作者：魏昕 1.2.赵力 2，李霞1，邹采荣 2
(1.东南大学 水声信号处理教育部重点实验室，江苏 南京 210096:2.东南大学信息处理与应用工程研究中心，江苏 南京210096)
摘要：近年来，由于水下通信技术的发展和应用需求，国内外对水声通信网络进行了大量的研究工作，并且在方案验证、模拟仿真的基础上，开始了水声网络的海上实验。本文从水声通信网的发展过程和特点出发，系统介绍了水声通信网的体系结构和关键技术，并且详细介绍了各层的研究内容和研究现状，最后对水声通信网今后的研究方向和应用前景进行了展望。
关键词：水声通信网:无线传感器网络;网络体系结构;网络协议
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2,]。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的网络节点已达到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。欧共体在 MAST(Marine Science and Technology Program)计划的支持下，发展了一个系列化的水声网络研究计划:ACME，LOTUS，SWAN，ROBLINKS。我国在水声通信网领域的研究刚刚起步，目前的重点仍是理论方面的研究。本文的第2部分介绍了水声通信网的定义和特点:第3部分介绍了水声通信网的体系结构和关键技术:第4部分详细描述了水声通信网各层的研究内容和现状:最后总结全文，对水声通信网的发展趋势做了展望。2.1 水声通信网的定义
水声通信网(见图 1)的定义如下1:水声通信网是由布放在海底、海中的传感器节点(包括固定的传感器节点和装载传感器的移动平台)和海面浮标节点以及它们之间的双向声链路组成的分布式、多节点、大面积覆盖水下三维区域，可以对信息进行采集、处理、分类和压缩，并可以通过水下通信网节点以中继方式回传到陆基或船基的信息控制中心的综合系统。2.2 水下信道的特点
在水声通信网中，通常使用声波作为通信媒介。水下声信道与无线电信道有着许多不同的特性。水下声波的传播速率比电磁波的速率低5个数量级，导致水环境中的数据传播速率较低，从而增加了传播时延(约为0.67s/km)。频带资源严重受限。随着通信距离的增加，水下通信的传播损失将急剧增加。此外，多径、衰落及多普勒频移等问题使得水下通信的误码率高、链路暂时性中断现象时有发生。
2.3 水下传感器节点的特点
1）高动态性。在水声通信网中，由于水流和其他一些水下活动，除了一些固定节点外，大多数传感器节点都存在着不同程度的移动。节点的这种移动导致了网络节点不稳定的邻居关系。这给网络协议的设计带来了很大的困难。2）电池能量有限。水下传感器节点通常携带能量十分有限的电池，而传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，所以如何高效使用能量来最大化网络生命周期是水声通信网面临的首要挑战。3）计算和存储能力有限。水下传感器节点是一种嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力较弱，存储器容量较小。2.4 水声通信网的特点
水声通信网具有大规模、自组织、动态性的特点。大规模体现在传感器节点分布在很大的海洋区域内，并且在一定的区域部署很多传感器节点;自组织体现在节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳水声网络系统:动态性体现在水声通信网的拓扑结构的变化，表现在由于海洋环境变化使得传感器节点出现故障或失效、传感器节点具有移动性或是新节点的加入等，这就要求水声通信网要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。3.1 水声通信网的体系结构
水声通信网一般有两种结构，如图2、图3.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: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:设计合理稳健的簇间路由算法，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。3.2 水声通信网的关键技术
水声通信网作为海洋信息领域的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待发现和研究，下面列出部分关键技术。
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。
Syed 等提出了名为 TSHL,的协议，该协议通过两个阶段的调整，可以获得精确的时间同步。除了可以用于水声网络之外，该协议在其它长时的网络中也具有应用价值。
Rodoplu 等提出了一种 MAC 层协议，比较巧妙地解决了节点之间收发数据的同步问题，同时有效节省了能量。在该协议中，时间轴被划分成N个循环周期，在初始化阶段各个节点发同步信号建立唤醒眠时间，从而实现精确的同步。在接下来的循环周期中，各个节点只需要在计算好的时刻唤醒接收其它节点发送来的数据包，而不必关心传播时延，在该循环周期的其它时刻都处于睡眠状态。
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。
尽管无线传感器网络中已经开发了类似的定位系统，但是在水下这种定位系统的精度还需要进行估计。声波在水下的实际传播速率取决于温度、压力和盐度。由于不均匀的温度分布，传播路线甚至可能是曲线。而且由于波浪的运动，传感器节点也会移动。这些因素都会影响定位精度。Garcia提出了一种综合考虑定位的节点和在水中环境变化造成网络中节点定位的平均错误等因素的算法，取得了一定的效果。
