【2015-12】水下传感器网络综述

1水声通信

由于声音（Acoustic）在水中的衰减低，声波通信成为在水下环境中最通用和应用最广泛的技术，尤其是在热稳定的深水区域。声波通信的主要限制因素是浅水区域中的温度梯度差异、海面噪声和反射折射引起的多径传播；次要的限制因素是水中声速（约为1500米/秒）慢，也限制了其通信效率。所以，水声通信受到严重的带宽限制和干扰限制，难以实现短距离、高带宽通信。综观整个水声通信的发展历程，就是不断地与这些干扰相抗争的过程。例如：根据不同的干扰特点，选择抗干扰能力强的编（解）码方法和调制方式；采用各种抑制干扰的技术；采用分集的办法来抵抗衰落；采用均衡技术抵消信道缺陷引起的畸变；采用自适应技术来适应信道特性的变化以及增加功率等。水声通信在几KHz到几十KHz的带宽下，可以实现1-2000公里距离的通信，在小于1公里范围的短距离通信中，水声通信在几十KHz带宽下，数据传输速率可达100kbps，带宽效率可达几个bits/sec/Hz。

2水下无线通信网络安全关键技术研究

研制低成本、高能效、高可靠性、高安全性的水下无线通信网络对于海洋环境监控、海洋资源开发等研究领域具有重要的理论意义和经济价值。由于受自身特性限制和水声通信环境制约，水下无线通信网络面临各种威胁和攻击，然而现有的水下通信研究多以节省能耗、延长网络寿命为出发点，忽视了潜在的安全问题。因此，研究现有水下无线通信技术存在的安全隐患，针对其面临的安全威胁和安全需求，设计适用于水下无线通信网络的安全技术和安全体系，具有重要的意义。本文对水下无线通信网络的若干安全关键技术进行了研究，并提出了一种适用于水下无线通信网络的安全体系。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)最早可以追溯到20 世纪末，它以其低成本、低能耗、自组织和分布式的特点为网络带来了一场信息感知的变革。无线传感器网络在城市管理、环境监测、军事国防、生物医疗等领域都表现出了很好的应用前景。在国际上它被认为是继互联网之后的第二大网络，被评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。无线传感器网络具有规模大、自组织、动态性、鲁棒性、应用相关、以数据为中心等特性，能更真实有效的获取客观的物理信息，并将其与现代传输网络紧密结合在一起，因此不断受到越来越多国家学术界和工业界的高度重视和密切关注。

海洋以其70%的地球覆盖率逐渐受到世界各国的重视，海洋的开发与发展被认为是人类生存和不断发展的必经之路。随着无线传感器网络的发展成熟以及各国对海洋权益的日益重视，水下传感器网络以其低成本、高可靠特征逐渐受到世界各国学术界的关注，成为21 世纪一个新的研究热点。水下传感器网络通过部署在指定海域的具有自组织能力的传感器节点获取所需的各种海洋监测信息，然后对其进行一定的处理之后传输给基站，最后经由卫星送达用户。水下传感器网络的应用涵盖多个领域，包括水下开发、灾难预警、水下环境监测、数据收集、辅助导航、海底军事等。

水下传感器网络部署在极为复杂的水下环境中，而无线电波在海水中的衰减十分严重，因此以声波作为信息载体的水声通信成为水下传感器网络的主要通信方式。这也使得水下传感器网络具备许多不同于陆上传感器网络的特性。首先，大多数陆上传感器节点都是静止不动的，而水下传感器节点则随着海水的运动不断移动，通常一个传感器节点每秒随水流移动2-3米；其次，水下传感器节点与陆上传感器节点的能耗不同，一些重要的水下应用需要大量数据，这使得水下传感器节点的体积偏大，对于水下传感器来说电池的更换工作是很困难的，从海底取回节点耗时耗力；第三，水下信道带宽低、数据传输率低，尽管水声通信根据带宽和通信范围分为多个类别，但在短期内，其数据传输率在1km距离内很难超过40kb/s。这些都为水下传感器网络的研究和发展带来了新的挑战。

