水下传感器网络协议研究专业：计算机科学与技术姓名：周芳学号：2015216140天津大学计算机科学与技术学院二零一六年一月水下无线传感器网络是由一系列具有声学通信能力和计算能力的传感器节点构成的水下检测网络系统，在海洋资源勘测，水污染检测、海洋地震监控、战术监视等领域都有着广泛的应用前景。

近些年来，有关水下传感器网络方面的研究已经引起各国政府和研究机构的广泛关注，成为当前研究热点之一。

水下传感器网络依靠声音进行通信，声音在水中的传播速度较低，数据往往通过多个中间节点的转发才能传输到基站。

由于水声网络本身具有能量受限、高延迟、低带宽、信号衰减、信道质量依环境变化等特点，使得水下无线传感器网络中路径选择的研究面临巨大挑战。

无线传感器网络具有与传统网络不同的特点, 且与应用高度相关。

传统网络及移动自组织网络的路由协议不能有效地用于无线传感器网络, 因而研究人员提出了众多的路由协议。

在介绍了无线传感器网络的特点及路由协议设计的关键问题之后, 总结分析了现存的路由协议的分类方法, 并对各类路由协议从路由策略、路由协议的特点、性能等多方面进行了对比分析, 指出了各类路由协议的优缺点及其包含的路由协议。

关键字：水下传感器网络，路由协议，路径选择1 绪论 (1)2 水下传感器网络拓扑 (3)2.1研究现状 (5)3 水下网络协议分析 (7)3.1基于深度信息的水下路由协议 (7)3.2无线传感器网络MAC 协议的分析 (8)3.3 VBF路由协议 (10)3.4 HHVBF路由协议 (13)4 路由协议的性能比较 (16)5研究展望 (17)参考文献 (17)1 绪论地球表面的70%都是海洋，随着近年来各国对海洋资源开发的加快，需要对海洋环境、地质变化、海洋资源等进行长时间连续稳定的监测，因此研究人员对水下信息传输技术的研究越来越重视。

由于电磁波在海水中的衰减非常大，而声波在水中具有更好的传播性，使得声音成为水下通信技术的较好选择。

水下声学传感器网络是无线传感器网络技术的一种典型应用，它通常是由水下传感器节点、海面的Sink节点和地面接收基站组成的通信网络，水下传感器网络随机或者固定地分布于目标监测区域，水声传感器节点负责采集数据，并通过多跳的方式传输至海面Sink节点，Sink节点通过无线网络接入到主干网，研究人员可以通过该网络从传感器节点获取采集到的数据如图1.1，或者通过修改传感器的配置达到控制网络的目的。

图 1.1 源节点向水面发送报文水下无线传感器网络（Underwwater Wireless Sensor Network，UWSN）是指由具有声学通信与计算能力的传感器节点所构成的水下检测网络系统。

通过把具有低能耗、能够在一定距离内通信的传感器节点分布到指定的海域中，节点利用传感器对其所属的网络分布水域内的信息进行监测和信息采集，经过对信息进行数据融合与数据压缩的处理之后，通过其他的传感器节点，将采集到的信息送到部署在水面上或者岸边的基站。

