水下传感器网络的应用和挑战研究Word文档格式.docx
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我们认为它在近海岸油田的地震监测，装备检测和水下机器人方面具有很大的潜在应用。
我们把研究方向定位近程声学通讯，测量与控制，时间同步，声学网络的高时延定位协议，网络长时间持续睡眠，数据传输的应用权限。
我们把初步研究放在短程声波通讯硬件上，并分析高时延时间同步的结果。
引言：
传感器网络是科学，工业，政府等许多方面革新的保证。
这种分布在目标周围能被感知的小型物理装置带来了观察和研究世界的新机会。
例如对于微生物环境的监测，结构的追踪和工业的应用。
今日传感器网络正在被安排应用在地面上，相比之下水下运行仍旧有许多限制。
远程控制淹没经常被使用，但是活动和被使用硬件他们的部署是本质上临时的。
一些广阔地区的数据收集结果已经有了保证，但是精确程度较低（数以百计的传感器覆盖着地球）甚至当地区性的方法也被考虑过，这些通常都是有线而且昂贵的。
陆上传感器网络科学获从无线的使用，组态设定，每个能源使用效率的最大值获得好处。
他们分析了低成本节点（大概100美元）密集分布（大概100米以内）短程，多次反射通讯。
相比之下，今日水下声学传感器网络典型的昂贵（10k美元往上），稀疏的分布（很少节点间隔在千米），典型通讯经过长距离直达基站而不是互相通讯。
我们通常探索如何把陆上传感器网络的有点移植到水下声学传感器网络上去。
水下传感器网络有许多潜在应用（在第三部分）在此作为代表性的应用，我们简单的考虑水下油田的地震成像。
许多近海岸油田的地震监测任务是在表面上用一艘船拖着一队的地震波检测器。
这种技术的花费很高，而地震调查很少能被发现，例如：
每二到三年，相比之下，传感器网络节点花费很低而且能够长久的铺设在海底。
这样的系统能够使得地震成像频繁的存储（也许几个月），也能够帮助资源勘探和油条开采。
为了实现水下应用我们可以从不间断的地表传感器研究借鉴到许多设计准则和工具。
然而有一些挑战是从根本上不同的。
第一，无线电波不适合水下通信。
因为传输极端受限（微波通常传输50-100cm），而声学遥测对于水下通信来说是很有前途的，现成的声学模型并不适用于具有数以百计节点的水下传感器网络。
他们的能量，范围和价格都是为稀疏的，长距离的昂贵的系统而设计的，而不是密集的便宜的传感器节点。
第二点，从射频到声学的迁移，改变了物理通讯的速率，从声速（1.5×
103m/s）到光速（3×
108m/s）——相差五个数量级之多。
然而对于短程射频通信传播时延是可以忽略的，在水下通信这是一个重要的事实，这在定位和时间同步上有重要的意义。
最后：
对于能量的利用水下传感器和陆上传感器是不同的因为传感器会更大而且一些重要的应用会需要大量数据但却很稀少（一周一次或更少）。
因而我们把重点放在这三个方面：
硬件，声学传感器网络节点（第四部分），协议，水下传感器网络自我分析，物理层协议设计，时间同步和定位（第五部分）主要运行，能量感知数据储藏和推荐（第五部分）。
我们相信低成本能量消耗低的声学模型是可行的，我们将目光聚焦在短程通讯将会避开许多长距离通讯的问题。
多路存取的发展和实验容忍协议在完成密集网络是必须的。
低成本循环运行和一体化的应用能够成功对抗高时延和带宽受限。
第二部分系统结构
在描述明确的应用前，我们简单的回顾一下我们为水下传感器网络预测的传统结构。
图1是对于我们最近的实验设计我做了一个图。
我们预见那种能使传感器具有更大资源的布局。
图1一个可能的网络分布途径
在图1中，我们发现系统中有四种不同的节点。
在最底层，大量的传感器节点被布设在海床上（如图中黄色小圆圈所示）。
他们通过附加的传感器收集数据（例如地震的）通过短距离声学调制解调器和其他节点通讯。