水下信道的低带宽、高衰减、高延迟和高误码率等特性使得陆地传感器网络的相关协议无法直接适用于水下，对适用于水下通信和应用的新协议的研究迫在眉睫。路由协议是协议栈的重要组成部分，也是国内外研究者们研究的热点之一。路由协议主要负责源节点和目标节点之间通信路径的建立和维护问题。对水下传感器网络来说，路由协议的设计面临的挑战主要有网络的动态性、节点能耗、节点配置以及数据融合等问题。目前陆上传感器网络的路由技术得到了充分的发展，但针对水下传感器网络路由协议的研究成果依然较少，针对水下传感器网络设计高效的路由协议对于推动水下传感器网络的发展意义重大。

3水下传感器网络研究现状

早在上世纪90年代，水下传感器网络就受到了美国研究者的关注。1993年，麻省理工学院和美国海洋研究署联合开发的自主式海洋采样网络计划(AOSN)首次提出了水下声学网络的概念。接着，美国又启动了多个水下传感器网络的项目，包括：由ONR(Office of Naval Research)发起的DADS(Deployable Autonomous Distributed System)项目，这个项目主要是开发一个水下通信网络用来对潜艇和水面的行船进行检测和跟踪，并验证建立一个协作检测和数据融合系统的可行性；Seaweb项目是DADS 的一个扩展项目，主要是为DADS提供控制、通信、命令和导航等功能，已经进行了多次海上测试，最多节点数已经达到了17个；NOPP(National Oceanographic Partnership Program)资助的FRONT(Front Resolving Observational Network with Telemetry)项目，该项目涉及多个学科，目标是开发可实时的远程探测海洋速度、温度和盐度结构的一种技术。

WUWNet(The International Workshop on Underwater Networks)是水下传感器网络的顶级学术会议，于2006年在洛杉矶举办第一届，迄今为止已成功举办六届。我国对水下传感器网络的研究起步相对较晚，目前仍处于仿真研究阶段。研究机构也相对较少，主要包括中国科学院声学研究所、华中科技大学、东南大学、哈尔滨工程大学以及中国海洋大学等。研究内容涵盖水声信道仿真技术、调制解调、水下定位和导航、各层协议、水下机器人等方面，并进行了一些海上组网实验，取得了一定的研究成果。

4路由协议概述

在水下传感器网络五层协议栈中，网络层主要负责在源节点和目的节点之间建立一条消息传输路径，即实现路由功能。复杂的水下环境给网络层路由协议的设计带来了全新的挑战。水下传感器节点通信半径和覆盖面积较小，事先在源节点和目的节点之间建立一条完整的通信路径是不现实的，因此水下传感器网络主要采用多跳传输的路由机制。这种消息中继的方式要求多个节点共同协作完成消息从源节点到目的节点的传输，这就涉及到中间节点选择的问题，如何选择中间节点从而有效降低传输延迟、提高数据传输率是路由协议主要解决的问题。此外，水下传感器网络的路由协议还要具备以下特性：（1）可扩展性，能有效的检测和处理由于节点失效或移动造成的链路中断，适应不断变化的网络拓扑；（2）节能性，在保证消息传输效率的前提下，降低能量消耗是第一个要考虑的问题。在水下传感器网络中，节点大都是以电池供电的，电量十分有限，且电池的更换耗时耗力，因此，节能成为对各层协议设计的重要要求；（3）容错性和鲁棒性，在水下传感器网络中，节点的失效是很难避免的，造成节点失效的原因主要有两个：能量耗尽和环境因素，此外，水声信道的通信质量也很难保证，这就要求路由协议具有较好的鲁棒性，能有效避免部分节点的失效或链路的中断给整个网络造成影响。

