水下传感网络拓扑部署

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摘 要：水下传感网络在进行水下状态监控与数据探测的过程中，需要根据不同的对象有着相应拓扑要求，本文介绍在静态下的二维结构、三维结构及混合结构的部署及移动漂移情况下的部署结构，详细描述了当前研究中相关的部署特点，并详细阐述了各个拓扑部署结构的优缺点及部署场景。

关键词：水下传感网络 拓扑 部署 移动

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0045-02

水下传感网络是利用声信号建立起来的无线自组织网络，它一般是使用飞行器、潜艇或水面舰艇将大量廉价的微型传感器节点随机布放在海底或海中指定的感兴趣水域，节点通过水声无线通信形成的一个多跳的自组织、分布式、多节点、大面积覆盖的水下网络，协作对信息进行采集、处理、分类和压缩，并可通过水声传感网络节点直接或中继方式发送到陆基或船基的信息控制中心的综合网络系统。这样建立起来的交互式网络环境中，岸上的用户能够实时地存取水下传感器节点的数据，并把控制信息传送给水下传感节点。水下传感网络被认为具有广泛的应用前景，如实时或者延时的空间连续水生监控系统在海洋学资料收集，水生环境监控，海洋科学考察，水下考古探险和近海岸保护，污染监控，海上勘探，地震图像传输、海洋环境检测、灾难预防和辅助导航等领域的应用有着极为重要的价值[1，2]。

网络拓扑在网络能耗、网络容量和可靠性等方面起着决定性因素，相比较于陆基无线传感网络，水下传感网络由于其粗糙的水环境、有限带宽、高可变的传播延迟、高错误率、多径与衰减引起的链路临时性丢失等，因此水下传感网络拓扑尽可能的优化，以满足水下环境的特殊需要。水下传感网络的体系结构是一个很重要的研究领域，目前的研究主要有以下几个方面。

1 静态体系结构

（1）二维结构：二维体系结构的水下传感网络主要是指在水下同一深度或接近同一水平面的传感节点所形成的网络，每个传感节点被固定在一定的物体上使其无法漂移，从而保持整个网络节点相对的固定；它主要检测某一特定水平面区域的环境特征，节点自组成簇，节点采集的信息直接或多跳地传给族首，通过簇首传送给水面中继站或船基接收站，然后与岸基接收站通信，到达数据处理中心，其拓扑结构与地面无线传感网络相似[3]，如图1左图。

（2）三维结构：三维体系结构的水下传感网络中的节点被部署在不同的深度，节点相对固定在某一区域，形成分布在海底的三维网络，每个传感器节点必须能够中继采集的信息并传送到水面汇聚节点，因此要求每个节点到水面中继站至少有一个链路存在，它比二维网络更好的获得水下采样。由于空间的变化，水下节点的立体覆盖问题成了又一个研究的难点[5]，如图1右图。

2 混合结构

混合结构的水下传感网络包括静态的节点、移动的节点和AUVs、ROVs或者一些水下滑翔机。在混合结构中，移动节点扮演着重要的角色，可以被看作高级节点，它有着更高的能量，并且能够独立的移动，还可以与固定节点或者管理者进行路由，完成网络的重新配置或者对一般节点的数据采集。

上图2是海洋监视系统的一般体系结构。移动节点可以是AUVs或者ROVs，它配备了垂直和水平收发器，在它的帮助下，可以实现3D监视，移动节点也可以优化节点在网络容量的最大化部署，在节点丢失或失效情况确保网络的可靠性。在文献[7]中讨论了混合节点体系结构，有四种节点分层部署，最底层，多数节点被部署在洋底用于数据收集，一个或者数个带有互联功能的控制节点被部署在海平面或者近海岸平台，另外两种高级节点能够完成在高速网络下的互联和有效地的数据中继以及潜水机器人[4]。

在文献[6]中提出了短期对时间要求严格的水生物探测应用的体系结构，使用UWSNs来远程控制ROV对突发水下事件的调查；文献[8]提出了三层的体系结构，不同物理环境对传感器有不同需求；固定在海底的传感节点在长期的数据收集中要求高的鲁棒性，水面节点扮演着在固定区域的sink节点，上两层之间的移动节点是AUVs或者ROVs，它们能够水平和垂直移动。文献[9]提出了在水下监控应用的多个移动节点网络模型：本地基站通过固定的时间来采集数据，移动节点通过临时的虚拟簇来收集数据，移动节点可以从水面船舰或潜艇潜入水下，然后散布到各个监控区域。在移动节点的辅助下，节点可以根据节点数量自组织成临时的簇，每个节点都可以成为簇首，通过多跳来收集各个节点的数据，完成收集后转回本地网络。因为这些簇的存活时间很短，因此叫虚拟簇。实验表明这种网络结构有效地减少了网络能耗和端到端的时延。

3 移动和自由漂移结构

在这种结构中，所有节点不受地理位置的限制，可以自由的移动，并且网络拓扑也是变化的。它被分为两层，水面层节点通常配置了数据通信的无线接收器，通常被用于污染探测和水质量监控，洋流和污染跟踪；水下层包括多个移动节点，它们能够在浮力设备的帮助下停留在不同深度，它可以用于生态系统调查，鱼类迁徙和生物监控。

在文献[6]中也提出了对于长期非严格时间要求的水生监控体系结构，大量的低廉节点被部署在能够覆盖连续监控的区域，数据有本地节点采集，通过中间节点中继传递，最终到达位于水平面，带有声和电磁波转换器的网关上。基于以上结构的网络，文献[10]提出了水面网关节点的部署策略，所有的水面网关形成虚拟sinks，并在水面网关数量和期望的延迟及能耗上达成平衡。文献[11]提出了近海水下移动模型，起初自由移动的节点被部署在小的分区内，并且会在近海环境洋流和漩涡等的作用下漂移；另外一种类型的海洋监控网络在文献[12]提出，自由浮动的水下设备独立的操作，并且通过相互之间的水声通信来合作，浮标设备随着洋流自由的漂移。重要的应用是短期污染跟踪。

这种类型的体系结构主要是被动网络，拓扑会由于洋流，方向，海潮和波动而变化，这样就带来了最大的缺点就是覆盖和通信链路无法保证，也很难有效的完成拓扑控制。这种结构有意思的特点是被跟踪的目标也随着洋流运动，不需要任何手工干扰。在这种场景下，移动节点与浮动传感网络共同工作，通信连接发生在水下层和水面层，水面节点配置声模块，水下自治节点需要保持链路的活动状态。

4 结语

本文通过对水下传感网络拓扑部署的介绍，详细的描述了当前研究中相关部署结构，并详细阐述了各个拓扑部署结构的特点，以及各种结构的优缺点及部署场景介绍。

参考文献

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