浅海水声网络1.摘要水声网络通常由通过水声相连的海底传感器节点，自主无人航行器及与岸基站点进行无线通信的网关海面站点构成。该网络服务质量受声传输信号低带宽，低声速导致的高延时和高环境噪声所限。其长期设计目标是能够提供基于网络链接的自组网络，通过最优化系统参数自主适应环境。本文考虑了最小化能耗约束，最优化吞吐和可靠性条件下设计浅海水声网络的诸多方面问题。2.引言近二十年来，水声通信技术取得了显著进步。高速可靠通信系统的实现使得海底坐地传感器与水下自主航行器等水下节点间实时点对点通信成为可能。当前研究热点主要集中在应对环境数据采集、近海探测、污染检测与军事侦察等应用的网络多链路协同领域。海底或海监测的传统方法包括传感器布放，实验数据记录和试验设备回收。该方法存在诸多不足：实验记录数据需在长达数周的实验任务结束后获取；海底设备与岸基用户间无法进行信息交互，因此，当某区域出现感兴趣事件时无法进行系统重配置；如果设备在回收前出现错误，那么数据采集过程将停止或所有数据可能丢失。特定海域长期实时观测最理想的解决途径将诸多测量设备通过无线链路连接成网络结构。最基本的水下声学网络由类似固定节点与水下自主航行器等节点间的建立的双工水声通信所组成。该网络将与海面站点相连，并借助该站点采用RF链路与远程陆上节点如Internet网络相连接。岸基多用户能够从远距离水下设备实时获取数据，评估已获取的数据，并可对单个设备发送控制信息。由于数据不再储存在水下设备中，因此可以避免数据丢失，也能通过网络重配置得以绕开失效节点水声网络的最大约束是有限能源支持。对陆上系统而言，无线调制解调器电池的替换非常简单，但水下无线调制解调器电池替换受航行时间和调制解调器回收时间的制约而显得费时费钱。因此，对水下应用而言，传输能量显得异常昂贵。网络协议应通过减少重传次数，降低传输间隔的功耗以及最小化每次传输需求来节省能耗。在救援与探测任务等水下应用中，需要网络能够不经大规模规划而快速布放。因此，网络应当能自主决定节点位置，通过自主组网提供高效的数据通信环境。另外，若信道条件发生改变或者某些节点在任务过程中失效，该网络应当能够通过动态重配置继续履行使命。3.水声通信不同于数字无线通信采用电磁波进行数据传输，水声信道中主要采用声波进行通信。在水声通信网络中声波传播速率比无线电波传播速率小五个量级。如此低的传播速率增大了网络数据包的传输时延。如果在UWA应用中网络协议设计忽略高时延，将导致网络吞吐减少。UWA信号的可利用带宽关键取决于传播损失，由于传播损失随着距离和频率的增大而增大，严重制约了可利用带宽。在有限带宽内，特别是在浅海水声信道中，相对于无线电信道而言，声信号受时变多径的影响，会导致的严重码间串扰以及多普勒频移与拓展。多径传播以及多普勒的影响削弱了水声信号，限制了数据吞吐。因此需要特殊的信号处理手段去克服这些不利因素。近十年初，通过发展采用非相干FSK信号的调制解调器来应对UWA信道特性的挑战，以求实现可靠通信。虽然非相干FSK通信系统在UWA信道中有效，但他们较低的频带利用率使得其无法适应多用户网络对高速率应用的要求。基于高吞吐远程通信系统的需求引发了对相干调制技术的关注。目前，随着大功率数字信号处理设备的运用，我们能够在水下通信中采取完全一致的相干相位调制。关于声调制方法总结见表一。感兴趣的读者可通过阅读文献【3】得到每个调制解调器的细节说明。随着系统传输速率及传输距离的增大，算法复杂度大大超过了当前数字处理硬件能力。当前研究主要集中于低复杂度DSP算法以及用于网络环境的多用户调制解调器，4.水声网络两类需求牵引起了水声网络的重大变革：一类是环境数据的采集，另一类是水下区域侦察。典型网络由各类节点构成，某些安装在固定节点上，另一些则安装在自由移动航行器上。该类网络被称为自主式海洋采样网，这里的采样是指采集海洋中温，盐，深和水下洋流等参数。对侦察应用而言，网络由大量传感器构成，主要是在锚底或者低速水下机器人上，该网络布防迅速，主要用于覆盖浅海海域。该类网...
