水下无线传感器网络拓扑结构分析研究杨平安

杨平安　冀宝仙

【摘 要】繁荣的海上贸易推动了全球海上通信、信息技术以及无线传感器网络（WSN）技术等新技术在航海领域的应用研究和推广。本文主要通过对水下特殊环境特点的分析，以及对当前技术在陆上的应用研究，提出一种蜂窝网结构的节点部署策略，构造了一个相对稳定且能量均衡的网络拓扑结构，满足大部分水下应用研究的需求。

【关键词】水下无线传感器网络；节点部署策略；蜂窝网结构；能量均衡

Analysis of the topology of Underwater Wireless Sensor Networks

YANG Ping-an JI Bao-xian

（Shanghai Maritime University， Shanghai 201306，China）

【Abstract】The development of marine economy drives the global communication technology， information technology， wireless sensor network technology， etc. application technology to rapidly develop. In this paper， by analyzing the special features of the underwater environment and based on the application research of onshore wireless sensor network， it puts forward a node deployment strategy based on the cellular network structure， and structures a relatively stable and energy balanced network topology to meet the needs of most of the underwater application research.

【Key words】Underwater wireless sensor network； Cellular network structure； Node deployment strategy； Energy balance

0 引言

“21世纪海上丝绸之路经济带”建设是促进海上贸易发展、联通世界各国最重要的战略之一。此外，无线传感器、卫星通信等技术的应用和发展为深海资源的开发、海上航行环境监测以及海上物标监测等领域的应用研究提供了技术支持。

与陆上环境相比，水下环境比较复杂，通常传输的信道延迟比较大，因此造成通信冲突发生概率大，而且传播的多径效应以及信道容易受干扰，也导致数据传输的可靠性差，节点为了保证数据成功发送，需要多次重发数据，使节点的能量消耗很快，加上水下节点部署稀疏，如果存在某一节点能量耗尽，就会导致传感器网被分割成不相连的子网络。为了应对这些挑战，就需要从水下节点的部署、无线传感器网络的拓扑结构和空间组网结构以及网络运行中的能耗控制加以研究，在保证最低耗能的前提下节点有均衡的能量，延长的生命周期。

本文通过提出一种蜂窝网结构的节点分布，通过研究水下无线传感器网络的路由协议，根据节点部署稀疏网络特点，采用能量均衡的数据中继节点选择策略。

1 无线传感器网络简介

1.1 WSN节点的组成

如图1所示，WSN节点主要由传感、处理、通信和电源四个模块组成。集成的每个独立的WSN节点都能够独立地完成自身配置，通过节点间互发位置信息，相互协调完成向岸上基站播發监测数据[2]。

1.2 无线传感器网络的拓扑结构

如图2所示，WSN支持星型、簇树型和网状三种不同的网络拓扑结构。

WSN的工作模式是各节点通过一跳或者多跳的方式将采集的数据传送到协调器，然后通过网关与互联网进行连接，把数据传送到岸端服务器进行存储和处理，并为不同领域应用研究提供数据支持。

2 无线传感器网络的通信方式

2.1 水面无线电通信

无线电能够实现短距离高速通信，可以借助无线传感器网络自组织逐跳传输的方式，实现水面较大范围组网通信的要求。但无线电波在海水中传播的距离受其频率的影响，信号强度会因频率较大而衰减，致使传输距离减小，一般为50-120cm[4]。也有实验表明，低频率的长波无线电波在海水中能够传输的距离大概是6-8m[5]。尽管超低频率的电磁波在海水中的穿透力较强，但是对于接收端天线的长度要求比较高，而WSN节点体积很小，无法满足安装较长天线的要求。因此，该通信方式多用于水上通信网中。

2.2 水下声波通信

目前，声波通信已经在水下通信网络构建中得到广泛应用。最早研究的水声通信技术是从水下模拟电话的问世开始的[6]。后来数字通信技术的应用开大使模拟系统逐渐退出历史舞台，也为通信组网技术的发展开辟了新的研究思路。

