深海潛水，想即時曬圖？水下傳感器網絡真的可能實現！

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好棒~~~可是，等等，水下有網絡嗎？

水下當然可以有網絡！

無線傳感器網絡（wirelesssensor networks，WSN）將客觀世界的物理信息同傳輸網絡連接在一起，擴展了人們的信息獲取和管控能力，在國防軍事、環境監測、目標跟蹤、搶險救災、智能控制、生物醫療等領域具有廣泛的應用前景，成為信息科學的重要研究領域。將傳感器網絡應用到水環境中的新型網絡形式——水下傳感器網絡（underwater wireless sensor networks，UWSN）的研究與應用也逐漸受到各國工業界、學術界、科研機構等極大關注，水下傳感器網絡直接細粒度的實時數據為有效解決水下監測提供重要保障基礎。

水下傳感器網絡

21世紀開啟了人類全面開發、利用海洋資源的新紀元，水下傳感器網絡（underwater wireless sensor networks，UWSN）作為一個新生的信息網絡已逐步成為各國學者研究的熱點，在海洋環境監測、近海勘探、輔助航行、海嘯預警以及海洋軍事等領域具有廣闊的應用前景。

UWSN通常包括水下節點、水面中繼站、船基接收站、衛星以及地面接收站等。許多水下節點被隨機部署在監測區域，為了全方位地監測各種信息，水下節點通常漂浮在不同的深度。這些水下節點能夠隨著海水的流動而移動，通過自組織的方式組成網絡。節點將自己收集到的信息經過鄰居節點的逐跳轉發，經過數次傳輸之后到達水面中繼站，最后通過衛星或者互聯網到達地面基站。UWSN的拓撲如圖1所示。

▲ 圖1? 水下傳感器網絡拓撲

無線局域網（WLAN）、移動自組網（MANET）、無線傳感器網絡（WSN）等傳統網絡采用無線電波進行通信。由于水的吸收作用，電信號在水中傳輸衰減嚴重，且頻率越高，衰減越快。研究表明，遵循IEEE 802.11b/g（2.4GHz）或IEEE802.15.4（868MHz，915MHz，2.4GHz）協議的節點發送的無線電波在水中的傳輸距離通常為50～100cm。30～300Hz的超低頻無線電波在水中的傳播距離可以達到100多米，但是需要很大的接收天線，這對于水下傳感器節點來說實現比較困難。由此可見，無線電波在水中的傳播距離極為有限，無法在水下有效地工作。

水環境中的激光通信主要采用藍綠光，藍綠光在海水中的衰減小于10^-2dB/m，對海水的穿透能力較強。水下激光通信需要直線對準傳輸，通信距離較短，水的清澈度會影響通信質量，這都制約著它在水下網絡中的應用。藍綠激光僅僅適合短距離、高速率的水下數據傳輸。綜上所述，激光和無線電波都無法廣泛地應用于UWSN通信。因此，水下網絡節點采用聲波通信。

水聲通信的特點

與傳統的WSN相比，采用水聲通信的UWSN網絡具有以下特點。

1．傳播延遲大

聲波在水中的傳播速度是1500m/s，比地面無線電波（3.0x10⁸m/s）的傳播延遲高了大約5個數量級。水聲信號的傳播速度受海水的壓強、溫度、鹽度等物理特性的影響較大，具有明顯的時空變特性。

2．頻帶窄

傳輸距離在1～10km的系統，帶寬只有10kHz；傳輸距離為0.1～1km的水聲通信系統的帶寬為20～50kHz；若保證網絡的帶寬達到100kHz及以上，則通信的距離只有幾十米。另外，UWSN中的傳輸帶寬還具有時變的特性。

3．能量有限

由于傳輸距離較遠，信號的發送與接收都需要進行額外的處理以補償信道衰落，因此與無線電波通信相比水聲通信更加消耗能量。與傳統的調制解調器相比，UWSN中的聲學調制解調器需要消耗更多的能量，而水下節點采用電池供電，在惡劣的水下環境中充電和更換都非常困難。孫利民等分析了傳感器節點各組成部分的能量消耗情況，如圖2所示。

