水声传感器网络MICROANP协议栈设计与实现

第1章水声传感器网络概述 1.1水声传感器网络 21世纪人类开启了全面开发、利用海洋河湖资源的新纪元，以水声传感器网络(UASNs)为重要组成部分的海洋环境监测技术已列入国家中长期科技发展纲要。水声传感器网络作为一种新生的信息网络已逐步成为各国学者研究的热点，在海洋与河湖水环境监测、近海勘探、辅助航行、海啸预警以及海洋军事等领域具有广阔的应用前景。 UASNs通常包括水声传感器节点、自主水下航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)、水面汇聚节点(sink节点)等。许多水声传感器节点被随机部署在监测区域，为了全方位地监测各种信息，这些水下节点通常漂浮在不同的深度，能够随着水流移动，通过自组织的方式组成网络。节点将自己收集到的信息由邻居节点逐跳转发，经过数次传输之后到达水面汇聚节点，*后通过卫星、移动通信、地面基站或互联网到达远程数据中心。UASNs网络拓扑如图1.1所示。 无线局域网(wireless local area network，WLAN)、移动自组网(mobile Ad Hoc network，MANET)、无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)等传统网络采用无线电波进行通信。由于水的吸收作用，电信号在水中传输衰减严重，且频率越高，衰减越快。研究表明，遵循IEEE802.11b/g(2.4GHz)或IEEE802.15.4(868MHz、915MHz、2.4GHz)协议的节点发送的无线电波在水中的传输距离通常为50～100cm[1]。30～300Hz的超低频无线电波在水中的传播距离可以达到100多米，但是需要很大的接收天线，这对于水下传感器节点来说实现比较困难。由此可见，无线电波在水中的传播距离极为有限，无法在水下有效工作。 水环境中的激光通信主要采用蓝绿光，蓝绿光在海水中的衰减小于10.2dB/m[2]，对海水的穿透能力较强。水下激光通信需要直线对准传输，通信距离较短，水的清澈度会影响通信质量，这些局限制约着激光在水下网络中的应用。蓝绿光仅仅适合短距离、高速率的水下数据传输。综上所述，激光和无线电波都无法广泛地应用于长距离的UASNs通信。因此，水下网络节点采用声波通信。 1.2水声通信的特点 与传统的WSN相比，采用水声通信的UASNs网络具有以下特点。 1.传播延迟大 声波在水中的传播速度约为1500m/s，比地面上无线电波的传播速度(3.0×108m/s)低了大约5个数量级。此外，水声信号的传播速度受海水的压强、温度、盐度等物理特性的影响较大，具有明显的时空变特性。 2.频带窄 传输距离为1～10km的系统，带宽只有10kHz；传输距离为0.1～1km的水声通信系统的带宽为20～50kHz；若想保证网络的带宽达到100kHz及以上，则通信的距离不会超过几十米。另外，UASNs中的传输带宽还具有时变的特性。表1.1详细介绍了不同通信范围的水声信道带宽。 3.能量有限 由于传输距离较远，信号的发送与接收都需要进行额外的处理以补偿信道衰落，所以与无线电波通信相比，水声通信更加消耗能量。与传统的调制解调器相比，UASNs中的声学调制解调器需要消耗更多的能量，而水下节点采用电池供电，在恶劣的水下环境中充电和更换都非常困难。孙利民等[3]分析了传感器节点各组成部分的能量消耗情况，如图1.2所示。由此可见，水声网络节点的能量消耗主要集中在通信能耗上，与通信能耗相比，节点在感知和处理方面的能耗几乎可以忽略。 4.多径效应 声波在水面和水中传播时，易受折射以及海底、海面反射的影响，导致声源发出的信号沿着多条不同的路径先后到达目的节点。如图1.3(a)所示，节点S发送的信号沿着三条不同的路径到达目的节点R。以上信号在目的节点相互叠加，造成信号的起伏和畸变。沿不同路径传播的信号到达目的节点的时间不尽相同(图1.3(b))，使得信号的振幅与相位的相关性减弱，给信号的解调带来了极大的困难。 5.