【水声基础】水声通信网综述- 大数跨境

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【水声基础】水声通信网综述

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2021-08-05

导读：现代陆上和空间通信已经构成了一个个巨大的通信网络，然而海洋中通信网络的发展水平还很落后。

前言

现代陆上和空间通信已经构成了一个个巨大的通信网络，然而海洋中通信网络的发展水平还很落后。在军事上，水声通信网对于海洋军事情报的监听与收集，港口及近岸的检测，特别是对于水下侦察与作战群体的管理、指挥与调度等方面都有十分重要的作用。

美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)于1994年开发了由传感器、水声Modem和无线中继浮标组成的水声局域网(ALAN)，放置于加利福尼亚州蒙特利尔沿海，全网包括一个海面浮标站和十几个1000m水深的海底节点。

FRONT计划是美国NOPP(国家海洋学研究伙伴计划)实施的一项称之为“遥测前沿观测网”的计划，用于水声通信、水下网络传输及海军其它使命。SeaWeb是用于支撑FRONT的实验计划的网络。美国空海作战系统中心(SPAWAR)和海军研究署已于1998年开始对SeaWeb网络进行了连续三年的试验，SeaWeb2000的网络节点己达到17个，试验结果证明，在浅海恶劣环境条件下利用水声网络在广阔区域进行高质量数据传输是可行的。

水声通信网关键技术

2.1 水声通信网的体系结构

水声通信网一般有两种结构，如图所示。在平面结构中，所有节点的地位平等，所以又可称为对等式结构。平面结构最大的优点是结构简单，适合规模较小的网络。然而，该结构的可扩展性较差，因为随着网络规模的增大，维护动态变化的路由需要的控制消息会迅速增加。

在分级结构中，网络被划分成簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。簇头节点负责簇间数据的转发，它可以预先指定，也可以由节点使用算法选举产生。分级结构的优点很多：簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息；具有很好的可扩充性，可以通过增加簇的个数和网络的级数来增加网络的规模；具有很强的抗毁性。

对于分级结构的水声通信网，目前国内外研究的重点主要有：设计适合水声通信网络的簇头选择算法和簇维护机制：设计合理的算法来均衡簇头节点的任务负担，避免其成为网络的瓶颈；设计合理、稳健的簇问路由算法，使路由信息局部化，从而节省簇间的路由开销。张宏滔等提出了一种节省能量的水声传感器网络的组织结构。网络节点以簇的形式组织起来，建立了由簇头和网关组成的用于簇间通信的主干链路。并且提出了基于簇间协商的事件报告策略，它利用有限的延时换取通信量的减少，这种策略能有效减少网络的冗余通信量，从而延长网络的生命周期。

平面结构

分级结构

2.1 水声通信网的关键技术

1) 网络协议

由于水下传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。同时，传感器网络拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。水声通信网协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前的研究重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路径：数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。

2) 网络安全

水声通信网作为任务型的网络，如何保证执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为网络安全问题需要全面考虑的内容。为此，水声通信网需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、认证广播和安全管理等。

3) 时间同步

时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。在没有GPS的水声通信网中，时间同步算法必须完全分布在各个对等的节点中。时延大是实现水声通信网时间同步的一个主要障碍。在消息延迟中，发送时间和访问时间依赖于发送节点CPU和网络的瞬间负荷，随时间变化比较大且难于估计，它们是时间同步误差非确定因素的最主要部分。

4) 定位技术

位置信息是传感器网络节点采集数据中不可缺少的部分。确定时间发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。

水声通信网络各层研究内容

3.1 物理层

为了使物理层协议方案适合于水声传感器网络的特点，目前集中在物理层的研究内容主要包括如下几个方面：开发低成本的水声通信调制解调器；设计低复杂度、能快速收敛的次优滤波器，以满足实时水声通信的需要，同时要能够尽量降低能量的消耗；采取适当的措施来克服信道估计的稳定性问题。

3.2 数据链路层

1）多址技术

多址技术是多个用户共享有限的信道资源的技术。按分配信道方式的不同，多址技术可以分为固定多址方式和随机多址方式，其中固定多址方式就是在频域、时域或码域先将信道划分成子信道，再将这些子信道分配给用户；随机多址方式则是竞争访问信道，用户按自己的意愿随机发送信息，当发生碰撞时按协议处理。

