t i o np r o b a b i l i t yb e t w e e nt h en o d e s ，a n dv i at h er e l a t i o nb e t w e e n t h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h et r a n s d u c e ra n dt h en o d ec o n n e c t i o np r o b a b i l i t y , t h e nw e c o n c l u d et h a tt h el a u n c ha n g l eo ft h et r a n s d u c e ri st h em a i nf a c t o rw h i c ha f f e c t st h e t r a n s d u c e rp r o b a b i l i t y i nt h i sp a p e r , w eb r i n gf o r w a r daf i x e d s p a r s ed e p l o y m e n t m o d e lu s e di nu n d e r w a t e rw s n f o rt h eg i v e na r e a , w ec a nm a k et h ec u r v eo ft h e r e l a t i o nb e t w e e nt h en o d e sd e p l o y m e n td e n s i t ya n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o b a b i l i t y t h r o u g ht h es i m u l a t i o n f o rt h er a n d o md e n s eu n d e r w a t e rn o d e sd e p l o y m e n t ，w ec a n m a k et h ec u r v et o o 2 b a s e do nt h ec o n n e c t i o np r o b a b i l i t ym e n t i o n e da b o v ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eu w s n ，w eb r i n gf o r w a r dt h em a cp r o t o c o la l g o r i t h m sw h i c hm a t c h et h e n e t w o r km o d e l t h ef i r s ta l g o r i t h mi n t r o d u c e st h ec o n n e c t i o np r o b a b i l i t yi n t ot h e r t s c t sm e c h a n i s mt ob u i l dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h en o d e s ；t h es e c o n do n eu s e s t h es l e e p w a k em e c h a n i s mt oc u td o w nt h ee n e r g y - c o s t ，a tl a s tw et e s tt h e mt h r o u g h t h es i m u l a t i o n 3 w er e s p e c t i v e l yp r o p o s et h er o u t ep r o t o c o l sf o rt h ef i x e d d e p l o y m e n ta n d r a n d o m - d e p l o y m e n ts i t u a t i o n a sf o rt h ef i x e d d e p l o y m e n t ，w eu s et h es h o r t e s t - r o u t e r o l ea n db u i l dm u l t i p l ep a t h sf r o mt h es o u r c en o d et ot h ed e s t i n a t i o nn o d ef o rt h e b a l a n c eo fe n e r g y t oi m p r o v et h e s e l f - a d a p t a b i l i t yo ft h e r o u t ea l g o r i t h m ，w e s u b s t i t u t et h eb a d n o d ew i t ht h en e wo n en e a r b yw h e nt h en o d ei sd e s t r o y e da n di tc a l l k e e pt h ev a l i d i t yo ft h er o u t e ，i m p r o v et h ed e p e n d a b i l i t yo ft h er o u t e ，i n c r e a s et h e t h r o u g h p u to ft h en