水下无线传感器网络信道分析.pdf

2 0 1 0年 第 2 9卷 第 7 期 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d Mic r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 5 3 水 下无 线传 感器 网络信道 分析 韦 炜 陈名松 桂林电子科技大学 信息与通信学院 广西 桂林 5 4 1 0 0 4 摘要 由于复杂的水下环境 水下无线传感器网络以声波作为载波进行无线通信 与陆地无线通信信 道相比 水下无线传感器网络信道具有传播时延长 通信带宽有限和误比特率高等特点 对影响这 3个特 点的重要因素进行分析 并用 Ma t l a b进行仿真 通过分析和仿真 得出了误比特率与传输距离之间的关 系 便于更好地设计和应用水下无线传感器网络 关键词 水下 传感器 网络 信道 中图分类号 T N 9 1 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 9 7 8 7 2 0 1 0 0 7 0 0 5 3 0 3 An a l y s is o f c ha nn e l f o r un de r wa t e r wir e l e s s s e n s o r n e t wo r k s W EI W e i CHEN Min g s o n g S c h o o l o f I n f o r ma t io n C o mmu n ic a t i o n Gu i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y Gu il in 5 4 1 0 0 4 C h in a Ab s t r a c t UW S Ns a r e b a s e d O il a c o u s t ic w a v e w ir e l e s s c o mmu n ic a t io n t e c h n o l o g y b e c a u s e o f t h e c o mp l e x un de r wa t e r e nv ir o n me nt Co mpa r e d wit h t e r r e s t r ia l wir e l es s c o mmu nic a t io n c ha nn e l s t h e UW SNs c h a nn e l s h a v e u n iq u e c h a r a c t e ri s t ic s s u c h a s l o n g p r o p a g a t io n d e l a y l imit e d c o mmu n ic a t io n b a n d wid t h a n d h ig h e r r o r b it r a t e s T h r e e imp o r t a n t f a c t o r s w h ic h a f f e c t t h e c h a r a c t e r is t ic s o f t h e c h a n n e l a r e a n a l y z e d a n d s imu l a t e d b y Ma t l a b in o r d er t o r e a l iz e b e t t e r d e s ig n a n d a p pl ic a t io n o f UW S Ns By a na l y s is a n d s imu l a t io n r e l a t io n s hip b e t we e n e r r o r b it r a t e a n d t r a n s mit t in g r a n g e is d e r iv e d Ke y wo r d s u n d e rw a t e r s e n s o r n e t w o r k s c h a n n e l 0引 言 水下无线传感器网络是传统的陆地无线传感器网络在 水下的衍生 具有水下资源勘探和科学数据采集等广泛的 应用前景 主要包括 海 洋样 本采集 网络 水 下环境 的污 染监控 水下资源勘探 自然灾害的预防 辅助导航以及矿 藏勘测 此外 对于促进 国防建设也具有重要意义 由于 其广泛的应用前景 使得水下无线传感器网络逐渐成为无 线传感器网络研究的热点领域 1 水下无线信道 水下环境不同于传统的陆地无线环境 在水下环境 中 不适合使用无线 电波和光波作为载波 首先 研究表 明 J 无线电波在海水中存在很大的衰减 只有 3 0 3 0 0H z 极低频率的无线电波能用于远距离传输 此频段则要求通 信设备具有大型的收发天线和很高的发射功率 另一方面 光波虽然不会像无线电波那样受到很大的衰减 但是会受 到散射的影响 实验证明 在洁净的水 中 光波的最大 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 2 基金项 目 广西信息与通讯技术重点实验室基金资助项 目 1 0 9 1 2 传输范围是 8 m 而在能见度为 1 4m的混浊水中 最大传 输范围为 1 m 且传输光信号还需要高精度的窄带激光束 相比较之下 声波在水下传播的特性最好 也是唯一能在水 中进行长距离传输的能量形式 所以 水下无线传感器网 络是以声波作为载波的无线通信网络 2 水下无线传 感器 网络信道特点 2 1 长传播 时延 水下声信道与陆地无线电信道最大的不同在于其较长 的传播时延 其传播时延的大小取决于水下声速 水下无 线信道中 平均声速约为 1 5 0 0 