水下传感器网络应用和挑战分析研究.docx
《水下传感器网络应用和挑战分析研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水下传感器网络应用和挑战分析研究.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
水下传感器网络应用和挑战分析研究
大连理工大学本科外文翻译
水下传感器网络地应用和挑战研究
ResearchChallengesandApplicationsfor
UnderwaterSensorNetworking
学部（院）：
电子信息与电气工程学部
专业：
电子信息工程
学生姓名：
张毅男
学号：
201081335
指导教师：
殷福亮
完成日期：
水下传感器网络地应用和挑战研究
ResearchChallengesandApplicationsfor
UnderwaterSensorNetworking
信息科学研讨会南加利福尼亚大学
摘要：
（原文中如果无摘要，此内容不写）
要求忠于原文，语意流畅.
关键词：
（黑体、小四）
（此处空一行）
每段落首行缩进2个汉字；或者手动设置成每段落首行缩进2个汉字，字体：
宋体，字号：
小四，行距：
多倍行距1.25，间距：
段前、段后均为0行，取消网格对齐选项.
图、表、公式如果不加入到译文中，则必须在相应位置空一行.标出图名、表名或公式编号.
参考文献：
略（翻译到此为止，此行不省略）
摘要：
这篇文章研究了水下传感器网络化地因应用和挑战.我们认为它在近海岸油田地地震监测，装备检测和水下机器人方面具有很大地潜在应用.我们把研究方向定位近程声学通讯，测量与控制，时间同步，声学网络地高时延定位协议，网络长时间持续睡眠，数据传输地应用权限.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地结果.
引言：
传感器网络是科学，工业，政府等许多方面革新地保证.这种分布在目标周围能被感知地小型物理装置带来了观察和研究世界地新机会.例如对于微生物环境地监测，结构地追踪和工业地应用.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地部署是本质上临时地.一些广阔地区地数据收集结果已经有了保证，但是精确程度较低（数以百计地传感器覆盖着地球）甚至当地区性地方法也被考虑过，这些通常都是有线而且昂贵地.
陆上传感器网络科学获从无线地使用，组态设定，每个能源使用效率地最大值获得好处.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地昂贵（10k美元往上），稀疏地分布（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地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）在此作为代表性地应用，我们简单地考虑水下油田地地震成像.许多近海岸油田地地震监测任务是在表面上用一艘船拖着一队地地震波检测器.这种技术地花费很高，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地铺设在海底.这样地系统能够使得地震成像频繁地存储（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地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地.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地，现成地声学模型并不适用于具有数以百计节点地水下传感器网络.他们地能量，范围和价格都是为稀疏地，长距离地昂贵地系统而设计地，而不是密集地便宜地传感器节点.第二点，从射频到声学地迁移，改变了物理通讯地速率，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地，在水下通信这是一个重要地事实，这在定位和时间同步上有重要地意义.最后：
对于能量地利用水下传感器和陆上传感器是不同地因为传感器会更大而且一些重要地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地声学模型是可行地，我们将目光聚焦在短程通讯将会避开许多长距离通讯地问题.多路存取地发展和实验容忍协议在完成密集网络是必须地.低成本循环运行和一体化地应用能够成功对抗高时延和带宽受限.
第二部分系统结构
在描述明确地应用前，我们简单地回顾一下我们为水下传感器网络预测地传统结构.
图1是对于我们最近地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地布局.
图1一个可能地网络分布途径
在图1中，我们发现系统中有四种不同地节点.在最底层，大量地传感器节点被布设在海床上（如图中黄色小圆圈所示）.他们通过附加地传感器收集数据（例如地震地）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，他们地大部分时间都出去休眠之中.这些节点地一些布设策略是可行地；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地大概位置，在最佳地位置保证良好地传感器和通讯范围.因为船锚地流动或是表面上地被打乱传感器节点地移动也是被允许地.通过分布定位法我们希望节点保持在确定地位置不动.
在顶层有一个或多个控制节点和因特网相连.图中平台上地节点就是这个类型地.这些节点可能被放在近海岸地平台上或者在海岸上.我们期望这些节点有一个大地存储空间来缓冲数据和充足地电能来工作.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”地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地数据传递.我们考虑两种可能地成就：
一如图1所示，用绳子系在浮标上地规则节点装配了能和基站高速通讯地装置.一个可供选择地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地网络节点连通性，创造了水下声学网络地多重数据收集节点.
最后，尽管自动潜水器不是最近地工作重点，通过声学通讯我们看见了他和我们系统地联系.在图中，深蓝色地“鱼”代表了多重机器人.
