浅海水声网络全解

1、浅海水声网络摘要水声网络通常由通过水声相连的海底传感器节点，自主无人航行器及与岸基站点进行无 线通信的网关海面站点构成。该网络服务质量受声传输信号低带宽，低声速导致的高延时和 高环境噪声所限。其长期设计目标是能够提供基于网络链接的自组网络，通过最优化系统参 数自主适应环境。本文考虑了最小化能耗约束，最优化吞吐和可靠性条件下设计浅海水声网 络的诸多方面问题。引言近二十年来，水声通信技术取得了显著进步。高速可靠通信系统的实现使得海底坐地传 感器与水下自主航行器等水下节点间实时点对点通信成为可能。当前研究热点主要集中在应 对环境数据采集、近海探测、污染检测与军事侦察等应用的网络多链路协同领域。海底或

2、海监测的传统方法包括传感器布放，实验数据记录和试验设备回收。该方法存在 诸多不足：实验记录数据需在长达数周的实验任务结束后获取；海底设备与岸基用户间无法进行信息交互，因此，当某区域出现感兴趣事件时无法进行 系统重配置；如果设备在回收前出现错误，那么数据采集过程将停止或所有数据可能丢失。特定海域长期实时观测最理想的解决途径将诸多测量设备通过无线链路连接成网络结 构。最基本的水下声学网络由类似固定节点与水下自主航行器等节点间的建立的双工水声通 信所组成。该网络将与海面站点相连，并借助该站点采用RF链路与远程陆上节点如Internet 网络相连接。岸基多用户能够从远距离水下设备实时获取数据，评估已获

3、取的数据，并可对 单个设备发送控制信息。由于数据不再储存在水下设备中，因此可以避免数据丢失，也能通 过网络重配置得以绕开失效节点水声网络的最大约束是有限能源支持。对陆上系统而言，无线调制解调器电池的替换非 常简单，但水下无线调制解调器电池替换受航行时间和调制解调器回收时间的制约而显得费 时费钱。因此，对水下应用而言，传输能量显得异常昂贵。网络协议应通过减少重传次数， 降低传输间隔的功耗以及最小化每次传输需求来节省能耗。在救援与探测任务等水下应用中，需要网络能够不经大规模规划而快速布放。因此，网 络应当能自主决定节点位置，通过自主组网提供高效的数据通信环境。另外，若信道条件发 生改变或者某些节点

4、在任务过程中失效，该网络应当能够通过动态重配置继续履行使命。水声通信不同于数字无线通信采用电磁波进行数据传输，水声信道中主要采用声波进行通信。在 水声通信网络中声波传播速率比无线电波传播速率小五个量级。如此低的传播速率增大了网 络数据包的传输时延。如果在UWA应用中网络协议设计忽略高时延，将导致网络吞吐减少。UWA信号的可利用带宽关键取决于传播损失，由于传播损失随着距离和频率的增大而 增大，严重制约了可利用带宽。在有限带宽内，特别是在浅海水声信道中，相对于无线电信 道而言，声信号受时变多径的影响，会导致的严重码间串扰以及多普勒频移与拓展。多径传 播以及多普勒的影响削弱了水声信号，限制了数据吞吐

5、。因此需要特殊的信号处理手段去克 服这些不利因素。近十年初，通过发展采用非相干FSK信号的调制解调器来应对UWA信道特性的挑战， 以求实现可靠通信。虽然非相干FSK通信系统在UWA信道中有效，但他们较低的频带利 用率使得其无法适应多用户网络对高速率应用的要求。基于高吞吐远程通信系统的需求引发 了对相干调制技术的关注。目前，随着大功率数字信号处理设备的运用，我们能够在水下通 信中采取完全一致的相干相位调制。关于声调制方法总结见表一。感兴趣的读者可通过阅读 文献【3】得到每个调制解调器的细节说明。随着系统传输速率及传输距离的增大，算法复杂度大大超过了当前数字处理硬件能力。 当前研究主要集中于低复杂

