（计算机应用技术专业论文）水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计.pdf

l u tl li ll li iil u li iu l y 1 8 2 8 7 3 3 水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计 学位论文完成日期：塑丝：羔z 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 尘垫q 弘套主 私吞乙 土 职 东 占 咄氓姬号锨 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；翅逡直基丝霞墨挂别直明的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名冯原签字日期：捌。年如刁日 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： 瑚乐 签字日期m 7 0 年妫7 日 聊粹街落支 签字日期：纠。年，月刁日 水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计 捅要 随着低功耗无线电通信技术、嵌入式计算技术和微型传感器等技术的飞速发 展和日益成熟，大量由低成本微型传感器节点通过无线自组织方式组成的无线传 感器网络得到越来越广泛的应用。无线传感器网络是多学科交叉的前沿研究课 题，水下传感器网络同样具有极大的研究价值，在军事、工业、医疗、交通和民 用诸多方面具有广阔的应用前景，它已经应用在海洋环境信息监测、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、分布式战术监测、水雷 侦查和水下目标的探测、跟踪和定位等领域。 无线传感器网络作为一种独立出现的计算机网络，它的基本组成单位是传感 器节点。传感器节点的生产过程复杂，芯片、器件、焊接、走线中任何一项出问 题都会导致不合格节点的产生。尤其是水下传感器节点，由于其制作工艺复杂， 部署环境特殊，要求其具有更高的质量，建立测试平台进行传感器节点测试具有 重要的研究价值和实际意义。 本文研究开发了水下传感器网络节点试验室测试系统，针对水下传感器节点 的结构和特点，提出了适用水下传感器节点的测试方案，并对网络协议模块、信 号处理模块、功放模块分别进行测试，通过实际部署和组网测试验证该试验室测 试系统的有效性，论文的主要研究内容包括： 1 研究水下传感器网络节点的结构和网络协议，分析水下传感器网络节点 试验室测试系统开发的可行性及应用需求，研究水下传感器网络节点试验室测试 系统的主要功能，对水下传感器网络节点试验室测试系统进行总体设计，给出了 水下传感器网络模拟系统和p c 监视配置系统详细设计。 2 设计了网络协议模块测试方案。对网络协议模块测试分为硬件测试和网 络协议测试两部分。其中，硬件测试包括串口测试、并口测试、与p c 机连接测 试，通过串口小精灵辅助完成。开发了水下传感器网络监控平台作为网络协议测 试工具，进行网络协议测试，并通过组网测试对网络协议模块进行综合测试。 3 提出了信号处理模块测试方法，给出了信号处理模块测试软、硬件详细 设计。信号处理模块测试主要测试信号经过信号处理模块之后，信息是否正确。 在信号处理模块中信号要经过抽取特征信号、滤波、去干扰、分析、综合、变换 和运算等处理，因此，本文对于信号处理模块的域变换、滤波处理、分频处理、 数模转换等功能的测试进行了设计。 4 介绍了功放模块测试步骤，先描述了功放测试性能指标，然后进行了功 放模块测试软硬件设计。本文还详细介绍了模拟信号发生器的设计，由于在水声 环境中进行通信实验工作复杂、难度大，发生错误难以调试，采用模拟信号发生 器代替换能器产生模拟信号，以模拟水声环境，进行相应的测试工作。 5 在试验室部署测试场景，实施了水下传感器节点试验室测试系统。从测 试结果及时发现水下传感器节点存在的问题，提高水下传感器网络的可靠性，通 过实际部署和组网测试验证该测试系统的有效性。 关键词：无线传感器网络；水下节点；组网测试：测试系统 玎 s t u d ya n dd e s i g no nu n d e rw a t e rs e n s o rn e t w o r kn o d e l a b o r a t o r yt e s t i n gs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a d i o - c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e m b e d d e dc o m p u t e t e c h n o l o g y , m i c r o s e n s o rt e c h n o l o g ya n ds oo n ，l o t so fl o wc o s tm i c r o s e n s o rn o d e s m a k eu po fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) b ys e l f - o r g a n i z a t i o n ，w h i c hh a v eb e e n i m p l i c a t e dm o r ea n dm