针对具体的应用，如海洋资源勘测，水污染检测、海洋地震监控、战术监视等，水下传感器节点可以以不同的部署方式在复杂多变的海洋环境中对完成海洋状况的监测。

水下无线传感器网络能够为海洋环境保护、海洋资源开发与利用、自然灾害监测、船舶航行、海洋工程和海洋军事活动等提供高效的技术设备和信息交换平台。

所以，研究水下传感器网络具有非常深远的意义。

作为海洋科学研究的一种强大技术支持和手段，水下无线传感器网络具有非常广泛的应用领域[5][6]。

这些应用可以被大体归纳为以下三类：（1）海洋监测与灾害预警。

水下无线传感器网络可以对海洋执行污染监测（如化学污染，生物污染、核污染等）、洋流监测、海洋生物监测（如对鱼类或微生物进行跟踪）、海底地震监测、海啸灾害预警等。

通过对海洋生物的监测，能够了解解和预测人类活动对海洋生态系统所造成的影响。

通过对海洋行为表现的持续监测，及时进行海啸或地震等灾害预警，从而能够大大避免由灾害造成的人力及物力大的损失。

（2）资源探索。

主要是指探索和有效利用海洋资源。

海洋蕴含有丰富的矿物质资源，水下传感器网络可以采集海洋油气资源勘探所需的数据信息，确定水下油田的位置，铺设海底电缆，并协助勘探有价值的矿物质资源。

（3）军事应用。

在国防军事领域，水下无线传感器网络中的传感器节点通常分布于海底或者海水中，传感器节点之间可以进行协同监视，根据收集到的信息进行目标侦察与目标定位，从而对进入特定海域的军事设备进行及时有效地发现与监控。

2 水下传感器网络拓扑水下传感器网络拓扑研究是一个开放性的研究领域，对于不同的海洋环境和应用要求需采用不同的网络拓扑结构。

目前广泛采用的水下无线传感器网络拓扑主要有二维、静态三维、三维带AUV三种如图。

图2.1水声传感器网络二维网络拓扑结构图2.2水声传感器网络静态三维网络拓扑结构二维静态网络拓扑中的二维是指获得的信息维数。

水下传感器节点固定在海底，根据不同的成簇策略传感器节点自组形成簇，水下节点采集的信息监测的数据经由水平链路直接或多跳传送给簇头节点，簇头节点将融合的数据经垂直链路传送给水面中继站或船基接收站，然后与岸基接收站或通讯卫星进行通信。

三维静态网络拓扑的水下节点通过锚链被固定在海底，通过调整锚链的长度使节点分布在不同深度，监测一定区域的、不同深度的海洋环境信息，每个节点必须能够中继信号发送给水面汇聚节点，因此要求每个节点到水面中继站至少有一条链路存在，它比二维网络更好的获得水下采样。

三维带AUV 网络拓扑是对三维静态网络拓扑的扩充。

AUV可以到达海洋中的不同深度，AUV将采集、监测到的数据发送给水底的传感器网络，经由水下节点发送到水面。

图2.3水下传感器网络架构2.1研究现状水面网关主要负责水下网络与陆地无线网络的通信。

因此水面网关不仅要有声调制解调器，用于水声网络通信，而且要有无线调制解调器与卫星或岸基的网络进行通信。

水面网关可以是以浮标为载体，也可以以水面舰船为载体。

传统的水下传感器网络通常部署单个水面网关，然而对于大范围、节点数目庞大的应用场合，水下多条路由会带来巨大的传输延迟。

近年来有的学者提出了多水面网关的研究思路来解决高延迟和能耗的问题。

同陆上传感器网络一样，路由协议是水下传感器网络的重要研究内容之一，其目的是在水下数据源节点和水面转发节点间建立一条数据传输路径。

目前陆上传感器网络的路由协议已经得到了很大的发展，如以GPSR 为代表的地理位置路由协议、以SPIN 为代表的平面路由协议、以LEACH 为代表的分层路由协议、以SPEED 为代表的基于QoS 的路由协议等。

但是大部分陆上无线传感器网络路由协议不适合水下无线传感器网络，主要原因如下。

（1）水下声学通信环境极为恶劣水下声学通信是目前唯一有效的水下通信方式，但水下声学通信环境极为恶劣。

声波在水中的传播速度只有1 500 m/s，且随着海水深度、盐度、密度的变化而发生变化，带来传播时延长、带宽有限、传播时延动态变化等诸多不利因素，这些不利因素是陆上传感器网络路由协议设计时不曾也不需要考虑的。

另外，大部分陆上传感器网络路由协议发送数据前需要进行相关信息的交换，如SPIN协议发送数据前通过协商来确定其他节点是否需要该数据，或者直接使用洪泛技术，这些方法严重消耗节点能量，而水下传感器网络节点使用电池供电，基本上是一次性使用，减少信息的发送量是设计其路由协议时要考虑的首要问题。

（2）水下传感器网络三维拓扑结构的动态变化陆上传感器网络以二维形式为主，显然水下传感器网络是三维形式的，由于节点会随洋流浮动，导致水下传感器网络三维拓扑的动态变化。