路由协议历来是研究者们的研究热点，在过去几年里自组网和传感器网络的研究者们相继提出了多种路由协议。这些路由协议在不同的标准下有不同的分类方式。目前通常将路由机制分为三类：主动路由(Proactive Routing Protocol)、被动路由(Reactive Routing Protocol)

以及基于地理位置的路由协议(Geographical Routing Protocol)。

（1）主动路由协议：在这种路由协议中，网络中每个节点都要建立并维护一个路由表，记录该节点到网络中其他所有节点的路由信息，并根据网络当前状态实时进行更新，所以又被称为表驱动(table-driven)路由。这些路由信息（如距离向量）主要是从基站周期性广播的控制包中获得的。这种协议在路由第一次建立以及每次网络拓扑由于节点移动或失效发生变化时会造成较大的网络开销，这是由于基站需要广播最新的拓扑信息给每一个节点。主动路由协议主要包括DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector)、WRP(Wireless Routing Protocol)和OLSR(Optimized Link State Routing等协议。这种协议实现起来较为简单，传输质量较高，能有效的避免网络拥塞。但是路由表的建立和维护会造成巨大的网络开销，节点的频繁移动、网络拓扑的动态变化更是会加剧这种状况，这对于资源有限的水下传感器网络来说是不现实的。

（2）按需路由协议：按需路由协议不同于主动路由协议，网络节点无需建立并维护去往其他节点的路由信息，而是根据通信需要临时建立路由，所以又称为被动（反应）式路由。只有当源节点要向目的节点发送消息时，源节点才进行路由的查找和建立，路由建立之后，将由一个专门的路由维护程序[23,24]进行维护，直至该路由失去作用。按需路由协议主要包括DSR(Dynamic Source Routing)、AODV(Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing)、TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm)等协议。

在按需路由协议中，路由表都是根据通信需要临时建立的，基站不需要周期性的广播路由信息，此外，建立好的路由会保存在缓存中供后续通信使用，而无需节点维护，这大大降低了网络开销，减少了网络资源的浪费，相较于主动路由来说更适用于拓扑动态变化的网络。但是，路由发现和建立的过程是不可预知的，这使得路由延迟更加多变和难以预测。

主动路由和按需路由都对消息洪泛有一定程度的依赖，而洪泛造成的网络开销对于水下传感器网络来说是难以承担的。此外，实验表明，这两种路由协议在通信链路对称的网络中性能较好，而水下传感器网络并不满足这一点。

（3）基于地理位置的路由协议：这种协议主要依靠网络中节点的地理位置信息来建立路由[25]。GFG[26]和PTKF(Partial Topology Knowledge Forwarding)[27]是两种常见的基于地理位置的路由协议。目前，节点的定位技术主要有三种：全球定位系统GPS、基于测距的定位和基于非测距的定位。源节点在获得了目的节点的地理位置之后，可以轻松的选择最优的邻居节点作为下一跳，有效避免消息洪泛带来的网络开销，提高消息传输的效率。但是，对于不能使用GPS的水下传感器网络来说，要对节点进行精确定位是很困难的。

5几种典型路由协议介绍

（1）洪泛路由协议(Flooding Routing)

洪泛路由是一种基础的无线传感器网络路由协议，它不需要维护网络的拓扑结构和相关的路由计算，只要求接收到信息的节点以广播的方式转发数据包[28]。当源节点要发送数据包时，会将消息副本发送给其每一个邻居节点，然后邻居节点会再将消息副本发送给除了发送数据来的节点之外的其他邻居节点，如此反复，直至消息到达目的节点或者消息的生存期终结。

洪泛路由没有复杂的算法设计，实现起来较为简单，且网络中每个节点至少有消息的一个副本，这使得消息传输的可靠性非常高。但同时，这种无限制的消息冗余会使消息产生内爆和交叠，造成网络资源的严重浪费，消息的传输目标只有一个节点，而网络中每个节点都至少有一个消息的副本，这对于资源十分有限的水下传感器网络来说明显是得不偿失的，也是不现实的。许多研究者对其进行了改进，针对无线传感器网络提出了许多新的路由协议，在文献[29]中，作者提出了一种定向洪泛(Directed Flooding)的路由机制，减少了网络资源浪