m s 使得信号传输产生较大 的传输时延 约为0 6 7 s k m 这很大程度地降低水下传感 器网络吞吐量 海水中的声速 c 受到温度 盐度和深度的 综合影响 其影响可由经验公式计算 另外 海水中的 声速 C 分布是多变的 根据时间 地 区 季节以及气象条件 的不同也会发生变化 对于水下无线传感器网络通信协议 设计 水下声速是一个重要考虑因素 传 感 器 与 微 系 统 第 2 9卷 2 2 有限的通信 带宽 水下声信道的带宽依赖于传输范围和频率 由于声波 的传播损失 儿 随着频率的升高与距离的增大而增加 使得 水声信道可使用的带宽非常有限 传播损失主要是由衰减 损失与扩展损失所引起的损失 2 2 1 衰减损失 衰减损失是包括吸收 散射和声能泄漏出声道的效应 其中 吸收损失包含着声能转变为热能的过程 所以 它真 正地代表了声能量在水介质传播中的损失 海水对声波的 吸收与声波频率有很大关系 用吸收系数 和声波频率 厂 之问的函数关系式表示 j 2 2 2 扩展损失 扩展损失是表示当声信号从声源向外扩展时有规律减 弱 的几何效应 又称几何 损失 它随距 离 的变 化是 按距离 的对数关系变化 与频率变化无关 通常有球面扩展和柱 面扩展2种 前者用于表征深水通信 而后者用于表征浅水 通信 2 2 3 海洋声信道的传播损失 海洋中的声信道可分为混合层声信道 深海声信道和 浅海声信道 这些声信道会阻止声波传输至信道外 分别 有各 自的传播损失 2 3 高误 比特率 水下声信道的信号传输质量直接关系到水下传感器节 点的信号接收 信道质量不仅会受到信号能量损失的影 响 而且还会受到多径 噪声及多普勒扩展等因素影响 这 些因素造成水下无线传感器网络具有较高的误比特率 2 3 1 多径传播 在声波传输过程中 许多因素都会使得从发送节点发 出的声信号经过不止一条的路径到达接收节点 即多径传 播 在水下无线传感器网络中 多经传播引起的码间串扰 I s I 造成较高的误比特率 它是影响网络性能的关键因素 之一 同时也限制了节点传输速率的提高 2 3 2 噪声 水下环境中的噪声是引起水下无线传感器信道干扰的 主要因素 直接影响到传感器节点对声信号的检测以及发 送功率的设定 水下噪声复杂多变 与传感器节点的水下 位置 传输频率和气象条件等有关 这些因素都使得噪声具 有时一 空变化的特性 噪声干扰声信号的传输 使得信号发 生误码 限制了信息传输速率 2 3 3 多普勒扩展 由多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散称为多 普勒扩展 又称为时间选择性衰落 发送节点与接收节点 的运动是产生多普勒频移的主要原因 水下声信道与陆地 无线信道相比 其多普勒频移现象明显 极易造成接收节点 处码间串扰 而造成较高的误比特率 所以 必须在码元之 间设置一定的码元间隔 这也限制了发送节点的信息发送 速率 从而降低网络性能 3 仿真 3 1 水下 声速 由前 2 1节可知 水下传播时延的大小依赖与水下的 声速 声速越快 时延越短 反之 时延越长 水下声速 c 与温度 盐度 S 深度 D有关 仿真中 盐度 S取海洋平均 含盐度 0 3 5 不同温度和深度条件下的水下声速值仿 真如图1所示 l 7 0 0 1 6 50 1 6 0 0 1 5 50 忆 1 5 0 0 I 4 50 l 4 00 图 1 含盐度 0 3 5 不同温度和深度时声速 c的仿真 F ig 1 Simu l a t io n o f s o u n d s p e e d c a t g iv e n s a l in it y t e mp e r a t u r e a nd d e p t h 从图 1 仿真结果可得出 海水中的声速在温度和海水 深度产生的压力控制下 温度越低 声速越慢 深度越深 海 水压力越大 声速越快 3 2 误 比特率 仿真中 传感器节点处于深海信道区域 采用 B P S K调 制和同步检测解调 工作频率 厂 分别为 l 5 2 0 2 5 3 0 k H z 发 射功率 为 l 4 8 1 6 w 收发节点之间距离 r 为 0 5 1 O 3 5 1 0 m 并假设信道为瑞利衰落信道 参考经典 的被动声纳方程 S NR S L T L一舭 DT 1 式中S L为声源级 为距离发送节点 l m处的声强级 T L 是传播损失 为声波从发送节点到接收节点的单程传播损 失 N L为环境噪声谱级 D T为接收节点 的最低接收信噪 比 仿真中 DT取3 d B 1 计算声源级 s L 将发送节点当作一个无指向性的发射器 则采用如下 公式 I 式中P 为节点最大发射功率 w r 为计量点到发送节点 处的等效中心距离 m l r 为距发送节点 r 处的声强值 w n l 距离发送节点 1 m处的声强级 即r 1 可得 P r 1 2 按照声学中常用声强定义 s L还可表示为 S L 1 0 1 o s 3 第 7期 韦炜 等 水下无线传感器网络信道分析 5 5 式中 n 为参考声强 0 6 7 x l 0 w c m 由式 2 和 3 可得 出 1 0 p s 1 0 o g o l o g 4 2 计算传播损失 孔 深海信道下的传播损失公式 为 化 1 0 1 o g r 1 0 1 0 g r a r 1 0 一 5 式中过渡距离 r 8 D z D 为声道轴与信道 上边界的距离 m 为发送节点与信道上边界距离 i l l r 为声线的最大跨距 m r 可由下式求出 r 2 D D 2 c A c 式中D 为声道轴与信道下边界的距离 m c 为信道中 最大声速 m s A c 为信道中最大声速与最小声速的差值 m s 设 D 7 0 0 m 3 0 0 i n D 2 3 0 0 i n c l 4 9 8 m s Ac 3 0m