水下无线传感网络(WSN)国内外研究进展综述

水下无线传感网络 水下无线传感网络 WSN 国内外研究进展综述 国内外研究进展综述 一一 研究背景与意义研究背景与意义 21 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 海洋经济占各国经济的比重越来越高 水下无线传感器网络已经成为各国重点 研究的方向 水下无线传感器网络已经广泛的应用在灾难预警 污染物监控 水文数据的监测和采集 海洋资源勘探 辅助导航和海洋军事等众多领域 无 线传感器网络集成了传感器 微机电系统和网络三大技术 是一种全新的信息 获取和处理技术 二二 无线传感网络的简介无线传感网络的简介 1 无线传感器网络构成 无线传感器网络 Wireless Sensor Network 简称 WSN 被认为是 21 世纪最重 要的技术之一 它将会对人类未来的生活方式产生巨大影响 麻省理工学院的 技术评论 杂志 Technology Review 评出了对人类未来生活产生深远影响的十 大新 兴技术 无线传感器网络位于这十种新技术之首 无线传感器网络是由随机分布的集成有传感器 数据处理单元和通信模块 的 微小节点通过自组织的方式构成 借助于节点中内置的各种传感器测量所在周 边 环境中的热 红外 声纳 雷达和地震波信号 从而探测包括温度 湿度 噪 声 光强度 压力 土壤成分 移动物的大小 速度和方向等众多我们感兴趣 的信 息 2 无线传感器网络的节点 无线传感器网络典型的体系结构下图所示 节点具有传感 信号处理和无 线通信功能 它们既是信息包的发起者 也是信息包的转发者 通过网络自组 织和多跳路由 将数据向网关发送 网关可以使用多种方式与外部网络通信 如 Internet 卫星或移动通信网络等 大规模的应用可能使用多个网关 节点由 于受到体积 价格和电源供给等因素的限制 通信距离较短 只能与自身通信 范围内的邻居交换数据 要访问通信范围以外的节点 必须使用多跳路由 为 了保证网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路 节点的分布要相当的密 集 传感器网络节点具有以下几个典型组件 无线电收发装置 带有内部天线 或外部天线连接装置 微型控制器 传感器 数据采集接口 存储器 水声 通信器 以及电源 通常为电池或嵌入式能量收集装置 等 三 水下无线传感网络通信的局限性三 水下无线传感网络通信的局限性 水下传感器网络与陆地无线传感器网络有很大不同 其中最为重要的在于通 信方式的不同 虽然都属于无线通信 但陆地无线传感器网络使用无线电实现通 信 水下无线传感器网络使用水声通信 尽管无线信道相对于有线信道在通信速 率 信道质量上都相差很多 由于海洋表面和海底的反射 以及由温度和盐度 差异在海水中形成的虚拟分层具有不同的反射和折射特性 导致了声波传播的 多径效应 因此 水下通信链路质量差 误码率高 声波在水中的传播速度较 慢 比空气中的无线电波传播速度要低五个数量级 大致在 1500m s 这样会 因为节点自身的移动性而导致更加严重的定位误差 潮汐 水流 海面风浪等 甚至雷雨 船舶经过都会带来环境噪声 相对来说深海的噪声比较稳定 而在 浅海特别是近海 海湾和港口 随时间和地点的不同 环境噪声会有显著的变 化 带来不对称的信噪比 影响节点的定位精度 无线传感器网络节点具有能 量有限 通信能力有限 计算 存储能力有限 部署随机等特点 水下无线传感 器网络还面临更多的困难 在水下无线电和光都无法传输 因此节点通过声波 进行通信 四四 传统的水下传感器的使用传统的水下传感器的使用 在工业领域 已经有许多利用水下传感器收集水质 水温等数据的应用 传统的做法是部署一批水下传感器 通过传感器收集需要的数据 经过一段时 间后 人工回收这些传感器 然后读取出传感器收集到的数据 再对数据进行 分析 处理和利用 效率及其低下 不具有实时性 检测的范围狭窄 五五 