多普勒效应 水下传感器节点会随着水流而移动，声波的传播速度与无线电波的传播速度相比差了约5个数量级，节点很小的移动就会造成多普勒频移，并且水声信道的载波频率比较低，两者共同作用使得水中的多普勒频移远远大于地面的无线电波通信中的多普勒频移[4]。 6.“远近”效应 “远近”效应是指信号强度受传输距离的影响。当多个不同的发送节点采用相同的功率与同一个接收节点通信时，由于距接收节点的距离不同，信号在传输过程中发生不同程度的衰减。距离接收节点越近，信号越强，反之越弱，如图1.4所示。 7.误码率高 水下环境恶劣，声波传输过程中易受路径损耗、环境噪声、多径效应和多普勒频移的影响，从而导致信号的出错率较高。根据传输范围和调制方法的不同，水声通信的误码率在10.7～10.3，且随着传输范围的不断增大而增加。 8.低带宽 水声信道的带宽依赖于声波频率及其传输距离。大部分声音系统的工作频率在30kHz以下。根据文献[5]，目前对传输距离与带宽积的研究或商业系统还没有能够超过40km×Kbit/s(IEEE802.11的无线电波通信可达到5000km×Kbit/s)。IEEE 802.11的带宽可达几十、几百Mbit/s，而传输几千米的水声信道带宽大约是几十Kbit/s，几十米的短程系统带宽也只有几百Kbit/s，这给水下音、视频及应急信息通信带来较大的挑战。 9.网络连通性差 首先，UASNs节点处于环境较为恶劣的江、河、湖泊、海洋中，长期的浸泡、腐蚀使得节点故障率较高；其次，陆地传感器网络节点一般都是静止的，而UASNs的节点可能会随着水流和其他水下活动而改变位置；再次，相对于价格低廉的陆地传感器节点，水下节点声学通信模块复杂、恶劣的水下环境需要增强的硬件保护装置，因此水下传感器节点具有价格昂贵、部署稀疏的特点。与陆地WSN、MANET等网络相比，UASNs网络连通性更差。 1.3水声传感器网络面临的问题与挑战 UASNs网络通信协议的设计过程中，存在以下问题和挑战。 1.提高能量效率、延长网络的生存期是UASNs面临的首要问题 水下节点不能够利用太阳能供电，通常采用干电池供电。节点长期处于复杂的海洋环境中并且在无人值守的状态下工作，充电和更换电池非常困难。与传统的调制解调器相比，水声调制解调器能耗大。有限的能量与较大的能耗给UASNs通信协议的设计带来较大的挑战。如何降低控制开销、提高能量效率，从而延长整个网络的生存时间是UASNs面临的首要问题。 2.UASNs网络亟须研究新型网络体系架构 随着网络技术与应用的不断发展，减少网络系统的无用能耗，提高能量效率的绿色网络成为热点研究。绿色网络研究涉及网络体系结构、各层网络协议、网络设备结构创新和算法设计与优化等网络领域的核心科学问题。目前，大多数的研究工作只关注网络节能问题的某一(些)方面，例如，针对路由协议或媒体访问控制(media access control，MAC)层机制的能耗问题，缺少从网络全局的角度研究网络的节能策略[6]。 TCP/IP和ZigBee是目前较为完整并被广泛使用的通信协议栈。ZigBee协议栈在物理层(physicallayer，PHY)与数据链路层基于IEEE802.15.4标准。IEEE802.15.4是为省电而设计的标准，要求短时间的数据传输操作，不能传输大量数据。互联网存在两种典型的协议模型：OSI和TCP/IP，尽管OSI参考模型得到了全世界的认同，但是Internet历史上和技术上的开发标准都是TCP/IP模型，TCP/IP是发展至今*成功的Internet通信协议栈。鉴于UASNs诸多独有的特性，TCP/IP协议栈在UASNs应用存在很大的局限性。 UASNs传感器节点的计算、存储、能量等资源十分有限，其上运行的协议栈不能太复杂。UASNs需要开发新的水声通信网络体系架构。目前，UASNs网络研究多集中在路由和MAC层，针对UASNs的协议体系架构较少有人问津。 3.水声传感器网络特性给各层协议设计带来很大的挑战 UASNs的低载频、窄带宽、长延迟、高误码率、多径干扰、多普勒效应等特性给各层协议设计带来很大的挑战。相对于电磁波微秒级的传播时延，水下声波的传播时延为秒级，且水声信道的时空变特征使传播延迟方差较大。水声通信的误码率通常在10.7～10.3，这给网络协议的设计带来很大的挑战[7]。