s 目前 大多数的水下无线传感器网络实验系统所使用 的声载波都较低 取 l 40 0 0 f 2 2 7 5 1 0 一 o 0 3 并代人式 5 可得 T L 1 0 1 g r l o l 0 o 1 1 4 o 0 o f 2 7 5 1 0 一 厂 o 0 3 r 1 0 6 传播损失仿真如图2所示 图 2 传输损 失 传感器 节点 间距离和工作 频率的关系 F ig 2 Re l a tio n s hip o f t r a n s mis s io n l o ss d is t an c e a n d f r e q u e n c y 由仿真结果可得出 随着传感器节点载波工作频率的 升高 传输损失随着逐渐增大 随着传感器节点之间距离的 增加 传输损失也随着逐渐增大 3 计算环境噪声谱 级 N L 海洋环境噪声仿真模型可以使用 4个噪声源 湍 流 船舶噪声 海浪及热噪声 以下是上述 4种环境噪声源 的噪声谱级 d B f k H z 1 Hz r e I x P a l o g 1 7 0 0 l o 厂 l o g 4 0 2 0 0 0 5 2 6 1 o g f 6 0 1 o g 0 0 3 l 0 g N w 5 0 7 5 w 2 0 1 o g f一 4 O 1 o g O 4 l o g N h 1 5 2 0 1 o g f 7 其中 为船舶活动因子 根据活动频繁程度由低到高 地在 0 1之间取值 W为风速 m s 为频率 k H z 仿真 中 取 s 0 4 W 1 0 可得出总噪声谱级为 N L 1 0 1 o g t N N N N 8 4 计算 B E R 将式 4 式 6 式 8 代人式 1 即可求 出信噪 比 S N R 在瑞利衰落信道下 采用 B P S K调制和同步检测解 调 误比特率 B E R约为 脚一 9 仿真中选取部分水下无线传感器网络使用的发射功率 和声载波工作频率 如图 3 图4仿真结果所示 水下无线传 感器网络误比特率较高 约为 l 0 数量级 随着距离的增 大 误比特率逐渐增加 声载波传输到一定范围后 误 比特 率急剧增至 1 使得接收节点无法正常接收 此外 增加发 射功率或者提高工作频率都能在一定程度上减小误比特率 和增大声载波的传输范围 另一方面 较低的工作频率虽然 能增大信号的传输距离 却限制了传感器网络可使用的带 宽 因此 考虑工作频率时 需要选取一个平衡传输距离和 带宽的折中值 褂 鼗 丑 图 3 工作频率 1 5 k I I z 不同发射功率条件下 传感器 节点 问的距离与误 比特率 的关 系 F ig 3 Re l a t io n s hip o f dis tan c e a n d BER a t diffe re n t t r a n s mi t p o w e r wh e n 1 5 k Hz 褂 羞 图 4 发射功率 2 W 不同工 作频率条件下 传 感器 节点间的距离与误比特率的关 系 Fig 4 Re l a t io n s h ip o f d is ta n c e a n d BER a t d iffe re n t wo r k ing f r e q ue n c y wh e n Pr 2 W 4 结论 水下无线传感器网络是以声载波为基础的通信网络 由于会受到路径损耗 噪声 多径 多普勒扩散 以及较长且 变化的水下声速等因素影响 其信道具有传播时延长 通信 带宽有限和误比特率高等特点 分析这些因素对水下传感 下转第5 9页 曼 鞲簿 第 7期 邢冰冰 等 表面等离子体传感器的仿真 5 9 P D MS聚合物棱镜 S P R曲线形状随介质折射率没有太大 变化 只是介质折射率增加时 其对应的 S P R角也相应增 加 憩 嚣 波长 n m 图 6 不同环境介质 S P R曲线 波长调 制 Fig 6 Th e SP R c ur v e s o f diffe r e n t e n vir o n m e n t a l me dia w a v e l e n g t h mo d u l a t io n 褂 摇 入 射 角 n 图 7 不 同环境介质 S P R 曲线 角度调制 Fig 7 Th e S PR c u r v e s o f d iffe r e nt e nv ir o n m e ntal me d ia a n g l e mo d u l a t i o n 3结论 利用 M a t l a b软件 在合理的参数下 对 3种不同调制 方式仿真可以得到在实际使用 S P R测试时 要综合考虑耦 合棱镜折射率 金属膜种类和厚度 测试介质折射率及调制 方式 测试介质折射率增加时 对同一个波长 其对应的谐 振角会增大 反射光的相位在共振角附近陡变 检测分辨率 p p 上接 第 5 5页 p p 器网络的影响 参考经典的声纳方程计算误比特率 并通过 在不同工作频率和发射功率等系统参数下仿真 得到系统 误比特率与传输距离之间的关系 这对于水下传感器节点 的硬件制作和通信协议的设计具有重要的意义 参考文献 1 A k y ild i z l F D a r io P o m p i l i T o m ma s o Me l o d i a 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 R e s e a r c h c h a l l e n g e s J A d H o c N e t w o r k s E l s e v i e r 2 0 0 5 3 3 2 5 7 2 7 9 2 A k y il d i z I F P o mp i l i D Me l o d i a T S t a t e o f t h e a r t i n p