较为先进的水下无线传感网络较为先进的水下无线传感网络 1 现代水下无线传感网络优势与挑战 现代水下无线传感网络优势与挑战 水下无线传感器网络具有显著优势 首先 水下无线传感器网络节点可以 实时采集数据 然后通过网络即时将数据传输到汇聚节点 数据的即时性使得 灾难监测等应用成为可能 其次 由于数据被即时传输至汇聚节点进行分析处 理 传感器节点无需长时间存储保留这些数据 从而解放了节点的存储空间 另外 还省去了人工回收传感器的工作 所以水下无线传感器网络具有相当大 的技术优势 发展前景广阔 水下环境复杂 通信条件非常恶劣 第一 水下信道具有高时延 时延动态变化 高衰减 高误码率 多径效 应 多普勒频散严重 高度动态变化以及低带宽等特点 被认为是迄今难度最 大的无线通信信道 第二 水下节点和网络具有移动性特点 第三 水下节点 使用电池供电 更换电池更为困难 另外 节点发送信息耗能比接收信息往往 大很多倍 第四 由于水下节点价格昂贵 水下网络具有稀疏性的特点 水下传 感器网络的这些特点 使得陆地无线传感器网络协议不能直接应用于水下 必 须研究适应水下网络特点的新协议 因此 水下无线传感器网络设计时必须应对通信高延时 高丢包率等难题 同时 由于水流等因素的影响 节点的位置往往不固定 这使得通信 定位 拓扑等技术在水下无线传感器网络中变得更具挑战 2 现代水下传感器网络体系结构 现代水下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 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 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 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下图所示 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讯 具有传输 速度快 可靠性高 耗能低 可以 GPS 精确定位 直接与卫星通讯等优点 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 海洋立体检测网络 六 水下无线传感网络研究的关键六 水下无线传感网络研究的关键 网络协议 各国不同时期研究现状 网络协议 各国不同时期研究现状 由于水下传感器网络的这些特点 使得陆地无线传感器网络协议不能直接 应用于水下 必须研究适应水下网络特点的新协议 水下传感器网络协议栈按 照与无线传感器网络相似的分法 可分为物理层 数据链路层 网络层 传输 层和应用层 1 物理层物理层 主要解决数字化调制与解调的问题 将采样到的感兴趣的信号转换为可以 处理的信号形式 由于水下信道具有高度动态时变特性 物理层必须能够自适应 水下环境的变化 物理层采用的技术主要有非相干调制技术 相干调制技术 正交频分复用和多输入多输出技术等 非相干调制技术 如频移键控 FSK 技术 通过监测不同频率的能量确定 接收信号 不需要追踪信道的变化 相干调制技术需要接收机估计发射机的载波频率和相位进行解调处理 主 要有相移键控 PSK 差分相移键控 DPSK 和正交幅度调制 QAM 相干 调制去除了保护时间 提高了数据传输率 但需要针对水下信道的高度动态性 进行复杂的信道自适应均衡补偿 为了实现水下高速率通信 近几年开始对正交频分复用和多输入多输出技 术进行研究 正交频分复用扩频技术是一种多载波调制技术 数据流被分配到 多个载波频率上并行发射 降低了每个载波的传输率 减少了码间干扰 提高 了总数据传输率 对多径干扰也有很好的抑制作用 多输入多输出技术是一种在 接收端和发送端 使用多个接收天线和发射天线的调制技术 它利用空间复用 增益和空间分集增益 大大提高了数据传输率 80 年代使用非相干的 FSK 调制和相干的 PSK 这两种调制技术 使 MODEM 在两种不同的速率进行切换 