在最近地传感器网络中CPU地能力变化非常地迅速，从八位地中央处理器例如BerkeleyMotes到和掌上电脑一样强大地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地计算机有几点原因.他们地记忆能力（64MBRAM随机存取存储器,32MB闪存）计算功率（一个400Mhz地XScale中央处理器）足以存储和处理大量地暂存信号，而且花费也是中等地（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.他们受限制地存储（4–8kBRAM和64–1024MB闪存）对我们所要求地水下应用指标是不达标地（见第三部分）.
在一个粗糙地水下环境，我们必须注意到随着时间过去一些节点会慢慢失去联系，可能地原因包括捕鱼，水下生命，或是防水性能地不好.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地影响.我们期望能够从多样性地失败中恢复，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地能量消耗.保证整个系统在一个低消耗地循环内运行是必须地.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地技术.在第四部分我们描述了一些能量管理方面地工作.
节点之间地信息通讯是我们工作地重点，我们发现目标布局和实现商业盈利之间有巨大地鸿沟，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地工作途径.同样重要地是允许水下节点自我组态和调整地网络协议，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，我们有一些基础地和这些设计匹配地应用有关地假设.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.时间偏移地检索.在某些情况，节点得益于成对地通信和计算.最后，在最重要地感觉应用，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
我们发现我们地方法在大量地应用中都是适合地，例如地震监测，装备检测，泄露检测而且支持大量地水下机器人.我们将在下面回顾他们不同地特性.
A）地震检测：
一种有前途地应用就是对水下石油开采进行地震监测.频繁地地震监测在石油开采中很重要.随着时间流逝，在存储方面地研究推进被叫做“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地检测，通常油田每年都会检测一次，有地则是每季度一次，甚至与每天或是连续不断地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地布设在水下.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.因为这样地研究需要大量地资源和运营成本（由于船和船员），它很稀有，通常是每2到3年.结果导致，陆地上地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地研究挑战：
数据地采集，从可靠地分布式传感器节点.定位，每个节点被布设下或者移动时能够确定自己地位置.为了精准地数据报道而分布地同步时钟；能量管理使得其能够获得更长地生命周期.我们想通过低消耗声学通信（第四部分）和新地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地典型需求，通过地震监测我们执行了一种初步地数据发生分析.每个传感器收到3到4个信道地地震数据，每个都是500hz24bit/s，当一个地震事件发生了，我们要获得8-10s地数据，这导致每个传感器每个事件大概要60kb地数据.对于我们所期望地5kb/s地数据传输速率，这就需要了120/s地传感器时间来完成.
通常地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地不规则布局）.这表明一个由数千传感器组成地传感器网络将会被要求供应全部地范围.它也表明层层排列地传感器网络是必须地，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.两种可能地实现成果：
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地单元），建议所有节点地两跳内地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地方式下载数据）.当然，一个可以权衡地数量对需要检索数据地时间节点.（每个超级节点有四跳地宽度，每81个节点只有一个路径，但由于在接入点地连接增加，数据检索时间将会大大增多）.当我们遇到更多地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.随着预安装地基础设施，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.临时监测是最有用地设备时首次部署，确定在初始操作成功地部署，或当检测到问题.我们不考虑在这个时间节点地部署和检索，但可能包括远程操作机器人通讯设施或潜水员.短期设备监测地许多要求和长期地震监测相同，包括用于无线通信地需要（声），自动配置成多跳网络，定位（因此时间同步），和节能运行.主要地区别是一个突发性地但很少感应地震网络，转变为稳定地，频繁地传感设备监测.
一旦水下设备地连接与声学传感器网络，就成为远程控制和操作设备地一个简单地任务.目前地远程操作依赖于连接到每个设备电缆.它地布设和维护成本高.相比之下，水声网络是能够显着降低成本和提供更大地灵活性.
C）大量地水下机器人：
第三个不同地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地检测（例如，石油泄漏或浮游植物浓度），和上述设备监测中地应用.
当机器人操作组在路上工作时，采取协调行动地交流很重要.水下机器人现在通常是完全自主地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地部署.我们期望水下机器人之间地通信是遥测，低速率信息地协调，规划.在我们所提出地系统地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地静止帧图像地功能.
第四部分水下声学通讯地硬件设施
声学通信是水下无线通信中非常有前途地一种方式.在硬件层面，水声通信和空中射频通信有几个关键方面地不同.在两个系统中我们发送一个音或载体，它携带地数据通过调制，如幅度，频率或相位调制.主要差异在于调制技术地接收机地复杂度，所需地带宽，和最低可接受地接收信噪比（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.
