水下無線傳感器網絡拓撲結構分析研究楊平安

楊平安　冀寶仙

【摘 要】繁榮的海上貿易推動了全球海上通信、信息技術以及無線傳感器網絡（WSN）技術等新技術在航海領域的應用研究和推廣。本文主要通過對水下特殊環境特點的分析，以及對當前技術在陸上的應用研究，提出一種蜂窩網結構的節點部署策略，構造了一個相對穩定且能量均衡的網絡拓撲結構，滿足大部分水下應用研究的需求。

【關鍵詞】水下無線傳感器網絡；節點部署策略；蜂窩網結構；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世紀海上絲綢之路經濟帶”建設是促進海上貿易發展、聯通世界各國最重要的戰略之一。此外，無線傳感器、衛星通信等技術的應用和發展為深海資源的開發、海上航行環境監測以及海上物標監測等領域的應用研究提供了技術支持。

與陸上環境相比，水下環境比較復雜，通常傳輸的信道延遲比較大，因此造成通信沖突發生概率大，而且傳播的多徑效應以及信道容易受干擾，也導致數據傳輸的可靠性差，節點為了保證數據成功發送，需要多次重發數據，使節點的能量消耗很快，加上水下節點部署稀疏，如果存在某一節點能量耗盡，就會導致傳感器網被分割成不相連的子網絡。為了應對這些挑戰，就需要從水下節點的部署、無線傳感器網絡的拓撲結構和空間組網結構以及網絡運行中的能耗控制加以研究，在保證最低耗能的前提下節點有均衡的能量，延長的生命周期。

本文通過提出一種蜂窩網結構的節點分布，通過研究水下無線傳感器網絡的路由協議，根據節點部署稀疏網絡特點，采用能量均衡的數據中繼節點選擇策略。

1 無線傳感器網絡簡介

1.1 WSN節點的組成

如圖1所示，WSN節點主要由傳感、處理、通信和電源四個模塊組成。集成的每個獨立的WSN節點都能夠獨立地完成自身配置，通過節點間互發位置信息，相互協調完成向岸上基站播發監測數據[2]。

1.2 無線傳感器網絡的拓撲結構

如圖2所示，WSN支持星型、簇樹型和網狀三種不同的網絡拓撲結構。

WSN的工作模式是各節點通過一跳或者多跳的方式將采集的數據傳送到協調器，然后通過網關與互聯網進行連接，把數據傳送到岸端服務器進行存儲和處理，并為不同領域應用研究提供數據支持。

2 無線傳感器網絡的通信方式

2.1 水面無線電通信

無線電能夠實現短距離高速通信，可以借助無線傳感器網絡自組織逐跳傳輸的方式，實現水面較大范圍組網通信的要求。但無線電波在海水中傳播的距離受其頻率的影響，信號強度會因頻率較大而衰減，致使傳輸距離減小，一般為50-120cm[4]。也有實驗表明，低頻率的長波無線電波在海水中能夠傳輸的距離大概是6-8m[5]。盡管超低頻率的電磁波在海水中的穿透力較強，但是對于接收端天線的長度要求比較高，而WSN節點體積很小，無法滿足安裝較長天線的要求。因此，該通信方式多用于水上通信網中。

2.2 水下聲波通信

目前，聲波通信已經在水下通信網絡構建中得到廣泛應用。最早研究的水聲通信技術是從水下模擬電話的問世開始的[6]。后來數字通信技術的應用開大使模擬系統逐漸退出歷史舞臺，也為通信組網技術的發展開辟了新的研究思路。

自組織、動態拓撲、自愈功能、多跳路由是傳感器網絡特有的優點，可以實現超遠距離信息傳播，可以分辨海水中的目標，而且傳播速度較快，改變了傳統通過大量鋪設水下電纜的監測模式，大大的節省了成本。

3 水下無線傳感器網絡拓撲結構

3.1 水下無線傳感器網絡拓撲結構

靜態網絡、動態網絡和混合網絡是目前常用的三種網絡拓撲結構。

（1）靜態網絡拓撲結構

靜態網絡拓撲結構一般是指使用現有浮標或者錨的方式部署傳感器節點，使其能可靠地固定在相對靜止的位置。如圖3所示是符合實際應用的三維靜態網絡拓撲結構。該結構主要由處于不同深度的節點構成的二維靜態網絡構建了近似立體空間結構的三維拓撲網絡。

對于靜態網絡，通常采用人工或者自動布置方式實現網絡的初始部署，一般都是稀疏網絡。水下傳感網絡節點出現電量耗盡，或者意外損壞如喑流、風浪造成節點損壞等非正常因素所引起的節點失效問題時，網絡的連通度下降，在一定程度上影響該靜態網絡的應用推廣。

（2）動態網絡拓撲結構

水下動態網絡的的最大特點就是WSN節點可以根據當前水下環境情況，自由地變換空間位置。如圖4所示，在動態網絡中都會在水面放置具有無線收發功能的動態節點，用于收集所有水下節點傳送的數據，并與岸端或附近船載基站進行數據互傳。水下的移動節點，使用水聲通信方式進行通信，這些水下節點可以是自制水下機器人或其他水下航行器，它們通過漂浮裝置實現在水底任意深度的移動。