o r e w s ni sc r o s s i n gm u l t i p l es u b j e c tf r o n t i e rr e s e a r c ht o p i c s ， u n d e r w a t e rs e n s o rn e t w o r k sa l s oh a v eh u g er e s e a r c hv a l u ea n dw i d ea p p l i c a t i o n f o r e g r o u n di nm i l i t a r ya f f a i r s ，i n d u s t r y , m e d i c a lt r e a t m e n t ，t r a f f i ca n dc i v i la p p l i c a t i o n i th a sb e e ni m p l i c a t e di nt h ea r e ao fo c e a ne n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ， o c e a n p o l l u t i o nc o n t r o l l ! n g ， o c e a n c a l a m i t yd e f e n d i n g ， u n d e r w a t e ra s s i s t a n t n a v i g a t i o n a n d o r i e n t a t i o n ，o c e a nr e s o u r c ei n v e s t i g a t i o n ，d i s t r i b u t i n gt a c t i c s i n s p e c t i o n ，t o r p e d os p y i n g ，u n d e r w a t e ro b j e c td e t e c tt r a c ka n dl o c a t i o n w s ni sa ni n d e p e n d e n tc o m p u t en e t w o r k i t sb a s i cu n i ti ss e n s o rn o d e t h e p r o c e s so fs e n s o rn o d ep r o d u c t i o ni sc o m p l e x ，c h i p ，p a r t so fa na p p a r a t u s ，s e a l ，e x t e n d c o p p e rw i r ea n y o n es t e ph a sp r o b l e mw i l l l e a dd i s q u a l i f i c a t i o n n o d e e s p e c i a l l y u n d e r w a t e rs e n s o rn o d e sn e e dh i g h e rq u a l i t ya st h e i rm a k i n gp r o c e s sc o m p l e xa n d d e p l o y m e n te n v i r o n m e n tu n u s u a l i t i s n e c e s s a r yt om a k eu pt e s tb e da n dt e s t u n d e r w a t e rs e n s o rn o d e s ，w h i c hh a v eg r e a tr e s e a r c hv a l u ea n dp r a c t i c a ls e n s e t h i sp a p e rr e s e a r c ha n dd e v e l o pu n d e r w a t e rs e n s o rn o d e sl a b o r a t o r yt e s ts y s t e m w h i c hi sb a s e do nt h ef r a m ea n dc h a r a c t e r i s t i co fu n d e r w a t e rs e n s o rn o d e s ，b r i n g f o r w a r di t st e s ts c h e m e ，d e s i g nt h et e s tm e t h o do fn e t w o r kp r o t o c o lm o d u l e ，s i g n a l p r o c e s sm o d u l e ，p o w e ra m p l i f i e rm o d u l es e p a r a t e l y , a n dt e s tt h ev a l i d i t yo ft h i s s y s t e mb yp r a c t i c ed e p l o ya n dg r o u pn e t w o r kt e s t i n g t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 r e s e a r c ho ft h ec o n f i g u r a t i o na n dn e t w o r kp r o t o c