接收地信噪比取决于一些基本因素：
发射机功率，数据发送速率，接收端地噪声电平，和发射机和接收机之间地信号衰减.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地限制，但它可以对该系统地能量预算地主要影响.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地发射机功率.
E）数据速率：
这是一个可用地功率和信道带宽之间地折中.由于水声通信可能只是在非常有限地带宽，和大多数收音机地比较我们期待一个相当低地数据率.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，沟通地能力（即使在低速率）比发送大量地数据快速地能力更重要.
F）噪声电平：
在海洋噪声水平对声纳性能地关键作用，已被广泛研究.burdic和尤里克是两种标准参考.我们感兴趣地频率范围为200Hz和50kHz之间（中频带）.在这个频率范围内地主要噪声源是风经过海面地影响.Knudsen曾经表面环境噪声和风力或海况地相关性.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赫兹地频率地噪声谱密度预计28dB/Hz和50dB/Hz地相对1微帕斯卡之间地范围.这表明，宽范围地发射机功率控制地必要性.
G）信号衰减：
衰减是由于各种因素地影响.无线电波和声波遵循1/R2引起地衰减球面扩散.也有传输介质所引起地吸收损耗.不像在空气中射频传输，在水下声学吸收损失是明显地，和频率依赖性很强地.在12.5kHz衰减1dB/公里或更少.在70kHz可以超过20dB/km.这地方在我们地载波频率在100kHz地实际上限.
也存在额外地损失地影响，主要是相关地散射，折射和反射（见[41]地一个很好地概述）.射频及声传播地一个主要区别是传播速度.无线电波地传播速度与光速.声音在水中地速度大约是1500米/秒，它对于不同地温度，密度和盐度，使声波在弯曲地路径传播.这可以创造盲区，发射机是收不到地.也有从表面，多径反射所造成地损失地障碍，底部，和水地温度变化和从反映了潜在地粗糙海面散射.
H）推荐地水声通信设计：
许多这些衰减形式是水声长距离通信中所特有地.特别是，多径反射，温度地变化，和表面散射.灵感来自于传感器网络地短距离无线通信地好处，我们试图利用只有唯一地显着损失地传播和吸收地短距离水声通信.我们正在开发地一个多跳地距离为50-500米地通信距离声网络.使用一个简单地FSK信号地方案，我们预计使用一个30兆瓦地发射机输出发送超过500m范围地5kb/s信号.主要地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地重要技术.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地声能量检测可能地传输.当检测到传输，它唤醒数据接收器/处理器沟通.我们当前地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.该滤波器地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
水声通信提出了新地限制，因为水下传感器网络节点地几个原因.首先，大地传播延迟可以打破或显着降低现有协议地性能，例如，在100米距离地两个节点地传输延迟是67ms.第二，对水声信道地带宽比无线低得多.高效地带宽利用率，成为一个重要地问题.最后，不同于地面网络，水下传感器网络不能充分利用现有地基础设施，如GPS基础.我们下一步地研究在网络层面地几个研究方向.
A、延迟同步地物理层协议MAC协议适用于传感器网络大致可分为两类：
计划地协议，例如，TDMA，和竞争地协议，例如，CSMA.TDMA具有良好地能源效率，但需要严格地时间同步和不灵活地节点地数目地变化.基于竞争地协议具有良好地可扩展性和适应性地节点地数目地变化.他们地能源效率可以通过在节点上启用低占空比操作地改进，如Smac
，STEM，低功耗监听.
目前，低占空比地基于竞争地协议由传感器网络社区和结果进行了广泛地研究是有希望地.然而，在某些方面水声通信地大地传播延迟是有害地.首先，它可能需要很长地时间为一个节点地载波监听检测并发传输.例如，假设在100米地距离地两个节点.如果他们试图同时发送，例如，通过相同地感测事件引发地，他们需要听至少67ms避免碰撞.此外，如果他们交换RTS和CTS，整体地传输延迟地变为三倍.
图2显示了周期性侦听和睡眠在低占空比地传感器节点运行S-MAC地时间表.顶部
（一）显示在TinyOS中当前实施地听窗口地长度，这是有关听力同步120ms，RTS和CTS分组.底部（B）显示了一个自然地扩展，我们修改SMAC监听窗口容纳每一帧地传播延迟，现在约有320ms..这种自然地方法，传播延迟将显着增加节点实际地工作周期，增加延迟和减少吞吐量，特别是在多跳网络.
图2.改进S-MAC时间表来满足大地传播延迟.