6、度DSP算法以及用于网络环境的多用户调制解调器， - , 衰；灯：Lll*TrTT*YFLDmtm rate (b/s) : Bandwidth (kHz)* INoncoherentNoncoherent虹NoncoherentNoncoherent虹 卜1250心 y i 11 尊威 EiX盘I ,、丁 *! 卜,二十”侦，：.；19 矛二 24D0-6OO1藏电，整京浇立谶* 10.00-5,05丑# - -点* rX阈 rrrrr*：飞Coherent -； 1989 - 500,000 次卞露二 g新 0,Q6Dj#3城岭二|睥 y砌叫叫爹或&漩雷薮瘀龄 8n广 禺 土：Cphere

7、ril亍*-L.fF： F-：H唤：- - .Coherent ;89S-203D - 典*瘀除壬他对1. u.戒上澈：.咛* F擀:A qc f： -上点 水167&-67G0 I旨1成繇33浴土*l 4.05-2：01-： Table 1. A summary ofpetfomance metrics for sofnc UWA tnodems presented in the literature 3J. S indicates a shallow water result while D indicates a deep water result, generally a vertic

8、al channel.4.水声网络两类需求牵引起了水声网络的重大变革：一类是环境数据的采集，另一类是水下区域侦 察。典型网络由各类节点构成，某些安装在固定节点上，另一些则安装在自由移动航行器上。 该类网络被称为自主式海洋采样网，这里的采样是指采集海洋中温，盐，深和水下洋流等参 数。对侦察应用而言，网络由大量传感器构成，主要是在锚底或者低速水下机器人上，该网 络布防迅速，主要用于覆盖浅海海域。该类网络的典型应用Seaweb将在随后进一步讨论。网络拓扑网络拓扑结构包括以下三种基本形式：集中式，分布式和多跳式。在集中式网络中，网 络节点间通信通过中央站点进行交互，该站点常被称为网络枢纽。该网络通过该

9、中央站点连 接到主干网。该配置适用于深海网络，通过装有声学及RF调制解调器的海面浮标控制与海 底设备的往复通信。该配置方式的最大不足是存在单节点失效问题，若枢失效，则整个网络 将关闭。同样，受单个调制解调器工作范围所限，该网络无法覆盖大量区域。另两个网络拓扑属于对等网络，一个全连通对等网络提供网络中各节点间的点对点通 信。这样的拓扑结构省去了路由。但同时带来的是与远隔节点间通信的输出功率过大。同样， 当节点试图进行对远端节点发送数据包时，将对临近节点通信产生功率压制和干扰。称之为 远近问题。多跳对等网络仅由相邻节点的通信链路构成，信息从源节点传输到目的节点需要通过节 点间包传输。路由信息通过智

10、能算法进行处理以适应环境变化。由于多跳网络范围取决于节 点数目而不是调制解调器边界，因此其能够覆盖相对广泛区域。UWA网络设计目标之一就是最小化能耗并提供节点间及与主干网的可靠联通。网络拓扑结构是决定能耗的重要参数。 在文献平【6】中，作者描述了最小化能耗网络拓扑是多跳对等网络，减小能耗的代价是复 杂通信协议与数据包延时，需要特别注意的是对时延敏感系统。多重接入方法包括水声网络在内的诸多信息网络中，通信是突发式的，用户通过网络传送数据的时间 往往要小于系统闲置时间。因此，网络用户应当通过多重接入方式高效共享可利用的频段和 时间。频分复用技术将可利用的频带分为若干子带并将每个子带指定给独立用户。