o lo fu n d e r w a t e rs e n s o r n o d e s ，a n a l y s e st h ef e a s i b i l i t ya n dd e m a n do fn o d e sl a b o r a t o r yt e s ts y s t e m ，r e s e a r c h t h em a i nf u n c t i o no fi ta n di n t e g e rd e s i g ni t ，a l s og i v et h ep a r t i c u l a rd e s i g no f u n d e r w a t e rs e n s o rn e t w o r ks i m u l a t es y s t e ma n dp cs t a k e o u tc o n f i g u r es y s t e m i l l 2 d e s i g nt h et e s t s c h e m eo fn e t w o r kp r o t o c o lm o d u l e t h et e s to fn e t w o r k p r o t o c o lm o d u l eh a sh a r d w a r et e s ta n d s o f t w a r et e s t h a r d w a r et e s ti n c l u d es e r i a lp o r t t e a t ，p a r a l l e lp o r tt e s ta n dj o i n tc o m p u t et e s t ，w h i c hd ow i t ht h eh e l po fs e r i a lp o r t p i x i e e x p l o i t a t eu n d e r w a t e rs e n s o rn e t w o r k si n s p e c tb e d a st h en e t w o r kp r o t o c o lt e s t t o o lt ot e s tt h en e t w o r kp r o t o c o l ，a n dt h r o u g hg r o u pn e t w o r kt e s t i n gt ot e s tt h ew h o l e n e t w o r kp r o t o c o lm o d u l e 3 b r i n gf o r w a r dt e s tm e t h o do fs i g n a lp r o c e s sm o d u l e ，g i v et h ed e s i g no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fs i g n a lp r o c e s sm o d u l et e s t t h em a i nt e s tc o n t e n to f s i g n a lp r o c e s sm o d u l et e s ti st e s tt h ec o r r e c t n e s so fs i g n a lp a s st h es i g n a lp r o c e s s m o d u l e t h es i g n a li nt h es i g n a lp r o c e s sm o d u l eh a sb e e nd e l tw i t he x t r a c tf e a t u r e s ， f i l t e r i n g ，r e m o v i n gi n t e r f e r e n c e ，a n a l y z e ，c o l l i g a t i o n ，c o m m u t a t i o n ，o p e r a t i o na n ds o o n s ot h i sd i s c o u r s et e s t st h ed o m a i nt r a n s f o r m a t i o n ，f i l t e r i n gp r o c e s s ，f r e q u e n c y d i v i s i o np r o c e s sa n dd i g i t a la n a l o gc o n v e r s i o nf u n c t i o n so fs i g n a lp r o c e s sm o d u l e 4 i n t r o d u c ep o w e ra m p l i f i e rm o d u l et e s t f i r s td e p i c tt h ep e r f o r m a n c ei n d e xo f p o w e ra m p l i f i e ra n dt h e nd e s i g n t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fp o w e ra m p l i f i e r m o d u l et e s t t h i sd i s c o u r s ep a r t i c u l a ri n t r o d u c