4.1 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。Johnson等介绍了WHOI开发出的一种具有超过80M/ops的调制解调器，并且通过实验验证了其具有较高的性能，同时验证了这种调制解调器可以自主地监测水声通信网的配置状况和信道质量。Wills等也开发出了一种适用于水声传感器网络的低功耗的调制解调器。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。1)频分多址
FDMA 对水声信道的可用频带进行划分，系统为每个用户指定一个唯一的频段或信道。分配好信道后，收发双方可以连续不断地发射。这种多址技术的问题在于:FDMA 信道的带宽可能比传输信道的相干带宽小(尤其是在用户数目较多时)，此时容易引起频率选择性衰落。此外，如果一个 FDMA信道没有使用，那么它就处于空闲状态，并且不能被其它用户用以增加或共享系统容量，造成一种资源浪费。因此，FDMA 并不适合于可用频带极其有限的水声通信网络。TDMA 把将整个信道带宽划分成时隙，在每一个时隙仅允许一个用户，要么接收要么发送。每一个用户占用一个周期性重复的时隙，因此可以把一个信道看作每一个帧都会出现的特定时隙。N 个时隙组成一帧。在一个 TDMA 帧中，利用保护间隔来保证不同时隙和帧之间的接收机同步。TDMA 系统发送数据采用缓存一突发方式，即数据保存在缓冲区一直到分配的时隙，这样就可以节省能量，因为在空闲时间内发射机可以关掉。
TDMA 的主要优点是灵活性强，即一帧中分配给不同用户的时隙数目是可改变的，因此，可以利用优先级重新分配时隙，按照不同用户的要求来提供带宽。在水声网络中它的主要缺点是:需要严格的同步。由于水声信号的传播时延很大，时隙间的保护间隔应设置的足够大，以免由于传播时延的不同而引起碰撞，然而这样会造成较低的网络吞吐量。
Hou等对传统的TDMA做了较大的改进，提出了一种新的基于TDMA的多址接入协议，对发送数据进行交错布置，使信道成为一个具有固定时延的FIFO缓存器，从而保证了数据发送时，不会接收到数据包，避免了发送接受碰撞。童峰等提出一种适用于水声通信网络的TDMA方案(UTDMA)，该方案中各节点根据事先分配的时隙发射数据，避免了碰撞，同时交错安排各发射的数据帧周期，减少了信道闲置时间，提高了网络效率，从而实现网络的高吞吐量和高可靠性。CDMA 允许多个用户同时共用整个频带，不同用户的信号通过分配给用户进行频率扩展的伪随机码来分辨。对于多径传播的信道，宽带的 CDMA 信号使系统具有较强的抗多径干扰的能力。CDMA技术带来的另一个重要的优点是具有保密性，用户唯一的伪随机码使非授权用户几乎不可能截获通信信息，这对于军用水声通信网特别重要。所以CDMA 是浅海水声网络中很有前景的多址技术。但是CDMA 系统容量会受到多址干扰的限制，这类干扰由网络中其它用户发射的信号和期望的信号在时域和频域的混叠产生。张宏滔等提出了一种稳健的、适用于浅海水声通信网的跳频码分多址(FH-CDMA)方案。为了减小由于水声信道的多径效应引起的强频率选择性衰落对系统的影响,采用了跳频结合分集技术。通过比较FH-CDMA方案在不同传输条件下水声信道中的性能，可发现信道传输特性的起伏对FH-CDMA水声通信网的性能影响较小,在恶劣的传输环境中，该方案以其简单的结构，也能获取较稳健的性能。通过研究发现，将TDMA和CDMA技术结合起来作为水声通信网的多址接入方法，会产生很好的效果。Salva等!设计了一种类似于Adhoc的水声通信网，该网络采用分布式拓扑，并且大小可改变，Salva将相邻节点归入一个簇中，在每个簇内使用TDMA，簇间使用CDMA接入方式，通过重用CDMA码字来实现网络大小的改变。刘明臣等也提出了一种类似的用于集中式拓扑结构的多址接入方案(TDCDMA).随机接入方式是竞争访问信道的技术，用户按自己的意愿随机发送信息，当发生碰撞时，数据发送失败，目前在无线网络中比较常用的随机接入协议有 ALOHA、CSMA、MACA 等。ALOHA 协议的碰撞率相当高，该协议通过重发来解决碰撞，这将提高网络节点的功率损耗，对于节点电池能量非常有限的水声网络，显然不能令人满意。在 CSMA 协议中，为了解决接收机碰撞而在发送之间加入的保护时间与网络中出现的最大传播时间成正比，水声信号低的传播速度可能会使该协议的效率非常低。在 MACA 协议中，采用了 RTS-CTS-DATA 信道预约机制来避免接收节点处的砌撞，但在整个数据传输过程中约 67%的时间用于控制指令的传输，增加了延迟时间，降低了信息吞吐率。所以研究常规的介质接入协议的在水声环境中的可用性，并对其不足进行改进是水声网络研究的一个重要课题。张宏滔等!以 MACA 为基础，针对水声信号传播时延长带来的网络效率低的问题提出了一种适合水声通信网使用的多址接入协议(UMACA)。在 UMACA 协议中，通过监听前一次发送节点和接收节点的 RTS/CTS 握手，省去了随后其它节点的 RTSICTS 握手，从而可以直接发送数据,避免了接收节点不必要的空闲。同时该协议利用了各节点的地理位置信息推算接收节点的闲置时间进行发送，具有很好的冲突避免特性。与MACA 协议相比，UMACA 协议减少了网络时延，提高了网络吞吐量。高明生等)提出了一种称为UAMA的协议。