e t w o r k a sf o rt h er a n d o m d e p l o y m e n t ，w eg i v et h ec h o o s i n g p r i n c i p l eo ft h et r a n s m i t t i n gn o d et oa v o i dt h eb l i n d - t r a n s i t i o nb yt h ew a yo fe a c h n o d em a i n t a i n i n gt h et a b l eo ft h ee x c l u d e dt r a n s m i t t i n g n o d ea n dc u t t i n gd o w nt h e c a l c u l a t e da m o u n tw h e ni tc h o o s e st h en e i g h b o rn o d e s t h i n k i n g o ft h en o d e c o n n e c t i o np r o b a b i l i t y , t h er e m a i n i n ge n e r g y ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nn o d e sa n ds oo n a tl a s tw es h o wt h a tt h i sp r o t o c o lc a nl o w e rt h en e t w o r ke n e r g ys t e a d i l yt h e nl e n g t h e n t h en e t w o r kl i f e t i m et h r o u g ht h es i m u l a t i o n 4 i nt h i sp a r to ft h eo r i e n t a t i o n ，v i at h e c h a r a c t e r i s t i co ft h es o u n dw a v e a m p l i t u d ea n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o n n e c t i o np r o b a b i l i t ya n dt h ed i s t a n c e ，w e r e s p e c t i v e l yb r i n gf o r w a r dap o s i t i o n s e t t i n gm e t h o d t h ef i r s to n e u s e st h er e l a t i o n b e t w e e nt h er a n g e d e c a ya n dd i s t a n c e ，t h e nb r i n gf o r w a r dt h ef o r m u l at oc a l c u l a t e t h ed i s t a n c e a tl a s tw el o c a t et h eu n k n o w nn o d ew i t ht r i l a t e r a lp o s i t i o nm e t h o d t h e s e c o n do n ei st h a tw eu s em o b i l en o d ea n dt h en o d ec o n n e c t i o np r o b a b i l i t yt o c a l c u l a t et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w on o d e s ，w es t i l lu s et r i l a t e r a lp o s i t i o nm e t h o dt o l o c a t et h eu n k n o w nn o d e sp o s i t i o n w et e s ta n dc o n f i r mt h e mt h r o u g ht h es i m u l a t i o n i n t h ee n d k e yw o r d s ：u n d e r w a t e rs e n s o rn e t w o r k ：c y lin d ric ait r a n s d u c e r ：n e t w o r kin g p r o t o c o is ：n e t w o r kc o n n e c ti v i t y ：c o n n e c t i o np r o b a b iii t y 目录 1 引言1 1 1 无线传感器网络概述1 1 1 1 陆地无线传感器网络1 1 1 2 水下无线传感器网络4 l1 3 柱形换能器及通信特点7 1 2 国内外现状9 1 3 本文主要研究内容1 3 2 连通性与部署分析1 4 2 1 概述1 4 2 2 模型假设1 6 2 2 1 问题描述1 6 2 2 2 节点运行模型1 7 2 2 3 换能器通讯模型1 8 2 3 网络的连通性分析2 l 2 3 1 节点的数学描述2 1 2 3 2 两节点的连通性分析2 2 2 3 3 两节点的连通性实例分析2 4 2 4 二维部署分析2 7 2 4 1 平面确定性部署2 8 2 4 2 平面确定性部署仿真分析3 0 2 4 3 平面随机部署3 3 2 4 4 平面随机部署仿真分析3 5 2 5 三维空间部署分析3 8 2 5 1 空间确定性部署3 8 2 5 2 空间确定性部署仿真分析 4 1 2 5 3 空间随机部署。