90 年代初使用的是 QAM 由于信道恶 劣 带宽低 为了更好地克服 ISI OFDM 技术已经很好地在水下进行运用 水 声调制解调器早先的产品 比如美国 LinkQuest 公司的 UWM 系列产品 体积 大 耗能高 价格昂贵 主要用于点对点的远距离数据传输 随着水下传感器网 络研究的兴起 许多厂商开始研制生产水下网络节点 如澳大利亚 DspComm 公司 最新的 AquaNetwork 系列产品以及英国 Tritech 公司的 Micron Data Modem 已经具有初步的组网功能 Tritech 公司新推出一款体积很小 误码率和耗电量 都很低的微型调制解调器 它的通信距离为 1000m 数据传输速率为 40bps 另外 研究人员也对具有超低耗能 唤醒机制的水下节点进行了研究 2 数据链路层 数据链路层 数据链路层主要解决媒体接入控制问题 即 MAC Medium Access Control 协 议 水下高时延 时延的动态变化 低带宽以及低能耗的要求 对水下 MAC 协 议的研究带来了挑战 水下 MAC 协议一般可分为基于竞争类和基于固定分配类 两种 基于竞争的 MAC 协议 通过节点间的竞争获取信道的使用权 对网络自适 应性好 典型协议有 ALOHA CSMA MACA 和 FAMA 等 基于固定分配的 MAC 协议 把共享信道分配给节点单独使用 避免了冲突 造成的能耗 提高了信道利用率 但固定分配不适于网络拓扑频繁变化的水下 移动网络 固定分配 MAC 协议主要有频分多址接入 FDMA 时分多址接入 TDMA 码分多址接入 CDMA 三种方式 美国海网 Seaweb 早期使用 FDMA 但由于水下传输信道带宽低以及信号衰 减与频率成正比的原因 FDMA 不太适合水下传感器网络 Seaweb 实验是最广 泛而且周期最长的水声网络部署 由于 MODEM 的局限性 Seaweb98 和 Seaweb99 使用 FDMA 由于带宽有限 并且信道的频率选择性 使得这并不 理想 最近的 Seaweb 实验使用的混合 TDMA CDMA 并使用 MACA 型 RTS CTS DATA 握手协议 虽然使用了集中的服务框架 Seaweb 已经超出 MAC 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 100 000 平方米 我不懂海网这个协议 资料来自水下无线传感器我不懂海网这个协议 资料来自水下无线传感器 网络的研究进展 中国海洋大学 网络的研究进展 中国海洋大学 3 网络层 网络层 网络层主要解决路由问题 即在数据源节点和目的节点间建立一条数据传 输路径 水下传感器网络的三维移动性和稀疏网的特点是水下路由需要考虑的 问题 水下路由协议一般可分为主动路由协议 按需路由协议和地理路由协议 三种 主动路由协议 由基站周期性广播路由信息包建立路由 它实现简单 可 以有效避免信道拥塞 保证传输质量 但对网络规模适应性差 节点频繁移动 也会导致路由维护开销大 比如 利用浮在海面的基站对固定于水下的 2D 节 点进行集中式主动路由 按需路由 根据需要临时建立路由 因此更适合大规模水下移动网络 有 别的文献提出一种基于 AODV 的按需路由协议 还有的文献提出一种适用于水面 存在多个漂浮基站的 随海流漂移的 3D 网络路由协议 地理路由 利用节点的地理信息实现路由 它的路由效率较高 代价小 但需要知道节点的位置信息 有的文献提出由事件监测源点和浮在海面的基站 构成 路由矢量的地理路由 VBF 其路由以路由矢量为中心形成圆柱形的路由通道 对 VBF 做改进 采用局部路由矢量代替全局路由矢量 以适应于稀疏网络 有 的文献提出一种基于位置信息的 AUV 移动网络的路由协议 它使用 TDMA 帧估 计距离形成整个网络的位置拓扑 最近有的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 感觉 