r o t o c o l r e s e a r c h f o r u n d e rwa 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 C WU WN e t 2 0 0 6 Proc e e d in g s o f t h e F ir s t ACM I n t e r n a t io n a l W o r k s h o p O il Un d e r w a t e r Ne t wo r k s Ne w Yo r k As s o c ia t io n f o r C o mp u t in g Ma c h in e r y 2 0 0 6 7 1 6 3 Va s i l e s c u I K o t a y K R u s D e t a 1 D a t a c o l l e c t i o n s t o r a g e a n d r e t r ie v a l w i t h a n u n d e rwa t e r s e n s o r n e t w o r k c P r o c e e d i n g s o f t h e 3 r d I n t e r n a t io n a l C o n f e r e n c e o n Emb e d d e d Ne t wo r k e d S e n s o r S y s t e ms Ne w Yo r k ACM 2 0 0 5 1 54 1 6 5 最高 在给定的条件下 耦合棱镜的折射率与测试介质折 射率之间差值是影响 S P R谐振角的主要因素 参考文献 1 S c o t t P K C h e n g Q R e c e n t a d v a n c e s i n s u rf a c e p l a s m o n r e s o n a n c e b a s e d t e c h n i q u e s fo r b io a n a l y s i s J A n a l B i o a n a l C h e m 2 0 0 7 3 8 7 1 8 3 1 1 8 4 0 2 Ho a X D K i r k A G T a b r i z i a n M T o w a r d s i n t e g r a t e d a n d s e n s i t iv e s u r f a c e p l a s mo n r e s o n a n c e b io s e n s o r s A r e v ie w o f rec e n t p r o g r e s s J B i o s e n s o r s a n d B i o e l e e t ron i e s 2 0 0 7 2 3 1 5 1 1 6 0 3 Ho mo l a J P r e s e n t a n d f u t u re o f s u rf a c e p l a s mo n r e s o n a n c e b i o s e n s o r s J A n a l B i o a n a l C h e m 2 0 0 3 3 7 7 5 2 8 5 3 9 4 H o m o l a J S in c l a i r S Y G a u g l i t z G S u rf a c e p l a s m o n r e s o n a n c e s e n s o rs r e v i e w J S e n s o rs a n d A c t u a t o rs B 1 9 9 9 5 4 3 1 5 5 K u rih a r a K S u z u k i K T h e o r e t i c a l u n d e rst a n d i n g o f a n a b s o r p t io n b a s e d s u rf a c e p l a s mo n r e s o n a n c e s e n s o r b a s e d o n K r e t s c h m a n n st h e o r y J A n a 1 C h e m 2 0 0 2 7 4 6 9 6 6 7 1 6 Ha r i h a r a n P Op t i c a l I n t e r f e rom e t r y M S e c o n d E d it i o n A c a d e mic Pr e s s is a n imp ri n t o f El s e v ie r 2 0 0 3 1 5 3 4 7 J G e n g Z h a o x i n J i X u L o u X i a e t a 1 A s u rf a c e p l a s mo n res o n a n c e s e n s o r c h ip in t e gra t in g p r is m a r r a y b a s e d o n p o l y me r mi c r o f a b r i c a t i o n C 9 t h I n t e rn a t i o n a l C o n f e r e n c e o n S o l i d S t a t e a n d I n t c g r a t e d Cir c u it Te c h n o l o g y I C S I C T2 0 0 8 2 0 0 8 2 0 2 3 8 G e n g Z h a o x i n L i Q i n g Wa n g We i e t a1 T h e o r e t i c a l