目前在国外一些水下传感器网络的研究中，将水下节点下锚固定以应对洋流的影响，价格昂贵且组网时间过长，只适用于小规模的网络。

笔者认为，真正意义上的水下传感器网络除了网关节点漂浮在水面外，其大量水下节点应可以直接布撒到预定海域，然后悬浮在水下各个深度进入工作状态。

水下路由最理想的状况是水下各个节点的三维位置信息是互相知道的，转发节点自己选择一条理想的转发路径，但这在水下是行不通的，原因有两个。

一是GPS 信号无法穿透海水，因此水下节点不可能通过搭载定位装置获取其三维位置信息；二是如果不使用GPS，节点只能通过定位算法来解算其位置，这也是一个巨大的研究挑战，迄今仍无突破性的进展，同时定位算法需要各个节点定期交换路由信息，此方法带来的巨大的通信量是水下传感器网络无法承受的。

目前国内外对水下传感器网络路由协议的研究仍处于起步阶段，主要是对现有陆上协议进行改造。

3 水下网络协议分析3.1基于深度信息的水下路由协议在实际的水下组网应用中，数据转发节点位于水面之上，水下传感器节点采集到的数据最终要被转发到水面转发节点，如图3.1 所示。

随着数据的转发，其所经过的转发节点的深度将越来越小，直至到达水面，相比水下三维位置信息，水下传感器节点深度信息的获取极为简单，只需要在节点上安装价格低廉的深度传感器即可。

基于此现象，本文提出一种基于水下深度信息的路由协议，该协议的基本思想是数据分组同时存储有转发节点的深度信息，并且随着每一跳进行更新。

当节点接收到数据后，将其携带的深度信息与自身的深度进行对比，如果其来自更深节点则结合自身剩余能量的多少来决定是否转发该数据，否则将其抛弃，以此类推并辅以相应的转发策略，直至将数据转发到水面转发节点。

为解决水下转发方向的不确定性，可以设置多个水面转发节点，每个水面节点配备有无线收发装置和水声调制解调器，只要数据到达任意一个水面转发节点都可以发送到最终目的节点。

和现有水下传感器网络路由协议相比，该方法不需要节点知道其自身以及其他节点的三维位置信息，因此节点间信息交换量极少，可以显著减少通信量，能有效应对网络拓扑的动态变化，进而达到节省能量、延长网络生存时间的目的。

图 3.1水下传感器网络数据转发示意3.2无线传感器网络MAC 协议的分析MAC 协议决定信道的使用方式, 在通信节点之间分配有限的通信资源, 是保证网络高效通信的关键网络协议之一。

在传统的Ad Ho c 网络中, 吞吐量是MAC 协议首要考虑的目标. Ad Hoc 网络中有些MAC 协议也考虑了节能, 如文献中提出的BLAM 协议考虑使全网负载均衡, 延长网络的生存期. 但是BLAM 协议是基于IEEE 802. 11DCF 协议的, 节点空闲侦听消耗的能量很大, 所以节能的效果很差, 不适合用于WSN 中.节能的WSN MAC 协议目前得到了广泛的研究。

在WSN 研究中所提出的MAC 协议主要分为两类: 固定分配和随机竞争。

固定分配常用的是T DMA方式, 给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段。

TRAMA 协议是基于TDMA 的MAC协议, 根据局部两跳内的邻居节点信息, 采用分布式选举机制确定每个时槽的无冲突发送者. 基于T DMA的固定分配MAC 协议的缺点是需要较高的时间同步, 而且不大适应网络流量的变化.在基于竞争的MAC 协议中, SMAC是WSN具有代表性的MAC 协议之一, 它采用周期性的睡眠唤醒机制, 把时间轴分成固定长度的周期, 每个周期由固定的侦听时间和睡眠时间组成,并且采用了虚拟簇的概念, 同一个簇内的节点保持相同的时间调度. SMAC 比传统的IEEE802. 11DCF 协议节省了很多能量, 但仍存在不足:1)SMAC 采用固定的竞争窗口, 在竞争频繁时发生冲突的概率较大2)SMAC采用固定的占空比, 不适应网络流量的变化。