是一种比较不错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 4 传输层 传输层 传输层负责数据的可靠性传输 包括差错控制 流量和拥塞控制等 水下信 道的不可靠性 高时延等特点 对数据的可靠性传输带来了挑战 有的文献提 出将自动重传 ARQ 和前向纠错 FEC 结合起来考虑 以减少重传包的个数 利 用网络编码结合多路径传输增加数据传输可靠性 5 仿真平台的研究 仿真平台的研究 水下传感器网络研究离不开实验验证 但由于水下实验费用大 尤其出海 实验费用高 仿真实验成为验证 评价水下传感器网络协议性能的重要手段 目前的无线传感器网络仿真软件主要有 NS2 OPNET OMNet 等 其中 NS2 和 OMNet 是开源软件 这些软件的无线网络模块丰富 但水下传感器网 络刚刚兴起 水下信道模型 物理层模型严重缺乏 制约着这些软件在水下网 络方面的仿真能力 六六 水下无线传感网络节点定位难题水下无线传感网络节点定位难题 1 节点定位 节点定位 水下节点可以在海床上固定部署 但节点移动部署可以扩大监测区域 利用 洋流或海流 可以实现节点的移动 水下传感器网络节点定位是传感器网络的支撑技术之一 水下许多应用需 要位置信息 比如海洋环境监测信息 基于地理路由协议和目标闯入监测与追 踪等 水下传感器网络定位具有如下特点 水下不能直接使用 GPS 水下信道 带宽低 通信开销大的协议 不适用于水下 节点随海流的移动等 传感器网络中每个节点在某个空间坐标系中确定自身空间位置的过程称为 节点定位 获得节点位置最简便的方法是使用全球定位系统 GPS 来实现 但根 据无线传感器网络的特点可知 给每个传感器节点配备 GPS 接收器或事先为每 个节点指定位置信息是不现实的 因此只能为小部分节点装配定位装置或事先 给这些节点指定坐标 这些通过某种手段知道自身位置的少数节点称为信标节 点 信标节点通过向其他节点广播自身的位置信息 为其它节点确定位置提供 信息 在传感器网络中除了知道自身位置信息的信标节点外就是待定位节点 待定位节点通过信标节点提供的信息和某种算法计算出自身的位置 提高待定 位节点的定位精度是节点定位的一个重要目标 2 节点定位的研究意义 节点定位的研究意义 对于大多数应用 不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的 传感器 节点必须明确自身位置才能详细说明 在什么位置或区域发生了特定事件 实 现 对外部目标的定位和追踪 另一方面 了解传感器节点位置信息还可以提高路 由效率 为网络提供命名空间 向部署者报告网络的覆盖质量 实现网络的负 载均衡以及网络拓扑的自配置 而人工部署和为所有网络节点安装 GPS 接收器 都会受到成本 功耗 扩展性等问题的限制 甚至在某些场合可能根本无法实 现 因此必须采用一定的机制与算法实现 WSN 的自身定位 3 节点定位近期所使用的方法 节点定位近期所使用的方法 水下定位技术可以分为基于测距的定位和基于非测距的定位两种 基于测 距的定位先进行两点测距 然后利用三边 三角等几何特性定位节点 具体测 距方法有 RSSI TOA TDOA 和 AOA 等 RSSI 随水下信道变化具有很高的时变性 因此依赖 RSSI 测距会造成定位的不准确 TOA 需要精确的时间同步 但在水下 复杂的信道很难做到这一点 有的文献提出一种不需要时间同步的被动定位算法 但需要四个大功率的 锚节点 有的文献利用 AUV 周期性地发送位置信标定位节点 有的文献提出利用节点的移动模型降低节点定位频度的算法 有的文献提出利用投影把三维定位降为二维定位的稀疏网络定位算法 基 于非测距定位主要有交叠区域定位 多跳距离定位等 非测距定位方法简单 不依赖额外的设备 但 测量误差较大 适合对定位精度要求不高的场合 有的文献通过改变锚节点的发射功率 将大的区域分割成许多小区域实现 节点区域定位 有的文献通过将二维区域定位算法扩展到三维水下区域定位 