劉小明

摘 要：水下傳感網(wǎng)絡在進行水下狀態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)探測的過程中，需要根據(jù)不同的對象有著相應拓撲要求，本文介紹在靜態(tài)下的二維結構、三維結構及混合結構的部署及移動漂移情況下的部署結構，詳細描述了當前研究中相關的部署特點，并詳細闡述了各個拓撲部署結構的優(yōu)缺點及部署場景。

關鍵詞：水下傳感網(wǎng)絡 拓撲 部署 移動

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0045-02

水下傳感網(wǎng)絡是利用聲信號建立起來的無線自組織網(wǎng)絡，它一般是使用飛行器、潛艇或水面艦艇將大量廉價的微型傳感器節(jié)點隨機布放在海底或海中指定的感興趣水域，節(jié)點通過水聲無線通信形成的一個多跳的自組織、分布式、多節(jié)點、大面積覆蓋的水下網(wǎng)絡，協(xié)作對信息進行采集、處理、分類和壓縮，并可通過水聲傳感網(wǎng)絡節(jié)點直接或中繼方式發(fā)送到陸基或船基的信息控制中心的綜合網(wǎng)絡系統(tǒng)。這樣建立起來的交互式網(wǎng)絡環(huán)境中，岸上的用戶能夠實時地存取水下傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并把控制信息傳送給水下傳感節(jié)點。水下傳感網(wǎng)絡被認為具有廣泛的應用前景，如實時或者延時的空間連續(xù)水生監(jiān)控系統(tǒng)在海洋學資料收集，水生環(huán)境監(jiān)控，海洋科學考察，水下考古探險和近海岸保護，污染監(jiān)控，海上勘探，地震圖像傳輸、海洋環(huán)境檢測、災難預防和輔助導航等領域的應用有著極為重要的價值[1，2]。

網(wǎng)絡拓撲在網(wǎng)絡能耗、網(wǎng)絡容量和可靠性等方面起著決定性因素，相比較于陸基無線傳感網(wǎng)絡，水下傳感網(wǎng)絡由于其粗糙的水環(huán)境、有限帶寬、高可變的傳播延遲、高錯誤率、多徑與衰減引起的鏈路臨時性丟失等，因此水下傳感網(wǎng)絡拓撲盡可能的優(yōu)化，以滿足水下環(huán)境的特殊需要。水下傳感網(wǎng)絡的體系結構是一個很重要的研究領域，目前的研究主要有以下幾個方面。

1 靜態(tài)體系結構

（1）二維結構：二維體系結構的水下傳感網(wǎng)絡主要是指在水下同一深度或接近同一水平面的傳感節(jié)點所形成的網(wǎng)絡，每個傳感節(jié)點被固定在一定的物體上使其無法漂移，從而保持整個網(wǎng)絡節(jié)點相對的固定；它主要檢測某一特定水平面區(qū)域的環(huán)境特征，節(jié)點自組成簇，節(jié)點采集的信息直接或多跳地傳給族首，通過簇首傳送給水面中繼站或船基接收站，然后與岸基接收站通信，到達數(shù)據(jù)處理中心，其拓撲結構與地面無線傳感網(wǎng)絡相似[3]，如圖1左圖。

（2）三維結構：三維體系結構的水下傳感網(wǎng)絡中的節(jié)點被部署在不同的深度，節(jié)點相對固定在某一區(qū)域，形成分布在海底的三維網(wǎng)絡，每個傳感器節(jié)點必須能夠中繼采集的信息并傳送到水面匯聚節(jié)點，因此要求每個節(jié)點到水面中繼站至少有一個鏈路存在，它比二維網(wǎng)絡更好的獲得水下采樣。由于空間的變化，水下節(jié)點的立體覆蓋問題成了又一個研究的難點[5]，如圖1右圖。

2 混合結構

混合結構的水下傳感網(wǎng)絡包括靜態(tài)的節(jié)點、移動的節(jié)點和AUVs、ROVs或者一些水下滑翔機。在混合結構中，移動節(jié)點扮演著重要的角色，可以被看作高級節(jié)點，它有著更高的能量，并且能夠獨立的移動，還可以與固定節(jié)點或者管理者進行路由，完成網(wǎng)絡的重新配置或者對一般節(jié)點的數(shù)據(jù)采集。

上圖2是海洋監(jiān)視系統(tǒng)的一般體系結構。移動節(jié)點可以是AUVs或者ROVs，它配備了垂直和水平收發(fā)器，在它的幫助下，可以實現(xiàn)3D監(jiān)視，移動節(jié)點也可以優(yōu)化節(jié)點在網(wǎng)絡容量的最大化部署，在節(jié)點丟失或失效情況確保網(wǎng)絡的可靠性。在文獻[7]中討論了混合節(jié)點體系結構，有四種節(jié)點分層部署，最底層，多數(shù)節(jié)點被部署在洋底用于數(shù)據(jù)收集，一個或者數(shù)個帶有互聯(lián)功能的控制節(jié)點被部署在海平面或者近海岸平臺，另外兩種高級節(jié)點能夠完成在高速網(wǎng)絡下的互聯(lián)和有效地的數(shù)據(jù)中繼以及潛水機器人[4]。