4 4 2 5 4 空间随机部署仿真分析4 5 2 6 本章小结4 8 3m a c 协议5 0 3 1 目前水下传感器网络m a c 协议及存在问题5 0 3 1 1 概述5 0 3 1 2 水下无线传感器网络m a c 的挑战5 1 3 1 3 水下无线传感器网络的m a c 协议设计时需注意的要点5 5 3 1 4 几种典型m a c 协议分析5 6 3 2 一种基于连通概率的水下传感器网络m a c 协议6 2 3 2 1 水下无线传感器网络模型6 2 3 2 2 协议介绍“ 3 2 3 仿真6 6 3 3 一种基于休眠的水下传感器网络m a c 协议7 5 3 3 1 协议介绍7 5 3 3 2 仿真7 6 3 4 本章小结7 7 4 路由分析7 8 4 1 概j 苤7 8 4 2 相关研究8 0 4 2 1 基于位置的路由8 0 4 2 2 能量有效的路由8 l 4 3 固定部署的路由分析。8 l 4 3 1 固定部署模型的路由建立8 2 4 3 2 基于能量均衡的自适应算法8 6 4 3 3 仿真。8 8 4 4 随机部署的路由分析9 l 4 4 1 基于连通概率的能量有效的转发算法。9 l 4 4 2 仿真9 4 4 5 本章小结：9 5 1 1 5 1 2 1 6 6 7 8 9 o 1 3 6 6 9 o 0 l l 2 3 4 9 9 9 9 9 o o 0 0 0 o 1 1 1 1 l 1 1 1 l l 1 1 1 l l l l 1 l 1 基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究 1 引言 随着人类社会及经济的发展，海洋将成为人类社会生存和发展的重要依托。 如何开发、利用、保护和管理海洋，已成为当今世界许多国家的发展战略问题， 研究海洋具有重要意义。海洋中除蕴藏着丰富的资源外，海洋和大气的相互作用 导致全球气候变化，将直接影响农业生产和生物、生态变化。深入研究各种海洋 灾害产生的机理和变化规律对于防灾减灾具有重要作用。海洋科学研究对提高海 军作战能力，保障海上安全和权益具有重要作用。 海洋观测是海洋科学研究的重要途径，在过去几十年里，海洋观测技术取得 了重大进展，但是无法解决海洋观测的实时性要求。传统的海洋信息获取、整理 与共享方式，已和目前的海洋研究、开发和利用的强烈需求不相适应。海洋环境 尤其是海洋动力环境，对海洋安全、军事活动、海洋工程、海上作业、减灾防灾 等具有直接影响和决定作用。传感器网络的研究与应用在一定程度上将弥补现有 监测手段的不足，特别是在构建海洋环境立体监测系统中，可提供高密集度实 时的水面、水下具有自组织和相互协作的节点，并快速组成网络。因此，开展无 线传感器网络，特别是水下传感器网络研究和应用意义重大。 1 1 无线传感器网络概述 传感器网络技术作为信息采集的关键技术，已经引起了学术界和工业界的广 泛关注。陆地无线传感器网络从上世纪末起成为学术界研究的热点问题，已经获 得了很多重要研究成果，并且应用到如环境监控、建筑监控和战场监控等多种场 景中n 1 。 无线传感器网络主要包括了陆地无线传感器网络、水下传感器网络和水面传 感器网络等领域。 1 1 1 陆地无线传感器网络 无线传感器网络最早的应用来自军事领域，1 9 7 8 年卡内基梅隆大学在美国 国防高级研究项目署的资助下，成立了分布式传感器网络工作组( d i s t r i b u t e d 基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究 s e n s o rn e t sw o r k s h o p ) 乜1 。这个工作组专门研究无线传感器网络为基础的军事 监视系统。由于当时技术条件的限制，它的研究和应用的范围十分有限。 进入n - ：十一世纪后，随着大规模的提高技术水平，目前对无线传感器网络 的开发与研究己成为当前信息领域的一个研究热点，有越来越多的研究机构和公 司也逐渐加入到这方面的研究工作中来，如美国加州大学洛杉矾分校的w n i s 网 络和美国加州大学伯克利分校的p i c o r a d i o 项目等。 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 的定义为由一组传感器 以a dh o c 方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的 地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者口1 。 从上述定义可以看出，传感器、感知对象和观察者是无线传感器网络的三个 基本要素。无线传感器网络需要传感器之间、传感器与观察者之间通信，在传感 器与观察者之间建立通信路径。协作的感知、采集、处理、发布信息是无线传感 器网络的基本功能，一组功能有限的传感器节点协作地完成大的感知任务是无线 传感器网络的重要特点。无线传感器网络中的部分或全部节点可以移动，它的拓 扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化，节点间以a dh o c 方式进行通信， 每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复 连接的能力h ，。 