有的文献提出利用水声换能器的方向角进行水下定位的算法 UDB 它通过 节点听到的第一个和最后一个信标确定节点的位置 有的文献提出利用移动信 标节点进行定位 适用于三维稀疏网络的定位算法 LDB 七 带七 带 AUVS 水下传感器网络水下传感器网络 水下节点可以在海床上固定部署 但节点移动部署可以扩大监测区域 利 用洋流或海流 可以实现节点的移动 自主水下航行器 autonomous underwater vehicle AUV 是一个无人操控而 在水下自主航行的机器 AUV 属于 无人水下航行器 unmanned underwater vehicles UUVs 范畴 除了 AUV UUVs 还包括了非自动的远程操作水下航行 器 remotely operated underwater vehicles ROVs AUV 关键在于 自主 一旦投入水中开始工作 AUV 的活动决策将完全自主完成 无需人工操作 限 于技术发展水平 近年来 AUV 仅被用于有限的一些任务 随着处理能力的进 步以及电源容量的提升 AUV 被引入越来越多的任务中扮演重要角色 如科研 水下勘探 空难事故调查等 相比普通静态水下无线传感器节点 AUV 由多套智能系统组成 结构复杂 性能更强 功能更丰富 成本也高得多 其中 AUV 中有系统的功能与普通水 下无线传感器节点类似 如环境探测系统 电源监控和管理系统 通信系统等 环境探测系统配备有水压 盐度 水温等环境传感器 用于感知周围水域的环 境参数 帮助 AUV 采集应用所需的兴趣数据 电源监控和管理系统为 AUV 提 供电能供应 电源管理在这里进行 通信系统使得 AUV 具备在水下与普通节 点或基站交互信息的能力 另一些系统是 AUV 特有的 包括了动力系统 障 碍探测系统 导航系统 运动规划系统 中央控制单元等 动力系统是 AUV 区 别于普通静态水下无线传感器节点最重要的特征 它保证了 AUV 具备在水下 自由移动的能力 从而帮助 AUV 完成许多普通静态节点无法完成的任务 辅助 动力系统的还有障碍探测系统 导航系统 运动规划系统等 障碍规划系统能 够探测 AUV 附近存在的障碍物 导航系统内部配备有 GPS 定位系统 它能够实时定位 AUV 当前所在的位置坐标 这对 AUV 来说至关重要 运动规划系统帮助 AUV 在移 动过程中保持正确的路径和姿态 所有这些系统由中央控制单元统一管理 中 央控制单元作为 AUV 的逻辑中枢 所有的数据处理 运算 指令逻辑等在这里 完成 它负责控制和协调各个系统有序工作 是整个系统的核心 AUV 系统结构组成系统结构组成 最近新研制出一种可以通过控制信号沉到水中预定深度的球形节点 这种 节点随海流漂移对海洋环境污染进行监测 将水下节点搭载在自主式水下航行 器 AUV 或水下滑翔机 underwater glider 等水下移动设备上 也可以成为水下移 动节点 Hydroid 公司生产的 REMUS 系列 AUV 其巡游速可以达到 1 5m s 至 2 9m s 续航能力短的可达几十小时 如果利用岸边充电系统或者利用太阳能电池板浮到水面上自充电 则可以 连续工作几个月 水下滑翔机利用海洋温差热能等辅助驱动手段 消耗很少的 能量就可以在水中安静地 滑翔 一个月甚至几个月 尽管它的移动速度很慢 每小时大约移动 1000m 但可以持续不断地搜集水下信息 美国伍兹霍尔海洋研究所 WHOI 的科学家曾利用 12 个水下滑翔机成功地组 成了一个水下传感器探测网络 八 水下传感器网络国内外研究进展与成果八 水下传感器网络国内外研究进展与成果 我国早在 八五 期间就针对水声通信进行研究 主要研究机构有哈尔滨 工程大学 中国科学院声学研究所 中国科学院沈阳自动化研究所 厦门大学 西 北工业大学 南京大学 东南大学等 主要针对低速率远程通信和高速率近程 通信做了研究 我国在水下传感器网络方面的研究刚刚起步 主要研究结构有中国科学院 声学研究所 中国科学院海洋研究所 中国科学