11、由于极度 受限的频带资源和自带系统抗衰落的不足，使得FDMA系统无法充分应用于UWA。不同于频带分离，时分复用将一个时间间隔，称之为一帧分成若干时间片段。相邻的时 隙间的数据包冲突可以通过包含与相应信道时延成比例的保护时间来避免。TDMA系统需 要异常精确的同步以实现对时间段的合理利用。UWA通道中的高时延需要长保护时间从而 限制了 TDMA的效率。同样，建立一个共同的定时基准也是相当困难的。码分复用允许多用户在全频段内同时传输。来自不同用户的信号通过伪随机编码实现。 宽带CDMA信道不仅能够对抗频率选择性衰减，对直接序列CDMA而言，也能在接收端通 过Rake滤波技术利用水声信道中的时间分集

12、。扩频信号可用于处理接收端多用户检测带来 的冲突。同样，也能减少重传数和能量需求。此特性既降低电池消耗也增加了网络吞吐。因 此，CDMA的似乎是浅水声学网络中最合适的多址技术。路由算法信息网络中存在两种基本的路由方法：虚拟回路路由，一次传输的所有数据包通过同一 条路径进行传输和数据包路由，数据包允许通过不同的传输路径进行传输。使用虚拟回路传 输网络路径选择取决于传输开始时刻。而在数据包路由中，每个节点均可进行路径选择，这 将数据包的下一个跳。多数路由方法基于最短路径算法。该方法对网络中的每个链路分配代价，该代价函数取 决于物理距离和拥塞等级。路由算法寻找从源节点到目标节点的最短路径（最小代价路

13、径）。 在分布式应用中，每个节点确定向临近结点传输一个数据包的花费，并将该信息与网络中的 其他节点共享。这样，每个节点维护一个数据库，该数据库反映了可能路径的花销。对路由而言，需要考虑网络节点可移动这一更为普遍的情形。这种情况可认为网络是由 固定海底传感器和AUVs组成。在ad hoc网络中，主要问题是获取每个独立链路最近的状态来确定数据包最佳路由。然 而，如果通信媒介是浅海通信信道是多变的，路由的更新相当快。在路由领域，目前的研究 重点是减少通过路由的消息的同时找到最佳路径，这是一组相互矛盾的要求。媒体访问控制协议针对UWA信道存在许多MAC协议，这些协议能减少由于数据报冲突导致的信息损失。

14、 我们将专注于MACA协议以及该协议的变化。该MACA协议首先由Karn提出，该协议采用请 求发送（RTS）和清除发送（CTS）这两类信号数据包。当A需要给B发送一个信息时，将 首先发布一个RTS命令。如果B接收到该RTS命令，B将发回一个C TS命令。A一旦接收到CTS， 就开始传输数据包。节点间将通过进行RTS-CTS交换时探测信道。信道状态信息将用于设置 物理层参数例如输出功率和调制方式。MACA的这些特性能够满足UWA网络设计的需要。 它为最小功耗约束下的可靠通信提供相关信息，并具备避免冲突发生的能力。RTS-CTS交换 增加了开销，但是减少重传可以补偿这些增加的开销。MACA协议确保

15、了网络层端对端通信的可靠性。若由于错误导致某些数据包丢失，最终 目的节点将向源节点请求重传丢失数据包。在高可靠链路中，由于该方法消除了估计每跳所 发送的独立信息，从而增加了网络吞吐。在低质量通信线路中，信息极有可能包含错误的数 据包。恢复网络层中数据包错误需要额外的时延。通常，在无线电和水声等低可靠信道的链 路层进行错误修正可获得更好的性能。由于MACAW议的性能和可靠性可以通过创建无差错的，可靠的点对点的数据链路控制 (DLC)层链接得以改善。出于该目的，Bharghavan设计了MACAW协议，在每次成功传输 的数据后发送一个ACK数据包。在传输中采用增加一个数据包开销。然而，文献【9】表