自组织、动态拓扑、自愈功能、多跳路由是传感器网络特有的优点，可以实现超远距离信息传播，可以分辨海水中的目标，而且传播速度较快，改变了传统通过大量铺设水下电缆的监测模式，大大的节省了成本。

3 水下无线传感器网络拓扑结构

3.1 水下无线传感器网络拓扑结构

静态网络、动态网络和混合网络是目前常用的三种网络拓扑结构。

（1）静态网络拓扑结构

静态网络拓扑结构一般是指使用现有浮标或者锚的方式部署传感器节点，使其能可靠地固定在相对静止的位置。如图3所示是符合实际应用的三维静态网络拓扑结构。该结构主要由处于不同深度的节点构成的二维静态网络构建了近似立体空间结构的三维拓扑网络。

对于静态网络，通常采用人工或者自动布置方式实现网络的初始部署，一般都是稀疏网络。水下传感网络节点出现电量耗尽，或者意外损坏如喑流、风浪造成节点损坏等非正常因素所引起的节点失效问题时，网络的连通度下降，在一定程度上影响该静态网络的应用推广。

（2）动态网络拓扑结构

水下动态网络的的最大特点就是WSN节点可以根据当前水下环境情况，自由地变换空间位置。如图4所示，在动态网络中都会在水面放置具有无线收发功能的动态节点，用于收集所有水下节点传送的数据，并与岸端或附近船载基站进行数据互传。水下的移动节点，使用水声通信方式进行通信，这些水下节点可以是自制水下机器人或其他水下航行器，它们通过漂浮装置实现在水底任意深度的移动。

（3）混合网络拓扑结构

如图5所示，混合网络拓扑结构是在静态网络加入自制水下设备、远端控制设备和水下航行器等移动节点，这些移动节点可看成是部署在静态网络中的机动节点。

为了能够从不同方向接收和发射数据，需要在可移动节点上安装多个水声收发器。节点通过评估自身性能，即当前能量高低，以及所处监测环境中数据密度动态地进行网络重组，保证稳定可靠地监测。此外，通过部署动态节点，能够有效避免监测盲区，确保重组网络能够覆盖所有监测区域。而且混合网络结构的部署，可以实现节点自动选择能够保证网络能量均衡，且吞吐量最大化的通信路由。

图5 混合传感器网络拓扑结构

由于水下特殊且复杂的环境特点，为了保证网络能够稳定运行，而且也为了节约成本，实际应用中，传感节点分布密度是呈现稀疏状的，这些水下节点主要完成对水下环境的长期监测，将采集到的数据存放在数据缓冲区，并通过通信协议发送到网关节点，如果有应用需要，通过新增的移动节点来完成紧急的数据收集。新增移动节点可通过机动船释放，当节点下降到水下监测网络区域后，根据规约，通知所有节点把当前釆集数据汇聚到水下移动节点，在接收完采集节点的数据后，移动节点将返回水面，退出网络，各水下节点将返回到原来的网络中继续进行环境监测。

3.2 水下无线传感器网络特点

水下无线传感器网络的特点总结如表1。

4 传感器网络节点的感知模型

4.1 影响因素

水下无线传感器网络结构，面临的最大问题是节点部署策略可达到相同覆盖区域的同时，实现最小节点投放数量。

实际上，传感器节点的发射功率大小直接影响其通信范围，而传感器可以感知的范围是与其能够监测的范围有关的，典型值就是收到的信号的有效信号强度大于其固有噪声的最大距离。

节点的成本也严重影响节点的部署，水下传感网络节点的成本比较昂贵，基于成本的原因，不可能部署太多的节点，也就導致节点的冗余度会比较低，从而带来节点的通信链路的冗余度也较低。节点的能量是保证传感网络生命周期的重要因素，因此节点所拥有的能量，决定了部署策略，

4.2 感知模型

构建节点的感知模型是解决节点部署的基础。常用的感知模型包括0-1感知模型和概率统计感知模型。

0-1感知模型是可用以下数学模型描述：

其中，P（si）表示第i个节点感知到P点的概率，r是节点的感知半径，d是节点到被感知对象的直线距离。式（1）表示如果被感知对象进入传感器节点的感知范围，记概率为1，否则概率为0。