在文獻[6]中提出了短期對時間要求嚴格的水生物探測應用的體系結構，使用UWSNs來遠程控制ROV對突發(fā)水下事件的調查；文獻[8]提出了三層的體系結構，不同物理環(huán)境對傳感器有不同需求；固定在海底的傳感節(jié)點在長期的數(shù)據(jù)收集中要求高的魯棒性，水面節(jié)點扮演著在固定區(qū)域的sink節(jié)點，上兩層之間的移動節(jié)點是AUVs或者ROVs，它們能夠水平和垂直移動。文獻[9]提出了在水下監(jiān)控應用的多個移動節(jié)點網(wǎng)絡模型：本地基站通過固定的時間來采集數(shù)據(jù)，移動節(jié)點通過臨時的虛擬簇來收集數(shù)據(jù)，移動節(jié)點可以從水面船艦或潛艇潛入水下，然后散布到各個監(jiān)控區(qū)域。在移動節(jié)點的輔助下，節(jié)點可以根據(jù)節(jié)點數(shù)量自組織成臨時的簇，每個節(jié)點都可以成為簇首，通過多跳來收集各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，完成收集后轉回本地網(wǎng)絡。因為這些簇的存活時間很短，因此叫虛擬簇。實驗表明這種網(wǎng)絡結構有效地減少了網(wǎng)絡能耗和端到端的時延。

3 移動和自由漂移結構

在這種結構中，所有節(jié)點不受地理位置的限制，可以自由的移動，并且網(wǎng)絡拓撲也是變化的。它被分為兩層，水面層節(jié)點通常配置了數(shù)據(jù)通信的無線接收器，通常被用于污染探測和水質量監(jiān)控，洋流和污染跟蹤；水下層包括多個移動節(jié)點，它們能夠在浮力設備的幫助下停留在不同深度，它可以用于生態(tài)系統(tǒng)調查，魚類遷徙和生物監(jiān)控。

在文獻[6]中也提出了對于長期非嚴格時間要求的水生監(jiān)控體系結構，大量的低廉節(jié)點被部署在能夠覆蓋連續(xù)監(jiān)控的區(qū)域，數(shù)據(jù)有本地節(jié)點采集，通過中間節(jié)點中繼傳遞，最終到達位于水平面，帶有聲和電磁波轉換器的網(wǎng)關上?；谝陨辖Y構的網(wǎng)絡，文獻[10]提出了水面網(wǎng)關節(jié)點的部署策略，所有的水面網(wǎng)關形成虛擬sinks，并在水面網(wǎng)關數(shù)量和期望的延遲及能耗上達成平衡。文獻[11]提出了近海水下移動模型，起初自由移動的節(jié)點被部署在小的分區(qū)內，并且會在近海環(huán)境洋流和漩渦等的作用下漂移；另外一種類型的海洋監(jiān)控網(wǎng)絡在文獻[12]提出，自由浮動的水下設備獨立的操作，并且通過相互之間的水聲通信來合作，浮標設備隨著洋流自由的漂移。重要的應用是短期污染跟蹤。

這種類型的體系結構主要是被動網(wǎng)絡，拓撲會由于洋流，方向，海潮和波動而變化，這樣就帶來了最大的缺點就是覆蓋和通信鏈路無法保證，也很難有效的完成拓撲控制。這種結構有意思的特點是被跟蹤的目標也隨著洋流運動，不需要任何手工干擾。在這種場景下，移動節(jié)點與浮動傳感網(wǎng)絡共同工作，通信連接發(fā)生在水下層和水面層，水面節(jié)點配置聲模塊，水下自治節(jié)點需要保持鏈路的活動狀態(tài)。endprint

4 結語

本文通過對水下傳感網(wǎng)絡拓撲部署的介紹，詳細的描述了當前研究中相關部署結構，并詳細闡述了各個拓撲部署結構的特點，以及各種結構的優(yōu)缺點及部署場景介紹。

參考文獻

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[9] Jincheng Wang，Deshi Li，Mi Zhou，etc.Data Collection with Multiple Mobile Actors in Underwater Sensor Networks[C]. International Conference on Distributed Computing Systems Workshops，2008：216-221.

[10] Ibrahim Saleh，Cui Jun-Hong，Ammar Reda.Surface-Level Gateway Deployment For Underwater Sensor Networks[C]. IEEE Military Communications Conference，2007：1-7.

[11] Caruso A.，Paparella F.，Vieira L.F.M.，etc. the Meandering Current Mobility Model and its Impact on Underwater Mobile Sensor Networks[C]. IEEE Conference on Computer Communications，2008：221-225.

[12] Jules Jaffe and Curt Schurgers.Sensor Networks of Freely Drifting Autonomous Underwater Explorers [C]. WUWNet06， Los Angeles，USA， 2006： 93-96.endprint

4 結語

本文通過對水下傳感網(wǎng)絡拓撲部署的介紹，詳細的描述了當前研究中相關部署結構，并詳細闡述了各個拓撲部署結構的特點，以及各種結構的優(yōu)缺點及部署場景介紹。

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4 結語

本文通過對水下傳感網(wǎng)絡拓撲部署的介紹，詳細的描述了當前研究中相關部署結構，并詳細闡述了各個拓撲部署結構的特點，以及各種結構的優(yōu)缺點及部署場景介紹。

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