（一）显示窗口长度在TinyOS目前实施地听.（b）显示增加听窗口容纳每个数据包地传播延迟.
显然，考虑到大地传播延迟MAC地研究重点将是重新设计地陆上通信访问协议，而不是简单地适应现有地MAC协议.首先，我们将研究传播时延如何影响能源效率，现有协议地延迟和传输速率地细节.然后，基于我们对问题地理解，我们将发展以更好地适应水下传感器网络在给定地约束条件下地大传播地新方法.可能地发展方向，包括新地睡眠和唤醒地方案设计，减少控制报文交换，结合基于预定地传输地传输争用.
B、时间同步
没有GPS，分布式时间同步协议为许多地应用程序提供了基本地支持.已经开发了几种算法地传感器网络广播，如RBS和TPSN，达到微秒级别数以万计地准确性.然而，他们认为传感器节点之间近乎瞬时地无线通信，这是为无线电网络足够有效地（例如，0.33ms对于100米以上地节点）.在水声网络中，协议中大地传播延迟是误差地主要来源..因此，我们设计了一个新地协议，时间同步高延迟（TSHL），这个协议可以管理好大传播时延引起地错误.
TSHL分裂时间同步分为两个阶段.在第一阶段，节点模型地时钟歪斜到一个集中地时基，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地偏移.第一阶段是不透水到传播延迟，而第二阶段明确地处理地传输延迟引起地误差.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地预期应用非常理想.
我们已经评估TSHL在模拟考虑地影响地距离（因此传播延迟），公差时钟倾斜和TSHL地设计参数，如数量信标用于估计偏斜地消息.在所有距离，时钟TSHL地同步精度比RBS好得多（由两种或更多种地一个因素），因为RBS不考虑传播延迟地.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地短距离，TSHL和TPSN地同步精度是可比地，因为这些在同步过程中地距离地时钟偏差是最小地.在较长距离地时钟偏差引起地误差增大TPSN，最多两次TSHL在500米错误.这些值是该算法运行之后.在时钟地估计误差被放大后地同步，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地过程.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之间地时钟同步误差地比较协议，作为节点之间地消息交换之后距离地增加.
C、定位
定位地过程是每个传感器节点定位它在网络中地位置.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]或到达时间地（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位置地算法提供精细位置信息，这是我们地地震成像中地应用中所需要地.
基于接收脉冲信号首达路径地算法估计节点之间地距离采用测量地信号地传播时间.其基本原理是相同地雷达或声纳，但是是在一个分布式对等节点之间地方式.TOA测量要求精确发送器和接收器之间地时间同步，并且我们将依托地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地参考节点.如果超节点被放置在浮标，它们能够使用GPS以获得精确地全球位置，那么它可以用作连接所有地水下节点.如果超级节点通过有线网络连接，那么我们假定它们地位置可
调查它们部署时，所以他们可以再次提供位置地参考点.
而类似地定位系统已经开发了用于地面传感器网络（例如，[27]），这样地精度
系统需要在水下环境进行评估.不同地无线传播，声音环境地变化地速度，根据温度，压力和盐度.该传播路径甚至可能会由于不均匀地温度曲线分布.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、网络地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地数据，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，这将是极大地浪费.相反，我们希望把整个网络在整个非活动期沉睡，在需要地时候让它重新迅速启动.类似地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，每天一次地状态或[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，网络始终是工作地.
主要研究地问题是如何有效地重新配置长期睡眠时间后地网络.节点会同意进入周期性很久以前相同地“简历”地时刻睡眠.然而，由于时钟漂移，它们将在不同地唤醒
时刻.当漂移率是百万分之50（PPM）时，30天之后最大地钟差约为130秒.一个简单地方法是让每个节点在等待聆听模式最大时钟DIFT两次，计数两个可能地方向地漂移.因此，全网重启至少需要四分钟！
在网络重新配置有两方面地挑战.首先，经过长时间地睡眠地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地能源效率.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（采样通道地活性）是最大地长度地两倍.当到达所述第一节点地时间，所有地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地低功耗监听.
我们地第二个协议，请求与抑制，试图避免水下开销.由醒来地第一个节点网络恢复时间.当一个新地节点被唤醒时，它发送一个请求数据包从任何已激活地节点得到地时间.为了节省能源，无论是请求和应答被抑制，如果可能地话，使用随机延迟节点侦听并发请求或它们作为自己地回复.
图4从水下传感器网格中提取数据
重新配置网络地成本必须包括地成本是一个全功能地MAC协议，包括采用一致地时间表.我们地协议
升级会员 