概率统计感知模型如图6所示。

其中，r为感知半径，ε是感知不确定区间。数学模型如下：

其中，P（si）表示节点Si感知到P点的概率，r是感知半径，d是节点到被感知对象的直线距离。α=r-ε，λ和β是表征节点感知能力的系数。

5 蜂窝网结构的节点部署策略

本文提出了一种蜂窝网结构的节点部署策略。对于部署在水下的节点，其发射功率都可调整。因此网络中，会存在高功率长距离的发送模式和低功率短距离的多跳发送模式，当选择一种通信模式下，如何部署节点，可实现水下传感器网中能耗均衡。或者通过调整节点部署位置，通过节点运行模式和节点位置综合起来，使节点能耗均衡，网络生存期最大化。

如图7所示是一种蜂窝网结构的节点部署示意图。采用静态节点部署方法（可以将移动节点临时加入网络中），在浅水区域中，将n个节点被安置在可看作等深度的平面上，并以汇聚节点为中心的正六边形顶点上，由于部署水深程度基本一致，构成一个浅水蜂窝网监测传感器网络。由于节点类型相同，传输方向都指向中心节点，感知半径R具有与通信半径r相同的最大能力，其中r可根据需求设定大小，总能满足r≥R条件。

每个工作周期，构建的网络采用多跳的传输模式传送信息。如图7所示，假设汇聚节点编号为S0，传感器节点分别为s1，s2，...，s6，正六边形上的六个节点都向汇聚节点S0传输数据，对于s1和s6节点的数据选择向S0还是S1发送，取决于这两个汇聚节点的能量大小，选择能量大的传输，以便向上一级汇聚节点继续传输，保证整个网络节点的能量均衡。如果网络中某个节点失效，则选择消耗总能量最低的路径传送信息，确保整个网络的能量始终平衡。

6 结束语

通过分析适用于水下环境的静态、动态和混合结构的无线传感网拓扑，借鉴陆上蜂窝网的架构采用蜂窝网结构的部署节点，可以保证整个网络传输可靠和畅通，同时提高能效，延长网络的生命周期。未来希望从网络协议和最优化路由两个方面开发更具有应用价值的无线传感网。

【参考文献】

[1]毕京学，郭英，甄杰，等.水下无线传感器网络定位技术研究进展[J].导航定位学报，2014，2（1）：41-45.

[2]吕超，王硕，谭民.水下移动无线传感器网络研究综述[J].控制与决策，2009，2（1）： 801-807.

[3]郭忠文，罗汉江，洪峰，等.水下无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展，2010，47（3）：377-389

[4]Akyildiz I F， Pompili D， Melodia T. State of the art in protocol research for underwater acoustic sensor networks[C].//Proc of the 1st ACM Int Workshop on Underwater Networks . New York： ACM，2006：7-16.

[5]Schill F，Zimmer U R， Trumpf J. Visible spectrum optical communication and distance sensing for underwater applications //Proc of Robotics and Automation. Piscataway.NJ：IEEE.2004：11-18.

[6]李淑秋，李启虎，张春华.第六讲水下声学传感器发展和应用[J].物理.2006：35（11）：945-952.

[7]Chen X， Shu H， Liang Q， et al. Silent positioning in underwater acoustic sensor networks [J]. IEEE Trans on Vehicular Technology，2008，57（3）：1756-1766.

[8]Zhou Z， Cui J， Bagtzoglou A. Scalable localization with mobility prediction for underwater sensor networks[C].Proc of INFOCOM 2008. Piscataway，NJ：IEEE，2008：2198-2206.

[9]Cheng W，Teymorian A， Ma L， et al. Underwater localization in sparse 3D acoustic sensor networks[COL].Proc of INFOCOM 2008.Piscataway， NJ：IEEE，2008：236-240.

[責任编辑：朱丽娜]