他们通过蓄电池产生作用而且为了长时期工作，他们的大部分时间都出去休眠之中。
这些节点的一些布设策略是可行的；
在这里我们让他们固定在海面上（为了保护他们也可以被埋起来）。
系住绳子可以让节点保持在被定位好的大概位置，在最佳的位置保证良好的传感器和通讯范围。
因为船锚的流动或是表面上的被打乱传感器节点的移动也是被允许的。
通过分布定位法我们希望节点保持在确定的位置不动。
在顶层有一个或多个控制节点和因特网相连。
图中平台上的节点就是这个类型的。
这些节点可能被放在近海岸的平台上或者在海岸上。
我们期望这些节点有一个大的存储空间来缓冲数据和充足的电能来工作。
控制节点将和传感器节点通过有线水下声学调制解调器来直接相连。
在大型网络中，一种叫做“超级节点”的第三类节点也有使用。
超级节点连接到高速因特网上，并且可以和基站进行高效的数据传递。
我们考虑两种可能的成就：
一如图1所示，用绳子系在浮标上的规则节点装配了能和基站高速通讯的装置。
一个可供选择的方案就是把这些节点放在海里通过光纤电缆和陆上基站相连。
超级节点允许更富余的网络节点连通性，创造了水下声学网络的多重数据收集节点。
最后，尽管自动潜水器不是最近的工作重点，通过声学通讯我们看见了他和我们系统的联系。
在图中，深蓝色的“鱼”代表了多重机器人。
在最近的传感器网络中CPU的能力变化非常的迅速，从八位的中央处理器例如BerkeleyMotes到和掌上电脑一样强大的32位中央处理器例如：
IntelStargates。
我们可以发现Stargate-class作为水下传感器网络最受欢迎的计算机有几点原因。
他们的记忆能力（64MBRAM随机存取存储器,32MB闪存）计算功率（一个400Mhz的XScale中央处理器）足以存储和处理大量的暂存信号，而且花费也是中等的（每个大概600美元）。
尽管遥控类电脑在花费和能量表现方面非常吸引人。
他们受限制的存储（4–8kBRAM和64–1024MB闪存）对我们所要求的水下应用指标是不达标的（见第三部分）。
在一个粗糙的水下环境，我们必须注意到随着时间过去一些节点会慢慢失去联系，可能的原因包括捕鱼，水下生命，或是防水性能的不好。
因此我们要求基础布局有一些冗余，所以失去一个独立节点并不能造成过大的影响。
我们期望能够从多样性的失败中恢复，移动节点或是布局复位。
依靠电能工作，传感器节点必须仔细监督其本身的能量消耗。
保证整个系统在一个低消耗的循环内运行是必须的。
另外，我们期望通过整合使得节点长期（几天或一个月）完全关闭。
我们也期望增强长时间沉睡的技术。
在第四部分我们描述了一些能量管理方面的工作。
节点之间的信息通讯是我们工作的重点，我们发现目标布局和实现商业盈利之间有巨大的鸿沟，长距离，高能量，点对点，声波通信。
在第四部分我们讨论了我们达到短距离低能耗的工作途径。
同样重要的是允许水下节点自我组态和调整的网络协议，例如时间同步，定位，路径安排以及测量与控制。
我们在第四部分讨论这些协议。
最后，我们有一些基础的和这些设计匹配的应用有关的假设。
第一，应用从本地信息处理和动态数据存储中获利。
存储器被用来缓冲数据来管理低速通讯。
时间偏移的检索。
在某些情况，节点得益于成对的通信和计算。
最后，在最重要的感觉应用，我们期待数据能够完全通过因特网或是专用网络送达用户。
第三部分应用部分
我们发现我们的方法在大量的应用中都是适合的，例如地震监测，装备检测，泄露检测而且支持大量的水下机器人。
我们将在下面回顾他们不同的特性。
A）地震检测：
一种有前途的应用就是对水下石油开采进行地震监测。
频繁的地震监测在石油开采中很重要。
随着时间流逝，在存储方面的研究推进被叫做“时间推移地震”
对于检测地底行为和引入干涉很有用。