▲?圖2? 傳感器節點能量消耗

4．多徑效應

聲波在水面和水中傳播時，易受折射以及海底、海面反射的影響，導致聲源發出的信號沿著多條不同的路徑先后到達目的節點。如圖3(a)所示節點S發送的信號沿著三條不同的路徑到達目的節點R。以上信號在目的節點相互疊加，造成信號的起伏和畸變。沿不同路徑傳播的信號到達目的節點的時間不盡相同（圖3(b)），使得信號的振幅與相位的相關性減弱，給信號的解調帶來了極大的困難。

▲?圖3? 多徑效應

5．多普勒效應

水下傳感器節點會隨著水流而移動，聲波的傳播速度與無線電波的傳播速度相比差了約5個數量級，節點很小的移動就會造成多普勒頻移，并且水聲信道的載波頻率比較低，兩者共同作用使得水中的多普勒頻移遠遠大于地面的無線電波通信中的多普勒頻移。

6．“遠-近”效應

“遠-近”效應是指信號強度受傳輸距離的影響。當節點采用相同的功率與基站通信時，由于距基站的距離不同，造成信號在傳輸過程中發生不同程度的衰減。距離基站越近，信號越強，反之越弱，如圖4所示。

?▲?圖4? “遠-近”效應

7．誤碼率高

水下環境惡劣，聲波傳輸過程中易受路徑損耗、環境噪聲、多徑效應和多普勒頻移的影響導致信號的出錯率較高。根據傳輸范圍和調制方法的不同，水聲通信的誤碼率在10^-7～10^-3，且隨著傳輸范圍的不斷增大而增加。

8．低帶寬

水聲信道的帶寬依賴于聲波頻率及其傳輸距離。大部分聲音系統的工作頻率在30kHz以下。根據文獻，目前對傳輸距離與帶寬積的研究或商業系統還沒有能夠超過40km′kbit/s（IEEE 802.11的無線電波通信可達到5000km′kbit/s）。IEEE 802.11的帶寬可達幾十、幾百兆，而傳輸幾千米的水聲信道帶寬大約是幾十kbit/s，幾十米的短程系統帶寬也只有幾百kbit/s，這給水下音、視頻及應急信息通信帶來較大的挑戰。

9．網絡連通性差

首先，水下傳感器網絡節點處于環境較為惡劣的江、河、湖泊、海洋中，長期的浸泡、腐蝕使得節點故障率較高；其次，陸地傳感器網絡節點一般都是靜止的，而水下傳感器網絡的節點可能會隨著水流和其他水下活動而改變位置；再次，相對于價格低廉的陸地傳感器節點，水下節點聲學通信模塊復雜、惡劣的水下環境需要增強的硬件保護裝置，因此水下傳感器節點具有價格昂貴、部署稀疏的特點。與陸地WSN、MANET等網絡相比，UWSN網絡連通性更差。

本文由王芳摘編自杜秀娟、蘇毅珊著《水下傳感器網絡研究》一書第一章部分，內容有刪節。標題由本文編輯所加。

水下傳感器網絡采用聲波進行通信，具有長時延、低帶寬、高誤碼率、動態拓撲、能量受限等系列特性，節點的有限資源決定了其上運行的協議不能太復雜，而現有的通信協議棧難以滿足水下傳感器網絡性能要求。

《水下傳感器網絡研究》分析了水下傳感器網絡的應用、通信特點，以及傳統協議架構在水下傳感網絡的應用局限性，闡述了：Micro-ANP通信協議架構及水下傳感器網絡的各層協議與關鍵設計技術，并給出Micro-ANP架構的實現。本書重視理論結合實際應用，使相關領域的讀者能夠比較容易地理解《水下傳感器網絡研究》內容。

《水下傳感器網絡研究》既可作為學習無線網絡、傳感器網絡、物聯網技術的本科生和研究生的參考書，也可作為從事物聯網、水下傳感器網絡的工程技術及研究人員的參考書。

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本文由微信公眾號科學出版社（ID:sciencepress-cspm）授權轉載，由材料人網大城小愛編輯整理，材料人專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

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