16、明 在吞吐量增益超过额外的开销，该结果同样适用于UWA信道。MACAW协议忽略功率控制 和非对称的出现。在功率控制条件下的性能需要进一步阐明。同样，协议中增加的额外开销 对于传输时延相对显著环境的影响值得关注。自动重传请求方法自动重传请求(ARQ)用于检测数据链路控制层中错误并请求错误数据重传。最简单的可 被直接用于半双工。可人网络ARQ是停止等待ARQ，数据包源节点等待一个来自目的节点 ACK以确认无差错数据包的传输。由于信道信息在往返传输过程中并未被利用，该ARQ方 式吞吐量较低。而在返回-N以及选择性重传ARQ机制中，节点在传输数据包同时接受ACK， 因此需要全双工网络。将UWAB道中有

17、限带宽分成2个信道以用于全双工操作会显著的物理 层传输速率。但是其对整个网络吞吐的影响有待进一步的研究。选择性重传ARQ策略可用于半双工。可人信道。不同于在接收中确认每个数据包，接受 端将等待N个数据包，并发送一个包含未出错数据包id的ACK包。由此，发送端一次将发送 N个数据包并等待ACK。随后源端将发送另一组N个数据包，其中包含未确认的数据包以及 新的数据包。认证采用两种处理方式。第一种处理方式称为主动处理，通过接收无差错数据包，目标 节点将发送一个ACK数据包给源节点。如果源节点在预设的超时时间后仍未接收到ACKB 号，将重传数据包。在被动处理模式中，如果目的节点接收到一个错误数据包或者

18、没有收到 订阅的数据包，它将发送一个数据包。被动处理模式将有助于通过减小发送额外ACK数据 包和丢失ACK数据包时候的网络重传来节省能量。一旦与MACA型MAC协议结合使用，该 被动处理策略将提供RTS-CTS交换中高可靠性的点对点链路信息。5.设计实例：SEAWEB一个水声网络的实例是美国海军的实验性Telesonar和Seaweb工程。Telesonar连接分 布式水下节点，将其整合成统一资源，并将海军“以网络为中心”行动扩展到水下战场空间。 Seaweb提供指挥，控制，通信和导航基础设施协调自主节点来实现任意海域任务。更一般 而言，更一般地，Seaweb网络适用于海洋遥测，水下航行器，水

19、下无线数字通信的其他用 途。海试包括Seawebs 98，99和2000。E E Figure k Seaweb underwater acoustic networking enables data telefneiiy and remote control for deployable autonomous distributed systems (DADS) and other autonomous peripherals. Gateways to manned control centers include radio links to space or shore and teles

20、onar links to ships.实验对象与方法Telesonar通过声学连通固定以及移动节点以形成数字网络。操作对象具有可靠性，节能 性，可部署性，互操作性，灵活性，可负担性和安全性。另外，telesonar链路必须是环境和 状态自适应，且规定其双向非对称。所述Seaweb骨干是一组自治的固定节点（如，传感器 节点，中继节点和主节点）。主节点从传感器节点收集数据并转发到网关，反之亦然。Seaweb 外设包括移动节点（例如，水下机器人）。Seaweb网关跟海底、海面、岸基和空基指挥中 心相连，其中包括进入陆地，空中和太空的网络接口。例如，一个声纳浮标可用为无线电/ 声界面，以便卫星和海上

21、飞机与水下自主系统进行通信。同样，潜艇可以通telesonar信号 访问外场系统。Seaweb服务器作为水下网络接口放置于载人指挥中心。Seaweb开发涉及周期性集中资源的长时间海洋试验。每年Seaweb实验用于验证系统分 析和有目的性的发展关键技术领域，比如能提供更可靠，高功能和高质量的服务的最先进技 术。Seaweb实验目的是为了实现和测试网络配置中的声纳调制解调器，对其中的各种调制 和联网算法进行实现和比较，并得出结论。从长期来看，其目标是提供一种基于分布式节点 和网络链接的重配置网络，该网络通过自主选择最优发送参数适应当时环境。Seaweb98, 99,和2000试验区域位于马萨诸塞州