该协议利用扩频码进行多信道预约，采用与传统的手协议不同的机制，当发送方发送RTS后，在选择的业务信道上立即传输数据，而不必等到收到CTS后再传输数据,在时间和空间上大大提高了信道的利用率和网络的吞吐量,并且具有较低的网络时延Kebkal 等提出了适用于集中式拓扑结构的 FAMA-CF 协议，它在传统的 RTS-CTS 握手的基础上，通过增加中心节点首先发送 RRTS 消息这一过程来避免中心节点接收数据包的碰撞，使数据发送过程的信道效率和频带利用率达到最大化。Molins等提出的Slotted FAMA协议)是基于传统的FAMA协议的信道接入方式，即将载波监听和收发端之间控制信息的交互结合起来。它的主要的特点是通过将时间划分成时隙来限制传播时延的影响，消除了传统的FAMA协议中控制信息过长的问题，从而节省了能量，并且通过合理地选取时隙长度来有效地避免碰撞。4.2.2 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(ARO)。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。ARO 方法有两种:停止/等待 ARO 和连续 ARO。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 系列的海上试验甲中采用停止/等待 ARO 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 ARO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。高明生等充分利用了停止/等待 ARO 在水声信道中等待时间过长的特性，首先采用扩频通信技术，将单个信道分成一前向个子信道和一个反向子信道，并将原来的每个分组数据扩展成由原来每个分组数据和一个长度等于一个 ACKINAK 消息长度的新分组数据,利用实际的两个连续分组数据传输时间间隔使收发双方来回地在两个子信道之间切换,巧妙地实现了由半双工模式向全双工模式的过渡。此外，高明生等还将结合选择自动重传请求(SRARO)方案与返回n自动重传请求(GBNARO)方案的混合式自动重传请求(SR+GBNARO)方案的优良性能，提出了一种随水声信道的时变特性而改变分组长度的自适应 ARO 方案。
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131151。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。
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。张林波等对两种适合水声通信网的随选式路由协议--AODV和DSR进行了分析研究和比较,结果表明DSR的吞吐量和延时特性都不如AODV，但相对于DSR的源路由机制，AODV的控制成本很大。最后作者做出了如果将AODV的序列号和计时器与DSR的源路由机制结合，会得到更好的结果的预测。姜卫东等针对水声网络中一些中继节点因过度使用的问题，提出一种动态路由控制的新方法。该方法采用周期性工作方式。在每个周期内，预测节点的剩余能量，估计出采用不同路由时节点的生命值，以网络节点的最小生命值为目标函数，借助遗传算法周期性地搜索出与最大目标函数值对应的路由，这样得到的路由就是能平衡各节点能量的最佳路由。在遗传进化过程中，采用一种启发式方法生成初始路由集。实验结果表明，该方法能有效地避免个别节点过早地耗尽能量。Gibson等提出了一种路由协议，它自动建立水下网络拓扑，控制网络资源并且建立依赖于表面站管理的网络。表面站以集中的方式建立高效的数据发送路径，避免了拥塞和提供了一定服务质量的保障。Pompili等提出了一种新的基于地理的分布式路由算法,其最大的特点是通过发送一系列紧挨着的短包来提高信道效率，可以有效的限制了包的差错率。Xie等提出了一种名为基于矢量转发(VBF)的路由协议也是基于地理的路由方法，因此不需要传感器节点的状态信息。在VBF中，每个包携带有发送端，接受端和转发端的位置信息。转发的路径通过路由矢量(一个由源端和目的端信息构成的天量)来描述。当一个节点收到包以后进行计算，如果确定自己的位置靠近路由矢量中描述的目的端，就将自己的位置写入包中并目转发包，否则就丢弃包。通过这种方式，可以增加协议在防止包丢失和节点失效方面的鲁棒性。4.4 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会影响到TCP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性保证。Xie等设计了一种应用于水下环境的传输层协议--SDRT。基本思想是使用随机前向纠错码，逐段和逐跳传输经过编码的信息包。和传统的可靠数据传输协议相比，SDRT可以显著减少发送信息包的总数，改善信道利用状况，并且可以简化协议处理，提供可的数据传输。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。本文在系统分析研究相关文献的基础上，综述了水声通信网的发展及研究现状，从水声通信网的定义和特点出发，系统地介绍了水声通信网的体系结构和关键技术以及各层的研究内容和研究现状。就目前的研究现状而言，研究的热点主要集中在数据链路层和网络层，主要包括数据链路层中的接入方法和差错控制以及网络层中的路由算法等。在今后的研究中，上述几个方面仍然是研究的重点和热点，传输层甚至应用层的设计也是一个重要的研究方向。同时可以考虑采用跨层设计和自适应参数设置来克服各层独立设计和固定参数设置无法避免的问题，从而实现网络整体性能的最优化。可以预见。水声通信网在未来海洋军事作战的数据传输以及海洋环境的监测和信息采集等方面将起着十分重要的作用。
本文转载自智慧海洋公众交流平台