陆上油田能被很频繁的检测，通常油田每年都会检测一次，有的则是每季度一次，甚至与每天或是连续不断的在某些天然气存储场。
然而水下油田检测更加具有挑战性，部分原因是地震传感器普遍不能长久的布设在水下。
此外，水下地震检测通常是一艘船携带者许多水下检测器作为传感器和一个大炮作为激励者。
因为这样的研究需要大量的资源和运营成本（由于船和船员），它很稀有，通常是每2到3年。
结果导致，陆地上的存储管理方法不能适用于水下。
使用一个传感器网络引起了许多的研究挑战：
数据的采集，从可靠的分布式传感器节点。
定位，每个节点被布设下或者移动时能够确定自己的位置。
为了精准的数据报道而分布的同步时钟；
能量管理使得其能够获得更长的生命周期。
我们想通过低消耗声学通信（第四部分）和新的高延时时间同步协议，多路径，预定数据路径和大多操作（第五部分）来解决这个问题。
为了理解声学传感器的典型需求，通过地震监测我们执行了一种初步的数据发生分析。
每个传感器收到3到4个信道的地震数据，每个都是500hz24bit/s，当一个地震事件发生了，我们要获得8-10s的数据，这导致每个传感器每个事件大概要60kb的数据。
对于我们所期望的5kb/s的数据传输速率，这就需要了120/s的传感器时间来完成。
通常的油田长宽都在八千米或者更少，4-d地震需求传感器接近于50到100米格子（我们假设地震分析能够适应检测并知道传感器的不规则布局）。
这表明一个由数千传感器组成的传感器网络将会被要求供应全部的范围。
它也表明层层排列的传感器网络是必须的，这样使得一些超级节点通过降低噪声声学信道连接到用户。
两种可能的实现成果：
高速射频基础通信或是有线连接到一些节点上。
对于网络布设我们假设每25个节点就有一个超级节点（一个5×
5的单元），建议所有节点的两跳内的超级节点和时间来检索所有数据是大约一个小时（假设每个超级节点都可以以并行的方式下载数据）。
当然，一个可以权衡的数量对需要检索数据的时间节点。
（每个超级节点有四跳的宽度，每81个节点只有一个路径，但由于在接入点的连接增加，数据检索时间将会大大增多）。
当我们遇到更多的问题时我们想改进这个设计。
B）设备检测和控制：
水下设备检测是第二个应用实例。
随着预安装的基础设施，长期设备监控将会实现。
然而，临时监测将受益于低功耗，无线通信。
临时监测是最有用的设备时首次部署，确定在初始操作成功的部署，或当检测到问题。
我们不考虑在这个时间节点的部署和检索，但可能包括远程操作机器人通讯设施或潜水员。
短期设备监测的许多要求和长期地震监测相同，包括用于无线通信的需要（声），自动配置成多跳网络，定位（因此时间同步），和节能运行。
主要的区别是一个突发性的但很少感应地震网络，转变为稳定的，频繁的传感设备监测。
一旦水下设备的连接与声学传感器网络，就成为远程控制和操作设备的一个简单的任务。
目前的远程操作依赖于连接到每个设备电缆。
它的布设和维护成本高。
相比之下，水声网络是能够显着降低成本和提供更大的灵活性。
C）大量的水下机器人：
第三个不同的应用是水下自主机器人组。
应用包括协调自适应化学泄漏或生物学现象的检测（例如，石油泄漏或浮游植物浓度），和上述设备监测中的应用。
当机器人操作组在路上工作时，采取协调行动的交流很重要。
水下机器人现在通常是完全自主的但在运算过程中基本无法沟通，相互配合，或连接，因而能够通信，但受限于深度和可操作性的部署。
我们期望水下机器人之间的通信是遥测，低速率信息的协调，规划。
在我们所提出的系统的数据传输速率是不足以支持全动态视频和远程操作，但我们希望能够支持在线交付并寄回的静止帧图像的功能。
第四部分水下声学通讯的硬件设施
声学通信是水下无线通信中非常有前途的一种方式。
在硬件层面，水声通信和空中射频通信有几个关键方面的不同。