如图1 1 所示拍1 ，传感器由传感器单元、处理器、存储器、通信单元和电源 等几部分构成。传感器节点也可以根据不同的应用而添加其他一些单元，如定位 系统、能量产生单元和移动部件。 传感器单元处理单元 图1 1 传感器节点体系结构示意图 传感器单元用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。 处理器负责协调节点各部分的工作，如对传感器单元获取的信息进行必要的 处理、保存，控制电源的工作模式等。 基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究 通信单元负责与其他传感器或观察者的通信。电源为传感器提供正常工作所 必需的能源。 图1 2 给出了一个典型的无线传感器网络的结构。这个网络由传感器节点、 汇聚节点、互联网或通信卫星、任务管理节点等部分构成拍1 。传感器节点散布在 指定的传感器区域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳 路由方式把数 据传送到汇聚节点，汇聚节点也可以采用同样的方式将信息发送给各个节点，最 后通过互联网或通信卫星实现任务管理节点与传感器之间的通信。 图1 2 传感器网络体系结构示意图 随着传感器尺寸的不断缩小以及价格的不断降低，可以通过增加传感器数量 来提高网络的可靠性。而且传感器趋向于通过无线网络通信，而无线网络的带宽 远远小于有线网络。这些特点给无线传感器网络设计带来了新的课题：首先，集 成数据量大大增加；其次，无线通信带宽减少；第三，单个传感器单元的能耗必 须大大降低；第四，环境更加恶劣，导致网络连接不可靠，也增加了输入数据的 错误率。 无线传感器网络除了具有无线网络的移动性、断接性还具有很多其他鲜明的 特点口儿町。 ( 1 ) 电源能量是网络寿命的关键 网络节点由电池来供电，电池的容量一般不会很大。无线传感器网络通常运 行在人无法接近的恶劣甚至危险的环境中，不能经常给电池充电或更换电池。一 旦电池能量用完，这个节点也就失效。因此，电源效率是设计考虑的关键因素。 ( 2 ) 网络动态性强 3 基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究 无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动，也许一个节点会因 为电池能量耗尽或其他故障而退出网络运行，也许一个节点会由于工作的需要而 被添加到网络中。这些使网络的拓扑结构随时会发生变化，具有很强的动态性。 因此，无线传感器网络必须具有可重构和自调整性。 ( 3 ) 通信半径小，带宽很低 无线传感器网络设计的通信覆盖范围只有几十米，是利用“多跳 来实现低 功耗下的数据传输。由于传感器的通信带宽窄而且经常变化，所以无线传感器网 络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据。 ( 4 ) 传感器节点体积小，成本低，计算能力有限 无线传感器网络是在m e m s 技术、数字电路技术基础上发展起来的，传感器 节点各部分集成度相当高。嵌入式处理器和存储器都具有计算能力，能完成一些 信息处理工作。但是，嵌入式处理器的处理能力、存储器的容量和计算能力都有 限。从应用角度讲，减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素。大量的传感器节点 组成无线传感器网络，网络的总体成本直接受单个节点的成本影响，如果总体成 本比使用传统传感器的成本高，就会影响无线传感器网络的竞争力。 ( 5 ) 传感器节点数量大、易失效，具有自适应性 根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个甚至更多。无线传感 器网络可以分布在很广泛的地理区域，经常有己有节点失效或新节点加入，网络 的拓扑结构变化很快。这导致无线传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错 性。 ( 6 ) 感知数据流巨大 无线传感器网络中的每个节点通常都产生较大的流式数据，并具有较强实时 性。而传感器节点的计算资源很有限，难以处理巨大的实时数据流。因此需要研 究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方式。 1 1 2 水下无线传感器网络 水下传感器网络同样具有广泛的应用前景：如民用方面，可用于海洋环境信 息监测、海洋污染监控、海洋灾难预防、水下辅助导航定位、海洋资源勘测；以 及军事方面，可用于分布式战术监测、水雷侦查和水下目标的探测、跟踪和定位 基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究 等等心1 。 水下传感器网络结构根据按传感器节点是否移动可分为静态网络、动态网络 和动静态混合网络。根据其监测的空间区域不同分为二维监测网络和三维立体监 测网络两种。 ( 1 ) 水下二维( 2 d ) 监测网络。主要用于海底环境监测，在二维监测网络 模型中，传感器节点被锚定在海底，节点可以分成多个簇，每个簇的簇首节点负 责管理簇中节点成员。可以通过a u v 定时收集监测信息，也可以把采集信息先发 往浮在水面的基站，水面的基站再通过无线电与卫星、船舶或岸上陆基基站，最 终将海底监测信息实时地传送到用户手中n 5 1 。 ( 2 ) 三维( 3 d ) 监测网络：水下传感器网络在更多的场合被用于监测三维 立体空间，可以分为固定3 d 监测网络和移动3 d 监测网络。固定3 d 监测网络可 以通过锚固定带有气囊的水下节点，形成固定的监测网络。移动3 d 监测网络可 以由水下滑翔机、多个a u v 等单独组成网络。另外，通过控制信号沉入预定深度 的海水中，利用可在水中自由漂浮的水下传感器节点，也能形成移动3 d 监测网 络1 6 1 。 与陆地无线传感器网络相比，水下传感器网络使用声波通信，水是传输介质， 水下传感器网络具有许多独特的特点： ( 1 ) 多径干扰现象严重 声波在水中传播时，由于受到海底、海面及分层介质的影响，会产生折射和 反射，声波沿着声源出发，会通过多条路径到达接收节点。声波在水中的传播速 度较低( 约为1 5 0 0 r e s ) ，造成到达接节点的延迟时间会相差很大一般可以达到 l o m s 左右，甚至可能达到5 0 m s 一6 0 m s n 。这些不同时间延迟的信号在接收节点 进行叠加，使收到的声波信号畸变，导致信号解调困难。 ( 2 ) 水声信道可用带宽低，水声信号传播损失大 声波在水下传播的能量损失包括：扩散损失、吸收损失、反射损失及散射损 失等，其主要损失为扩散损失和吸收损失。扩散损失大小与传播距离的平方成正 比。吸收损失大小与声波的频率成正比，因此，频率越高，相对传输距离越短， 相反，频率越低，传输距离越远。这限制了在水下通信的频率选择范围1 。如想 达到1 0 0k h z 以上的通信带宽，通信距离必须小于l o o m 坦射。因此，水声信道 基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究 可用带宽相对于无线信道要窄很多。 ( 3 ) 传输延迟大且时延动态变化 由于声波在水下的传播速度慢，与无线电波的传播速度相比，大约少5 个数 量级。此外，声波在水下的传播速度随海水的深度、温度和盐度的不同而发生变 化。温度升高，声速加大；深度及盐度的增大也会引起声波传播速度的增加。声 速在水下随不同环境参数发生变化的特性，带来了传输延迟的动态变化，使得网 络协议的设计更加困难。 ( 4 ) 传输误码率高 因为水下背景噪声、水团流动、内波、水声信道的多径干扰、传输延迟动态 变化以及节点的移动造成的多普勒频移的影响，水声信道具有高度动态特征，导 致水声通信的不稳定。由于海水的动态性和腐蚀性，传感器节点在水下环境中容 易被损坏，使得水下信道传输误码率高、稳定性差。 ( 5 ) 水下节点的成本高、维护困难 与陆地无线传感器网络节点相比，由于水下节点需考虑密封、防腐、耐压等 问题，制作工艺相对复杂。在维护过程中需动用船只运输工具，通常需要运行较 长的距离，维护成本较高。同时由于海面辽阔、覆盖面积达等特点，决定了水下 传感器网络具有稀疏部署的特点。 总之，水声信道在时间、空间、频率上都有扩散，是高度时变的系统，比空 气中的无线电信道复杂得多。此外，水下传感器网络结点区别于陆地无线传感器 结点的另一不同之处为造价难以降低。其主要问题为水下传感器结点必须携带声 通讯装置。同时，由于水声信道的低带宽和不稳定性，使得结点必须具备一定容 量的存储能力。并且，结点除需通过封装具备防水能力外，还需具备一定表面除 污和抗腐蚀的能力才能保证结点能够在水下环境中正常工作m 1 。关于结点的另外 一个关键问题是水下结点更换电池代价高，而且不能使用太阳能电池。 综上所述，使用水声信道进行通讯的水下传感器网络必须解决的问题主要包 括： 水下传感器网络的媒体接入协议不能继续采用无线传感器网络的载波监听 冲突检测协议。 水下传感器网络由于水下环境( 温度、盐度、水流等) 变化引起的水声传输 6 基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究 特性变化，造成点到点及端到端的数据通信不稳定的特殊要求，为了提供端到端 的高可靠性和流量控制以及网络中的拥塞控制，必须重新设计与链路层相集成的 传输层协议。 水下传感器网络由于水声通讯的不稳定性和结点受限移动性导致其拓扑关 系不稳定，因此无线传感器网络的大多数定位和路由方案的研究成果不能直接应 用到水下传感器网络。 水下传感器网络结点的价格高以及水下可受限移动的特点，必须研究如何在 稀疏网络的条件实现水下传感器网络全连通或全覆盖的应用要求。 水面无线传感器网络具有结点造价低、无线通讯带宽大、能量消耗低以及能 量可通过太阳能电池补充的良好特点。如何构建水下声学传感器网络和水面无线 传感器网络的混合网络，引出了关于混合网络的新研究问题，主要包括混合网络 的构建、部署和混合路由方案等。 1 1 3 柱形换能器及通信特点 “水声换能器”是用来在水中进行声电或电声转换的器件。“发射换能器” 用来将电信号转换成声信号向水中发射：“接收换能器”将接收到的水声信号 转换成电信号。这种转换通常是利用某些材料的压电效应、磁致伸缩和电致伸缩 特性来实现的。通过施加某频率的交变电场或磁场就能引起换能器材料在相同频 率下的机械振动，与水接触的换能器把类似的振动传送给水而引起声波向外发 射。当振动声压引起材料的机械运动，材料又产生个电压，通过电压的变化可 识别声波频率的变化n 钔。 电机械换能器按能量转换的机理来分，主要有下列5 种伽1 。 ( 1 ) 动换能器：利用在恒磁场中运动导体的电磁感应原理而制成的换能器。 ( 2 ) 电磁换能器：主要由固定于磁路中的导线