22、、布扎兹海湾的可达水域，如图2所 示。一片5-15m水深的广阔水域作为大面积网络，其覆盖有便捷的视距无线电与位于西科 德角的实验室相连。从伯恩运河延伸的航道提供周期性地高航运噪声，以用于强调信噪比 （SNR）余量。 Figure 2.2000 incrcrucntnlfy cxcrcumcl I血 IcivscjRar handshake a-tocoi in a 成恤日成 eontexr. Thv !7-nodeseuweb nefwork delivered ocedno p叩帛r data fjvjfi iffTJiurmA如 t&guiewxiv 赢跆 with fir时必$攻kt p

23、tckISeaWb发展要求其关注不利的传输效率；传输安全性,信息吞吐量和成本等关键问题。 prrtdHmf mm:fim - jefftred PRJPffittfitKW with ft/nm mulUnnfh signal认识到制约远程声纳技术发展的根本因素是日益复杂的调制解调器。.在MAC层，Seaweb 采用MACA握手协议通合无线半双工网络。该握手过程允许寻址，测距，信道估计，自适 鼻曲曲校星故前洛 点4也，苗叶ct m由 ejicdie/ii. Durins； rhe final week of Seaweb应调制和功率控制、操作。lf：-m . ,，:.；!：.： u .fc.：

24、 ,：, in1 i.ii1:m.扣，.睥. WEI初始化与路由:. i七，心& .-.摭，2心由于设定网络为ad hoc网络，初始化算法是需要自主地建立初步连接。本算法基于轮询，因此它保证连接到所有节点的连通性，即任意节点都至少存在一个声学可达的邻居节点。在初始化过程中，节点创建邻居，该表包含各节点的邻居列表以及连接链路质量度量。该度 量可以通过接收从响应邻居的SNR表示，然后由主节点收集并形成一个路由树。最佳路由基于遗传算法的路由协议确定。该路由协议试图通过最小化网络能量消耗以最 大限度地提高电池供电网络的生命周期。两个节点之间建立可靠通信所需的最小能量作为链 路距离的度量。主节点收集来自

25、网络节点的链路的成本信息来确定最佳路径，并将所述路由 信息返回给节点。该优化算法通过增大时延优化多跳链接。声学链路节点之间的性能可能会下降，并且链路会由于节点故障而永久实效。在这样情 况下，网络应能够自身适应变化的条件，从而无需中断数据包传送。这种鲁棒性可以通过周 期性地更新的路由来获得。504693635在当前设计中，主节点可以创建根据邻居上的路由树表中报告的节点。如果一个节点报 告某链路性能下降或不再可用，主节点选择新路由以取代故障链路。该路由树变化将报告给 所有相关的节点。此过程可确保节点将不尝试使用故障链路，从而以这种方式避免了增加电 池消耗不必要的传输。访问控制协议Seaweb访问控

26、制协议是基于MACA协议，该协议使用RTS-CTS-数据交换。网络采用 停止和等待ARQ方案。如果源节点不能在预定的时间间隔后从目的节点接收到CTS，它重 复RTS。如果K个RTS后，源节点仍不能接收CTS，则认为该链接不再可用，返回到低功 耗状态。如果源节点接收到CTS，它将立即发送数据包。在RTS/ CTS交换用于确定信道条 件，并且该信息用于设置声学调制解调器参数，例如输出功率电平。ACK信号由目标在接 收到正确的数据分组的送出，以提供肯定确认在数据链路层中的源。该协议也可以处理依赖 于由用户选择的操作模式的否定确认。图3示出了 MAC协议。 Figure 3. The source n

27、ode starts the MAC layer handshake protocol by sending an RTS packer the destination node. If the RTS packet is lost in the chan-the source node r etransmits the RTS packet after a umeout duration equal to the round-trip duration of a header-only packetRTSr CTS, orACK)fand calculated using the range infomation i