在两个系统中我们发送一个音或载体，它携带的数据通过调制，如幅度，频率或相位调制。
主要差异在于调制技术的接收机的复杂度，所需的带宽，和最低可接受的接收信噪比（SNR）信噪比通常表达为Eb/No每比特能量对噪声谱密度。
例如，二进制频移键控（FSK），约14dBEb/No对于1×
10-6误码率。
接收的信噪比取决于一些基本因素：
发射机功率，数据发送速率，接收端的噪声电平，和发射机和接收机之间的信号衰减。
我们在下面回顾这些约束。
D）发射功率：
没有对发射功率有基本的限制，但它可以对该系统的能量预算的主要影响。
为了能源效率和减少干扰相邻发射机，我们希望使用尽可能最小的发射机功率。
E）数据速率：
这是一个可用的功率和信道带宽之间的折中。
由于水声通信可能只是在非常有限的带宽，和大多数收音机的比较我们期待一个相当低的数据率。
我们看到目前速率为5kb／s，也许到20kb/在机器人控制应用方面，沟通的能力（即使在低速率）比发送大量的数据快速的能力更重要。
F）噪声电平：
在海洋噪声水平对声纳性能的关键作用，已被广泛研究。
burdic和尤里克是两种标准参考。
我们感兴趣的频率范围为200Hz和50kHz之间（中频带）。
在这个频率范围内的主要噪声源是风经过海面的影响。
Knudsen曾经表面环境噪声和风力或海况的相关性。
风力强度加倍则环境噪声增加约5dB。
峰值风噪声发生约500Hz，和然后下降约6dB每倍频。
在10000赫兹的频率的噪声谱密度预计28dB/Hz和50dB/Hz的相对1微帕斯卡之间的范围。
这表明，宽范围的发射机功率控制的必要性。
G）信号衰减：
衰减是由于各种因素的影响。
无线电波和声波遵循1/R2引起的衰减球面扩散。
也有传输介质所引起的吸收损耗。
不像在空气中射频传输，在水下声学吸收损失是明显的，和频率依赖性很强的。
在12.5kHz衰减1dB/公里或更少。
在70kHz可以超过20dB/km。
这地方在我们的载波频率在100kHz的实际上限。
也存在额外的损失的影响，主要是相关的散射，折射和反射（见[41]的一个很好的概述）。
射频及声传播的一个主要区别是传播速度。
无线电波的传播速度与光速。
声音在水中的速度大约是1500米/秒，它对于不同的温度，密度和盐度，使声波在弯曲的路径传播。
这可以创造盲区，发射机是收不到的。
也有从表面，多径反射所造成的损失的障碍，底部，和水的温度变化和从反映了潜在的粗糙海面散射。
H）推荐的水声通信设计：
许多这些衰减形式是水声长距离通信中所特有的。
特别是，多径反射，温度的变化，和表面散射。
灵感来自于传感器网络的短距离无线通信的好处，我们试图利用只有唯一的显着损失的传播和吸收的短距离水声通信。
我们正在开发的一个多跳的距离为50-500米的通信距离声网络。
使用一个简单的FSK信号的方案，我们预计使用一个30兆瓦的发射机输出发送超过500m范围的5kb/s信号。
主要的限制是由扩散损失和海洋背景噪声。
低功耗监听是基于射频传感器网络的重要技术。
我们也正在开发一个非常低功耗唤醒接收机更好地支持低功耗监听。
该接收机不用于数据交换，但只有通过检查通道中的声能量检测可能的传输。
当检测到传输，它唤醒数据接收器/处理器沟通。
我们当前的硬件设计采用双栅场效应晶体管配置为一个共源共栅放大器，与无源滤波器和检测器。
该滤波器的Q值为30，和一个中心频率为18KHz。
电路消耗100mA电流在5伏特。
第五部分：
高时延网络协议
水声通信提出了新的限制，因为水下传感器网络节点的几个原因。
首先，大的传播延迟可以打破或显着降低现有协议的性能，例如，在100米距离的两个节点的传输延迟是67ms。
第二，对水声信道的带宽比无线低得多。
高效的带宽利用率，成为一个重要的问题。
最后，不同于地面网络，水下传感器网络不能充分利用现有的基础设施，如GPS基础。