et h ed e s i g no fa n a l o gs i g n a l sg e n e r a t o r , b e c a u s ei t i sc o m p l e xa n dd i f f i c u l t yt od ot e s ti nu n d e r w a t e ra c o u s t i ce n v i r o n m e n t ， a n dd i f f i c u l t yt od e b u gw h e ne r r o rh a p p e n ，s ow eu s ea n a l o gs i g n a l sg e n e r a t o ri n s t e a d o ft r a n s d u c e rt o g e n e r a t ea n a l o gs i g n a l s ，a n d s i m u l a t eu n d e r w a t e ra c o u s t i c e n v i r o n m e n tt od ot e s t 5 d e p l o yt e s ts c e n ei nl a b o r a t o r y , a c t u a l i z eu n d e r w a t e rs e n s o rn o d e sl a b o r a t o r y t e s ts y s t e m d i s c o v e rt h ep r o b l e mo fs e n s o rn o d e sf r o mt e s tr e s u l t s ，i m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo fu n d e r w a t e rs e n s o rn e t w o r k ，t h r o u g hp r a c t i c ed e p l o ya n dg r o u pn e t w o r k t e s t i n gv a l i d a t et h ev a l i d i t yo f t h i ss y s t e m k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；u n d e r w a t e rs e n s o rn o d e ；n e t w o r k b u i l d i n gt e s t ；t e s t i n gs y s t e m 目录 1 绪论。1 1 1课题来源和背景1 1 2传感器网络技术综述1 1 2 1传感器节点结构与网络组成2 1 2 2水下传感器网络特点与组成结构5 1 3研究现状8 1 3 1水下传感器网络研究现状8 1 3 2节点测试技术概述1 0 1 3 3测试系统研究现状1 1 1 4本文研究内容1 2 1 5本文组织结构。1 3 2 水下传感器网络节点概述。1 4 2 1水下传感器网络节点硬件结构1 4 2 1 1 2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 2水下传感器网络节点网络协议1 8 2 2 1数据链路层19 2 2 2网络层2 2 2 2 3传输层2 5 2 3本章小结2 8 3 水下传感器网络节点试验室测试系统总体设计2 9 3 1系统开发的可行性研究及需求分析2 9 3 2网络节点试验室测试系统的总体设计3 0 3 3水下传感器网络模拟系统详细设计3 3 3 3 1p c m o d e m 详细设计。3 4 3 3 2水下传感器网络监控平台详细设计3 5 3 4p c 监视配置系统详细设计。4 4 3 4 1p c 监视配置系统功能介绍4 4 3 4 2p c 监视配置系统模块设计4 5 3 5本章小结5 0 4网络协议模块测试详细设计。5 l 4 1网络协议模块测试软硬件设计5 1 4 1 1 4 1 2 4 1 3 4 1 4 v 4 5 6 7l，l块块 模模器议理块能协处模换络号放声网信功水 1 2 4 7 i ，一c j j 5计具试试 设工测测 件试口口 硬测串并 4 2 3组网测试6 9 4 3本章小结7 0 5 信号处理模块测试详细设计。7 1 5 1传统测试方法7 1 5 2信号处理模块测试软硬件设计7 2 5 2 1硬件设计7 2 5 2 2软件设计7 3 5 3 测试内容7 4 5 3 1域变换7 4 5 3 2滤波处理7 5 5 3 3分频处理7 6 5 3 4数模模数转换7 9 5 4本章小结8 2 6 功放模块测试详细设计。8 3 6 1功放测试性能指标8 3 6 2功放模块测试软硬件设计8 5 6 2 1硬件设计8 5 6 2 2模拟信号发生器设计8 7 6 2 3软件设计9 0 6 3本章小结9 l 7 节点测试详细设计9 2 7 1硬件设计9 2 7 2软件设计9 3 7 3实验过程及结果分析9 4 7 3 1实验过程9 4 7 3 2实验结果9 5 7 4本章小结9 8 8结束语。9 9 参考文献1 0 0 致谢 1 0 7 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果1 0 8 v i 8 9 o 3 5 5 6 6 水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计 1绪论 随着信息技术应用领域的不断扩大，通过传统的单一的传感器获取信息已经 不能满足应用的需求，用户更多的是希望通过对一定区域内的各种环境变量和被 检测对象的检测来获取更详尽的信息。