2）差错控制

主要有两种主要的差错控制模式：前向差错修正(FEC)和自动重传请求(ARQ)。FEC要求在传输的数据中提供足够的冗余信息，当接收的数据出现错误时，接收端可以根据冗余信息来修正错误。ARQ方法有两种：停止／等待ARQ和连续ARQ。停止／等待ARQ的基本思想是源节点发出一个数据包后，等待目标节点的回复，若目标节点发现一个错误，或者源节点未收到确认信号(即ACK信号)，源节点将数据包重新发送。它可以直接应用于目前的水下半双工信道。例如，SeaWeb系列的海上试验中采用停止／等待ARQ联合MACA协议来增加链路的可靠性，然而，这种方法的信道利用率是比较低的，因为它每发送一个数据包都要停下来等待应答。在连续ARQ中，采用的是全双工方式，要求节点发送数据包和接收ACK同时进行。如果把水声信道有限的频带分为发送和接收的两个子频带，将会降低传输速率，然而，这样做是否会影响整个网络的吞吐率还有待验证。

3.3 网络层

1）拓扑结构

网络拓扑设计的好坏对整个网络的性能有重大的影响。节点间链路的数量、路径等影响了网络的可靠性。节点的位置、链路的连接方式决定了信息通过网络的传输时间。另外，有限的电池能量是水声网络的一个主要限制，所以设计的拓扑结构应该使节点的功率消耗最小。通常，网络的拓扑形式主要有：集中式、分布式和中继式。

在集中式网络中，所有节点间通信都通过一个中心节点来完成。这种结构适用于由海底传感器和海面浮标组成的小范围水声网络。其主要缺点是对中心节点依赖性过大。另外，考虑到单个声调制解调器的传输距离，集中式网络的覆盖半径有限。

分布式网络，也称为点对点网络，是一种网络中所有节点均直接相连的网络。这类网络的优点是不需路由选择。但是当与远端节点通信时将大大增加系统的能量消耗，并且会对邻近节点产生阻塞(“远近问题”)。

中继式网络仅在相邻节点间建立连接，源节点到目的节点的通信靠中间节点的中继来完成，通过路由算法来自适应地选择传输路径。这种拓扑结构的优点是覆盖范围大、单个节点功耗小。但随着中继跳数的增加，数据的延迟也会增加。从功耗和大范围覆盖角度看，这种拓扑结构是比较好的选择。

2）路由算法

路由是网络层的一项主要功能，路由的作用是发现从源节点到目的节点的物理通路。一个网络设计的成功与否，路由协议非常关键。在一个大范围的水声通信网中，大多数节点无法直接与主节点通信，需要通过中间节点进行多跳路由。在水声通信网中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。节点的电池能量非常有限，且不易替换，路由算法设计的目标是最大化网络的生命周期。水声传感器节点被部署在一定的海域之后，需要通过初始化过程来建立最初的连接。当节点之间的声链路质量降低，甚至由于节点失效而永久丢失时，为了不中断数据传输，水声网络应能适应这种变化，这种适应能力可以通过周期性地更新路由获得，路由的更新要向相关节点报告。

3.4 传输层

水声通信网的传输层协议不仅是为了进行事件参数的可靠传输，而且是为了执行流控制和拥塞控制，最根本的目的在于节省宝贵的传感器资源，尽可能地提高网络效率。大多数现有的TCP实现方案不适合水声环境，主要因为其流控制是基于windows的，该机制依赖于对往返时间(RTT)的精确估计，而水声RTT是一种具有高均值的随机变量，RTT会影响至IJTCP实现的吞吐量，而且可变的RTT使得当前基于windows的TCP协议超时门限很难确定。出于以上原因，必须要研究一种全新的策略以实现水声数据流控制和可靠性保证。

3.5 应用层

对于水声环境中的应用层协议的研究，还需要研究人员进行深入探讨和理解应用领域和水声通信网中的通信问题。如何扩展或如何对现有陆地传感器网络应用层协议加以改进等设计原理的归纳对于水声通信网应用层协议的设计来说是至关重要的。

选文来源

魏昕,赵力,李霞, 等.水声通信网综述[J].电路与系统学报,2009,14(6):96-104.

文章转载自公众号：水声之家

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