我们下一步的研究在网络层面的几个研究方向。
A、延迟同步的物理层协议MAC协议适用于传感器网络大致可分为两类：
计划的协议，例如，TDMA，和竞争的协议，例如，CSMA。
TDMA具有良好的能源效率，但需要严格的时间同步和不灵活的节点的数目的变化。
基于竞争的协议具有良好的可扩展性和适应性的节点的数目的变化。
他们的能源效率可以通过在节点上启用低占空比操作的改进，如Smac
，STEM，低功耗监听。
目前，低占空比的基于竞争的协议由传感器网络社区和结果进行了广泛的研究是有希望的。
然而，在某些方面水声通信的大的传播延迟是有害的。
首先，它可能需要很长的时间为一个节点的载波监听检测并发传输。
例如，假设在100米的距离的两个节点。
如果他们试图同时发送，例如，通过相同的感测事件引发的，他们需要听至少67ms避免碰撞。
此外，如果他们交换RTS和CTS，整体的传输延迟的变为三倍。
图2显示了周期性侦听和睡眠在低占空比的传感器节点运行S-MAC的时间表。
顶部
（一）显示在TinyOS中当前实施的听窗口的长度，这是有关听力同步120ms，RTS和CTS分组。
底部（B）显示了一个自然的扩展，我们修改SMAC监听窗口容纳每一帧的传播延迟，现在约有320ms.。
这种自然的方法，传播延迟将显着增加节点实际的工作周期，增加延迟和减少吞吐量，特别是在多跳网络。
图2.改进S-MAC时间表来满足大的传播延迟。
（一）显示窗口长度在TinyOS目前实施的听。
（b）显示增加听窗口容纳每个数据包的传播延迟。
显然，考虑到大的传播延迟MAC的研究重点将是重新设计的陆上通信访问协议，而不是简单地适应现有的MAC协议。
首先，我们将研究传播时延如何影响能源效率，现有协议的延迟和传输速率的细节。
然后，基于我们对问题的理解，我们将发展以更好地适应水下传感器网络在给定的约束条件下的大传播的新方法。
可能的发展方向，包括新的睡眠和唤醒的方案设计，减少控制报文交换，结合基于预定的传输的传输争用。
B、时间同步
没有GPS，分布式时间同步协议为许多的应用程序提供了基本的支持。
已经开发了几种算法的传感器网络广播，如RBS和TPSN，达到微秒级别数以万计的准确性。
然而，他们认为传感器节点之间近乎瞬时的无线通信，这是为无线电网络足够有效的（例如，0.33ms对于100米以上的节点）。
在水声网络中，协议中大的传播延迟是误差的主要来源。
。
因此，我们设计了一个新的协议，时间同步高延迟（TSHL），这个协议可以管理好大传播时延引起的错误。
TSHL分裂时间同步分为两个阶段。
在第一阶段，节点模型的时钟歪斜到一个集中的时基，之后，他们变得歪斜同步。
在第二阶段他们交换歪斜补偿同步消息以确定其确切的偏移。
第一阶段是不透水到传播延迟，而第二阶段明确地处理的传输延迟引起的误差。
这将导致在快速相对同步（第1阶段结束），而且还允许我们做事后同步。
这两个属性是在我们的预期应用非常理想。
我们已经评估TSHL在模拟考虑的影响的距离（因此传播延迟），公差时钟倾斜和TSHL的设计参数，如数量信标用于估计偏斜的消息。
在所有距离，时钟TSHL的同步精度比RBS好得多（由两种或更多种的一个因素），因为RBS不考虑传播延迟的。
图3比较TSHL对
TPSN，一个协议，认为传播延迟，但不能时钟歪斜。
在小于50μm的短距离，TSHL和TPSN的同步精度是可比的，因为这些在同步过程中的距离的时钟偏差是最小的。
在较长距离的时钟偏差引起的误差增大TPSN，最多两次TSHL在500米错误。
这些值是该算法运行之后。
在时钟的估计误差被放大后的同步，所以TSHL甚至更好当同步消息做了很少以节约能量。
我们正在实施TSHL的过程。
之前我们短程声学调制解调器准备好了，我们已经使用在空中与板球平台作为声通信代替水下通信。