通过对这些信息的加工处理，提炼出对用 户有用的信息，于是提出了传感器网络的概念。无线传感器网络的应用非常广泛， 包括各种灾害处理、环境监测、医疗救助、工业自动控制和空间探测等。 随着海洋逐渐成为人类社会生存和发展的重要依托，如何开发、利用、保护 和管理水下资源，已经成为当今世界许多国家的发展战略问题，水下传感器网络 的研究与应用将弥补现有水下监测手段的不足。 传感器网络由成百上千的传感器节点组成，每个传感器节点有接收和发送装 置用于向基站发射所收集的数据。由于水下传感器网络部署之后一般很少移动， 传感器节点的质量直接决定了网络寿命。在把传感器节点部署到水下之前，需要 在试验室对其进行完备的测试，因此，对于水下传感器节点试验室测试技术的研 究具有重要的意义。 1 1 课题来源和背景 本论文课题来源为：国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ，水下传感器网络 组网协议关键技术研究( 编号：2 0 0 6 a a 0 9 2 11 3 ) 。 中国海洋大学计算机网络实验室为了研究水下无线传感器网络而设计开发 了一种新型水下传感器节点。为了保证该传感器节点的质量，本文设计了水下传 感器节点试验室测试系统，对其进行试验室测试。 1 2 传感器网络技术综述 在技术上，传感器网络是传感器技术，嵌入式计算机技术，通信技术以及分 布式信息处理技术的综合，是一个多学科交叉的领域，强大的数据处理能力使得 传感器网络的应用范围逐渐扩大、广泛。与此同时，随着军事技术及一些民生应 用技术的发展【1 1 ，以声音为媒介的水下无线传感器网络【2 1 ( u w a s n ) 越来越引 水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计 起国内外的普遍关注。 1 2 1传感器节点结构与网络组成 无线传感器网络由分布在一定范围内大量微型传感器节点组成，这些节点通 常具有感知、计算和通信能力，这些节点不仅可以探测出周围环境的变化并且能 够将这些变化数据进行处理，最后将这些处理以后的数据以无线传输的方式送到 基地台或数据收集节点。简单说，无线传感器网络是这些节点之间通过无线的方 式进行通信的自组织网络。虽说传感器网络在通信方式上与自组织网络很相近， 都采用无固定基础设施的分布式的多跳通信方式，但也有很多不同之处，主要包 括以下几点【3 1 【5 1 ： 1 在传感器网络中，通信只是辅助手段，数据才是工作中心，它的最终目 的是有效地获取信息。也正因为这样，传感器网络中的通讯方式主要采用点到多 点的广播或者多播方式，而在自组网中主要采用点到点的单播通讯方式。 2 在传感器网络中，数据不是一成不变的存储转发，传感器节点对数据进 行不断地加工处理，以此来降低数据传输量。 3 传感器网的规模较大，节点数量较多，较密集，并且节点容易发生故障， 拓扑结构复杂。 4 传感器节点的通信能力有限。传感器网的传输速率低，传输距离近，一 般只有几十到几百米。 5 电源能量有限，传感器节点一般都用电池供电，而数据信息的采集往往 要求长时间工作，节点电池不能更换，形成能源方面的矛盾。 6 数据传输方向性强。查询信息是从观察者向网络内传感器传输，而探测 的结果则是由各个节点向查询节点汇聚。 传感器节点的硬件结构通常包括五大部分：探测单元( s e n s i n gu n i t ) ，处理 器( p r o c e s s i n gu n i t ) ，时间同步单元( t i m es y n c h r o n i z a t i o n ) ，通信单元 ( c o m m u n i c a t i o nu n i t ) ，电源单元( p o w e ru n i t ) 。根据实际的应用，传感器所包 含的硬件单元可能还要多，像定位单元( 1 0 c a t i o nf i n d i n gs y s t e m ) 、移动器 ( m o b i l i z e r ) 、电力发生器( p o w e rg e n e r a t o r ) ，组成结构如下图l l 所示。 2 水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计 图1 1 传感器节点结构示意 目前比较成熟的传感器节点和操作系统有m e d u s a m k 2 t 8 】节点( u c l a 大 学) ，i n t e l m o t1 9 节点( i l l t e l 公司) ，m i c a 系列节点【6 1 ( u c b e r k e l e y 大学和c r o s b o w 公司) ，p i c o r a d i o 传感器节点p i c o n o d e r l ( u c b e r k e l e y 大学b w r c 研究中心) 等。t i n y o s 1 0 】传感器网络操作系统( u c b e r k e l e y 大学) ，m a n t i s t l l 】( c o l o r a d o 大学) 传感器网络操作系统以及s o s 1 2 1 传感器网络操作系统( u c l a 大学) 等。 根据应用的不同，传感器网络有不同的体系结构。