（3）混合網絡拓撲結構

如圖5所示，混合網絡拓撲結構是在靜態網絡加入自制水下設備、遠端控制設備和水下航行器等移動節點，這些移動節點可看成是部署在靜態網絡中的機動節點。

為了能夠從不同方向接收和發射數據，需要在可移動節點上安裝多個水聲收發器。節點通過評估自身性能，即當前能量高低，以及所處監測環境中數據密度動態地進行網絡重組，保證穩定可靠地監測。此外，通過部署動態節點，能夠有效避免監測盲區，確保重組網絡能夠覆蓋所有監測區域。而且混合網絡結構的部署，可以實現節點自動選擇能夠保證網絡能量均衡，且吞吐量最大化的通信路由。

圖5 混合傳感器網絡拓撲結構

由于水下特殊且復雜的環境特點，為了保證網絡能夠穩定運行，而且也為了節約成本，實際應用中，傳感節點分布密度是呈現稀疏狀的，這些水下節點主要完成對水下環境的長期監測，將采集到的數據存放在數據緩沖區，并通過通信協議發送到網關節點，如果有應用需要，通過新增的移動節點來完成緊急的數據收集。新增移動節點可通過機動船釋放，當節點下降到水下監測網絡區域后，根據規約，通知所有節點把當前釆集數據匯聚到水下移動節點，在接收完采集節點的數據后，移動節點將返回水面，退出網絡，各水下節點將返回到原來的網絡中繼續進行環境監測。

3.2 水下無線傳感器網絡特點

水下無線傳感器網絡的特點總結如表1。

4 傳感器網絡節點的感知模型

4.1 影響因素

水下無線傳感器網絡結構，面臨的最大問題是節點部署策略可達到相同覆蓋區域的同時，實現最小節點投放數量。

實際上，傳感器節點的發射功率大小直接影響其通信范圍，而傳感器可以感知的范圍是與其能夠監測的范圍有關的，典型值就是收到的信號的有效信號強度大于其固有噪聲的最大距離。

節點的成本也嚴重影響節點的部署，水下傳感網絡節點的成本比較昂貴，基于成本的原因，不可能部署太多的節點，也就導致節點的冗余度會比較低，從而帶來節點的通信鏈路的冗余度也較低。節點的能量是保證傳感網絡生命周期的重要因素，因此節點所擁有的能量，決定了部署策略，

4.2 感知模型

構建節點的感知模型是解決節點部署的基礎。常用的感知模型包括0-1感知模型和概率統計感知模型。

0-1感知模型是可用以下數學模型描述：

其中，P（si）表示第i個節點感知到P點的概率，r是節點的感知半徑，d是節點到被感知對象的直線距離。式（1）表示如果被感知對象進入傳感器節點的感知范圍，記概率為1，否則概率為0。

概率統計感知模型如圖6所示。

其中，r為感知半徑，ε是感知不確定區間。數學模型如下：

其中，P（si）表示節點Si感知到P點的概率，r是感知半徑，d是節點到被感知對象的直線距離。α=r-ε，λ和β是表征節點感知能力的系數。

5 蜂窩網結構的節點部署策略

本文提出了一種蜂窩網結構的節點部署策略。對于部署在水下的節點，其發射功率都可調整。因此網絡中，會存在高功率長距離的發送模式和低功率短距離的多跳發送模式，當選擇一種通信模式下，如何部署節點，可實現水下傳感器網中能耗均衡。或者通過調整節點部署位置，通過節點運行模式和節點位置綜合起來，使節點能耗均衡，網絡生存期最大化。

如圖7所示是一種蜂窩網結構的節點部署示意圖。采用靜態節點部署方法（可以將移動節點臨時加入網絡中），在淺水區域中，將n個節點被安置在可看作等深度的平面上，并以匯聚節點為中心的正六邊形頂點上，由于部署水深程度基本一致，構成一個淺水蜂窩網監測傳感器網絡。由于節點類型相同，傳輸方向都指向中心節點，感知半徑R具有與通信半徑r相同的最大能力，其中r可根據需求設定大小，總能滿足r≥R條件。

每個工作周期，構建的網絡采用多跳的傳輸模式傳送信息。如圖7所示，假設匯聚節點編號為S0，傳感器節點分別為s1，s2，...，s6，正六邊形上的六個節點都向匯聚節點S0傳輸數據，對于s1和s6節點的數據選擇向S0還是S1發送，取決于這兩個匯聚節點的能量大小，選擇能量大的傳輸，以便向上一級匯聚節點繼續傳輸，保證整個網絡節點的能量均衡。如果網絡中某個節點失效，則選擇消耗總能量最低的路徑傳送信息，確保整個網絡的能量始終平衡。

6 結束語

通過分析適用于水下環境的靜態、動態和混合結構的無線傳感網拓撲，借鑒陸上蜂窩網的架構采用蜂窩網結構的部署節點，可以保證整個網絡傳輸可靠和暢通，同時提高能效，延長網絡的生命周期。未來希望從網絡協議和最優化路由兩個方面開發更具有應用價值的無線傳感網。

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[責任編輯：朱麗娜]