海洋水声传感器网络路由机制研究.pdf

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1、第33卷第3期2014年6月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGY海洋水声传感器网络路由机制研究郑君杰1，一，马金钢2徐四林2，李延斌3，尹路4，朱晓林s(1．解放军国际关系学院，江苏南京210039；2．解放军理工大学，江苏南京211101；3．陆军航空兵学院，北京100011；4．61741部队北京，100010；5．总参气象水文局．北京100010)摘要：水声传感器网络是近年来的新兴应用研究领域，路由机制是其网络协议栈的核心内容．用于在水下建立一条数据传输路径。由于水下应用场景与水声通信环境的特殊性

2、．导致陆上传感器网络的路由机制难以直接应用到水下。文章深入分析了海洋水声传感器网络的应用场景．将其归结为水底的二维平面形式与水下三维立体形式。对于二维平面形式提出了节省能量的路由策略以有效延长网络生存时间；对于水下三维立体形式提出一种不依赖位置信息的路由机制．并针对数据转发中存在的路由空洞设计了有效的路由重构机制。关键词：海洋；水声传感器网络：路由机制中图分类号：TP212；TB565文献标志码：A文章编号：1003—2029(2014)03—0038—06传感器网络是由大量随机分布的集成有传感器、数据处理单元和无线通信模块的

3、节点通过自组织方式构成的网络，借助节点上搭载的传感器实现对现实世界全方位的监测与控制，该技术有效地扩展了人们的信息获取与感知能力。无线传感器网络具有自组织性和容错能力，不会因为某些节点的失效而导致整个系统的崩溃，非常适合在特殊时刻、特殊环境中快速构建信息基础设施，已经在战场监测、环境保护、工业控制等诸多领域得到了广泛的应用。被认为是改变21世纪的具有巨大影响力的技术之一⋯。传感器网络的重要性早已引起了我国科学界的高度重视，2000年以后国内相关科研院所纷纷开始进行传感器网络的跟踪研究，国内清华大学、中科院等高校和科研单位是较早

4、进行传感器网络研究的单位。我国《国家中长期科学与技术发展规划纲要》将其作为信息技术的前沿方向之一，国家自然科学基金2005年以来也对传感器网络的研究进行了大力资助。传感器网络具有隐蔽性好、灵敏度高、可分布式部署、可覆盖范围大等诸多优点，这些优点得到了各国海洋界和军方的青睐，因此其研究和应用领域已经扩展到了水下，如1998年美国海军研究局主持构建的水下无线局域网Seawebt2]便是其典型代表。除此之外，近年来日本、英国、澳大利亚、德国等也一直致力于水下传感器网络相关技术的研究。由于水下声学通信是目前唯一实用化的水下通信方式，因

5、此水下传感器网络通常也称之为水声传感器网络。鉴于水声传感器网络的重要意义，国家“863”计划和国家自然科学基金相继资助了多项相关研究。哈尔滨工程大学、西北工业大学航海学院、厦门大学、国家海洋中心、中国科学院声学研究所、中国科学院沈阳自动化研究所、南京邮电大学、中国海洋大学等单位针对水声传感器网络的系统结构、水下定位、水声通信等研究领域开展了大量基础研究，取得了很大成果M。21世纪是海洋的世纪，人们迫切需要一种能够进行长时间、高精度、实时、大范围海洋环境立体监测的新技术，满足人们在海洋水文信息探测、海洋收稿日期：2013-05—

6、30基金项目：江苏省自然科学基金资助项目(SBK2010129，SBK2011124)；中国博士后基金资助项目(2012M512074)作者简介：郑君杰(1977一)，男，博士，讲师，主要研究方向为水下组网。E—mail：oldwolf0411@126．com第3期郑君杰．等：海洋水声传感器网络路由机制研究39渔业资源调查、海洋矿产资源勘探、水下灾害预警和水下入侵监测等方面的需求，海洋水声传感器网络将是能满足上述需求的有效手段，应用前景极为广阔。1应用场景海洋水声传感器网络的重要应用有获取各种海洋要素、构建水下监测系统等，在这

7、些应用场景中，海洋传感器网络的节点可能置于海面、海底和水下。若节点置于海面，节点间可以使用无线技术组网通信，可以将其视为陆上传感器网络应用的延伸，本文不做研究。因此海洋水声传感器网络应用场景主要有二维海底平面和水下三维立体两种形式，而三维立体又可以分为三维静态和三维动态两种形式。1．1二维海底平面结构在该结构中，传感器节点被放置在海底，可近似认为各节点处于一个平面，主要用于海床基监测，获取的监测信息可以通过AUV定时收集，或通过各个节点使用水声通信技术以多跳的方式汇聚到水下的簇头，再通过簇头直接发往浮在水面上的网关节点，然后通

8、过网关节点上搭载的无线通信设备与卫星、船舶或岸上陆基基站通信，最终将海底监测信息实时地传送给用户，见图1。图1二维海底平面结构1．2三维静态结构三维静态结构网络通过对每个传感器节点进行深度的控制，使某一区域内的多个传感器节点分别位于不同的深度，目的是获得一定区域的海洋三维立体