典型的传感器网络结构由 传感器节点、数据收集器、中继网络和远程管理节点四部分组成。其中，传感器 节点负责探测感知对象，进行相关数据采集。数据收集器通过多跳路由方式将各 个节点采集的数据进行汇聚和融合，同时将远程管理节点的指令传给分布式的传 感器节点。中继网络是控制指令和探测数据在远程管理节点和数据收集器之间传 输的桥梁。远程管理节点接收到中继网络的数据，可以实现监控信息的实时发布， 供用户查询和使用。 图1 2 给出了传感器网络体系结构一般形式的描述。监测区域的信息通过部 署区域里的传感器节点沿多跳方式传输到数据收集器，由数据收集器对信息进行 分析处理发送到通信卫星或者i n t e m e t ，然后通过通信卫星或者i n t e m e t 传递到任 务管理节点，用户就可以通过任务管理节点读取所需要的信息，完成对监测区域 的监控。 水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计 八一- - i 司? e r n o t ， 7 l 任务管理节点 图1 2 传感器网络体系结构 在传感器网络中，不乏一些网络规模大、节点数量多的网络，若继续采用上 述平面管理的方法，会使网络的管理变得复杂、困难。为了方便管理和进行数据 聚合，可以把众多的传感器节点分成一个个传感器群，整个网络可以看成由多个 群组成，于是形成了分层的体系结构【1 3 】，如下图1 3 所示。 、- 群首 2 图卜3 分层的传感器网络体系结构 图1 3 中传感器节点分成了3 个群，每个群里的节点可以相互通信，构成第 一层结构，每个群有一个群首节点，群首节点之间可以相互通信，构成第二层结 构。每个群里的节点把信息发送给群首节点，群首节点用由群首节点构成的网络 把信传递出去。通过这种方式，就可以把大规模的传感器节点分成层次，便于管 理和信息的收集。 传感器网络具有广阔的应用前景，目前普遍应用在如军事国防f 17 1 l 引，环境 监测和保护1 1 9 】【捌，健康监控和医疗研究1 2 3 j 【2 4 1 ，商业领域2 5 1 【2 7 1 ，空间探索【2 s ) 等 4 领域。 1 2 2 水下传感器网络特点与组成结构 水下无线传感器网络要考虑海水盐度、洋流、压力、衰减等诸多因素。 由于与陆地环境的巨大差别，电磁波和光波在水下传输时的衰减非常大，即 使在清晰度很高的水下，能够传输的距离也非常有限，所以水声通信是到目前为 止水下传输的唯一可行的通信媒介【3 0 】。 水下无线传感器网络主要有以下特点： 1 依靠水声通信，信道带宽和数据传输速率有限。 相比电磁波在空中的传输速率，声波在水下的传输速率要小得多，因此信号 的传输时延较大，再加上多径，衰落及多普勒频移1 4 1 等问题使得水下传输的误 码率较大，水下传输所用的带宽有限。在文献【2 】中，i a ne a k y i l d i z 等人给出了水 下声音链路不同距离对应的带宽，这也说明了上述问题。所以水下传感器网络面 l 临物理层的巨大挑战。 2 节点具有移动的特点，属于自组织网络。 跟陆地上的自组网方式相同，节点也是被摆放在无基础设施的地方，并且节 点之间的相邻关系不确定，所以节点要有自组织能力，能自动进行管理，随着节 点的加入和失效，网络的自组织性要能适用拓扑结构的动态变化【1 5 】【1 6 】。 3 电池供电，能量供给受到限制。 水下传感器节点通常利用有限能量 2 9 】的电池供电，在大多数情况下节点很 难回收更换电池，这就是说节点电池要维持尽量长的时间。要做到电池的充分有 效利用，也是水下传感器网络要克服的困难。 现有的无线水下传感器网络的拓扑结构主要有二维静态水下传感器网络、三 维静态水下传感器网络和带有a u v s 的三维水下传感器网络三种。 二维水下传感器网络由水下传感器节点，岸基接收站、水面中继站组成。固 定在海底的无线传感器节点自组织成簇，负责收集水下信息，并将收集到的信息 通过无线链路传给簇首的水平收发器【4 引，簇首把得到的水下信息通过垂直收发 器传给水面中继站或者船基接收站，进一步的与岸上的接收站进行通信。图1 4 为二维水下传感器网络的参考结构。 s 点可能远离 但是消耗的 加，所以单 水面中 继站 丛 弋。习 船基接 收站 8 肖 簇首 鲨 幽 传感器 节点 图1 4 二维静态网络体系结构 在三维水下传感器网络中，传感器节点通过浮漂连接传感器节点，通过调整 两者之间的线缆的长度，使传感器节点漂浮在海水的不同深度3 2 1 ，形成三维网 络。如图1 5 所示，水下节点通过浮标漂浮在海中。这种方法虽然简单，但是这 种浮漂可能破坏海上航行，节点容易流动，并且容易暴露目标，不易应用于军事。 6 水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计 图1 5 基于水面浮标的三维水下通信网络体系结构 如果网络中的节点通过锚链被固定在海底，通过调整锚链的长度f 3 3 】，使传 感器节点漂浮在海洋的不同深度【3 2 1 ，这样能够很好的解决上述问题。如图1 - 6 所 示，水下传感器节点被锚链固定在海底，漂浮在海中，这样就不会影响过往船只， 传感器节点也不会随水漂走。 图1 6 基于锚链固定的三维水下通信网络体系结构 本文测试的传感器节点既可以利用水面浮漂部署，也可以采用锚链固定的方 式部署，来完成信息采集和传输的任务。 三维水下传感器网络体系结构，如图1 7 所示。锚定在海底的传感器节点把 采集到的信息发送到水面中继站，水面中继站再通过船基接收站或者卫星等方式 把信息传回岸基接收站。 