图3.TSHL和TPSNlike之间的时钟同步误差的比较协议，作为节点之间的消息交换之后距离的增加。
C、定位
定位的过程是每个传感器节点定位它在网络中的位置。
开发定位算法用于地面传感器网络要么基于该信号强度[2]，[3]或到达时间的（接收脉冲信号首达路径）。
信号强度仅提供邻近信息，但不准确TOA位置的算法提供精细位置信息，这是我们的地震成像中的应用中所需要的。
基于接收脉冲信号首达路径的算法估计节点之间的距离采用测量的信号的传播时间。
其基本原理是相同的雷达或声纳，但是是在一个分布式对等节点之间的方式。
TOA测量要求精确发送器和接收器之间的时间同步，并且我们将依托的时间同步工作将在第五部分中描述。
一旦测量值被相邻之间做节点，多点算法可以应用于为每个节点计算其相对位置一定的参考节点。
如果超节点被放置在浮标，它们能够使用GPS以获得精确的全球位置，那么它可以用作连接所有的水下节点。
如果超级节点通过有线网络连接，那么我们假定它们的位置可
调查它们部署时，所以他们可以再次提供位置的参考点。
而类似的定位系统已经开发了用于地面传感器网络（例如，[27]），这样的精度
系统需要在水下环境进行评估。
不同的无线传播，声音环境的变化的速度，根据温度，压力和盐度。
该传播路径甚至可能会由于不均匀的温度曲线分布。
此外，由于波节点运动需要加以考虑。
所有这些因素都会影响定位精度和需要研究。
D、网络的自我调节和长时间休眠
应用程序（地震实验）会定期会被触发，所有节点都必须在几分钟内收集高分辨率地震的数据，然后在几个月可能会无活动。
保持网络数月在同一时间，以支持偶尔全面运作测量，这将是极大的浪费。
相反，我们希望把整个网络在整个非活动期沉睡，在需要的时候让它重新迅速启动。
类似的方法也适用于长期设备监控，其中节点只需要检查装备一个星期，每天一次的状态或[33]。
这类网络配置实际上是“传感网和暂停恢复“。
它比低占空比MAC协议不同，它提供了一种错觉，网络始终是工作的。
主要研究的问题是如何有效地重新配置长期睡眠时间后的网络。
节点会同意进入周期性很久以前相同的“简历”的时刻睡眠。
然而，由于时钟漂移，它们将在不同的唤醒
时刻。
当漂移率是百万分之50（PPM）时，30天之后最大的钟差约为130秒。
一个简单的方法是让每个节点在等待聆听模式最大时钟DIFT两次，计数两个可能的方向的漂移。
因此，全网重启至少需要四分钟！
在网络重新配置有两方面的挑战。
首先，经过长时间的睡眠的重新配置阶段应尽可能短尽可能快速地重新启动网络。
传感器节点还需要提高这些时期留下来的能源效率。
另一挑战是如何配置网络，使得当网络重新启动时其他协议如MAC可以迅速恢复。
我们提出两种方法。
第一个是水下低功耗监听。
紧接着节点异步醒来，他们成立了一个计时器，时钟漂移和执行低功耗监听（采样通道的活性）是最大的长度的两倍。
当到达所述第一节点的时间，所有的节点都应该重新启动。
它发出了一个“网络上”立即消息和整个网络开始充斥消息。
当接收到传播消息，节点确认网络已经恢复，数据传输可以马上开始。
这种方法在水下很快会重新启动网络和保持节点高效节能的低功耗监听。
我们的第二个协议，请求与抑制，试图避免水下开销。
由醒来的第一个节点网络恢复时间。
当一个新的节点被唤醒时，它发送一个请求数据包从任何已激活的节点得到的时间。
为了节省能源，无论是请求和应答被抑制，如果可能的话，使用随机延迟节点侦听并发请求或它们作为自己的回复。
图4从水下传感器网格中提取数据
重新配置网络的成本必须包括的成本是一个全功能的MAC协议，包括采用一致的时间表。
我们的协议，同时支持随机接
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