7 水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计 1 3 研究现状 图1 7 三维静态网络体系结构 1 3 1水下传感器网络研究现状 水下无线传感器网络有着潜在的巨大的应用价值，它可被广泛应用于水下监 视，水声预警等海洋开发及军事领域。因此水下声通信引起了各国的广泛关注和 研究热潮。美国欧洲等国家相继启动了多个水下网络的研究项目【3 3 】【3 4 1 。 自1 9 9 8 年起，美国海军进行了多次广域海网( s e a w e b ) 的水声通信实验， s e a w e b 是典型的水下声通讯传感器网络，其节点数目已达到数十个1 3 4 1 3 5 1 。2 0 0 1 年6 月美国海军演示了d a d s ( d e p l o y a b l ea u t o n o m o u sd i s t r i b u t e ds y s t e m ) 应用 的舰队作战实验，d a d s 4 6 l 是o n r ( o f f i c eo f n a v a lr e s e a r c h ) 和s p a w a r ( s p a c e a n dn a v a lw 打f a r es y s t e m sc e n t e r ) 公司正在研制的未来海军防雷反潜作战项目， 其目标就是对行船和潜艇进行跟踪，s e a w e b 项目为d a d s 提供命令、控制、导 8 水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计 航和通信功能。2 0 0 4 年美国哈佛大学启动了c o d e b l u e 平台研究计划【3 6 】。 随着水下网络的不断成熟，水下传感器网络己逐渐转向海洋生物监测和海洋 环境等民用领域。前沿分析遥感观测网络( f r o n t ) 【3 9 1 是由美国国家海洋合作委员 会所支持，位于布洛克罗岛的外侧，靠近大陆架的部分，它实现了对水下环境的 实时的粗略观测。其他的一些民用应用还包括m b a r i 建立的海洋监测系统 ( m o o s ) 、海洋生化监测系统( l o b o ) 1 4 0 】- 【4 3 1 ，以及北太平洋中铺设的海洋监测系 统n e p t u n e 工程( 有缆绳) 4 4 1 。 在m a s t ( m a r i n es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r a m m e ) i i i t 4 5 1 的支持下，欧洲共 同体开展了包括l o t u s 、s w a n 、r o b l i n k s 在内的一系列水下声通信研究的 工程和计划。开始于2 0 0 1 年1 2 月的a c m e ( a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o r m o n i t o r i n go f u n d e r w a t e re n v i r o n m e n ti nc o a s t a la r e a s ) 4 7 】是其扩展项目，它的设计 目标是在浅海的通信网络中建立稳健的通信和网络协议，并建立了水下声通信原 型，进行了三次海中实验【4 8 】。 我国的水下传感器网络处于初级阶段，东南大学、哈尔滨工程大学、中国科 学院声学所、中国科学院自动化所、中国科学院沈阳自动化所是在我国进行这方 面研究的比较早的单位。 哈尔滨工程大学对数据链路层协议及路由层协议进行了深入研究，对水声通 信信道的研究、调制技术、多频编码等技术均有较深入的研究，并且已经在海洋 上和湖上进行了大量实验i 4 9 ) 1 5 0 1 。 中国科学院自动化所对水下移动传感器网络进行了较为系统的研究【5 2 】，近 期又研制开发了一种水下传感器网络节点，此节点具有低成本、低能耗、体积小 等特点。并且对基于水声的水下链路控制和路由控制也展开了初步研究，提出了 基于时分多路复用技术的自适应时间片分配的水声链路控制方法。 东南大学在水下声通信网络中的数据链路传输协议中也进行了相关的仿真 研究【5 6 】f 5 7 1 。厦门大学成立了水声通讯与海洋信息技术教育部重点试验室，设计 了基于t c m ( 1 r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 技术的水声通信系统【5 3 】。【5 5 】。西北工业大 学针对浅水信道信道衰减率高和信噪比低的特点，提出了用于长距离通信的多频 调制算法【5 8 l 。为了提高了信息传输率和信道可靠性，他们还研制了一种接收器 的设计方法【5 9 】，以解决水声信号时变、多径传播等问题。 9 节点试验室测试系统研究与设计 中国船舶重工集团和中国测绘科学研究院合作研制的“水下d g p s 高精度定 位系统”，它具有较高的水下三维定位精度，被评为中国2 0 0 4 年度中国十大科技 进展新闻，这是我国在水下定位和导航方面的重大进展。中国船舶重工集团7 1 5 所建有亚洲最大的消声水池。中国科学院声学所在水下远距离通信、水声传播理 论、水声信号处理及水声网络等方面均有深入的研究1 6 0 1 6 1 1 。 在我国，研究水下运动平台的单位也很多，如哈尔滨工程大学、北京航空航 天大学、中国科学院自动化所、中国科学院沈阳自动化所等，它们对我国水下无 线传感