费；在文献[30]中，作者提出了定向洪泛的谣传路由机制(Single gossiping with directional flooding routing protocol)，引入了梯度的概念来实现数据包的定向传输，有效降低了网络负载和延迟。

（2）SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)协议

SPIN协议是一种以数据为中心的自适应通信路由协议，它使用节点间的协商制度和资源自适应机制，主要采用三种类型的数据包：ADV、REQ 和DATA，SPIN 有效解决了传统协议存在的内爆、重叠以及资源盲目利用等问题，与Flooding、Gossiping 协议相比有效节约了能量[31]。但在大规模的网络中，SPIN依然存在内爆的问题，当数据节点的周围节点都不需要该数据时，该数据不能继续得到转发，使得其不能到达较远节点；而当周围节点都需要该数据时，则节点能量容易耗尽，因此，很难保证数据的可靠传输。

（3）能量感知路由协议

能量感知路由协议(Geographical and Energy Aware Routing,GEAR)是一种基于节点位置信息的路由协议。在该协议中，网络中每个节点都知道自己的位置信息和能量信息，继而通过短消息交换获得所有邻居节点的位置信息和能量信息。在进行数据传输时，当前接收到数据的节点将邻居节点与目标节点的传输代价与自己与目标节点的传输代价进行对比，若存在代价更小的节点，则选择代价最小的邻居节点作为下一跳；若不存在代价更小的节点（我们称这种情况为路由空洞routing hole），则根据邻居节点的最小代价来选择下一跳。GEAR以节点间的通信开销作为选择下一跳节点的标准，能将消息扩散到更适当的区域内，减少了中间节点的数量，有效减少了资源浪费，延长了网络的生存期。但是，该协议基于节点的位置信息，成本较高，要将其使用于水下传感器网络还有待研究。

6水下传感器网络路由协议研究现状

文献[32]对截止到2000 年的水下传感器网络路由协议进行了一个综述，其后又有多种适用于水下传感器网络的路由协议被相继提出。这一小节就来简单介绍下水下传感器网络路由协议研究的现状。在文献[33]中，作者提出了一种基于地理路由的路由协议VBF(Vector Based Forwarding)，该协议不需要获取传感器节点的状态信息，适用于节点分布密集的网络。在消息传输过程中，每个数据包都携带源节点、目的节点以及转发节点的位置信息，消息的转发路径由路由向量（Routing Vector，连接源节点和目的节点的向量）来确定。当接收到数据包时，节点将通过测量与转发节点的距离以及信号到达的角度来计算得出其相对于转发节点的位置，同理，所有接收到数据包的节点都计算它们的位置。当某个节点认为其足够接近路由向量（如距离小于某门限值）时，它就把自己的位置信息放入数据包并转发；否则，将数据包丢弃。这样，所有的转发节点构成了一个路由管道，管道中的所有节点都是这个数据包传输过程中可能的转发节点。路径的冗余和交叉能较好的应对数据包丢失和节点的失效，减少重传；但同时也降低了能量和带宽的利用率。

文献[34]为长期的水下监测应用提出了一种两个阶段的灵活路由机制。该机制主要采用集中规划网络路由的思想，并提出了数据路径。接着，作者们又提出了一种同时适用于延迟敏感网络和延迟容忍网络的路由协议。在该协议中，主要使用一种跨层方法对路由机制与水下特性之间的相互作用进行了研究。

文献[35]对DSR（Dynamic Source Routing，动态源路由，适用于陆上传感器网络）路由协议进行了改进，提出了适用于动态的带AUV(Acoustic Underwater Vehicle)网络的位置感知源路由协议。该协议在传输延迟的基础上使用TDMA以及TDMA帧计时计算传输范围，并将其作为确定路由的标准。

对于基于节点位置的路由协议来说，获取网络中传感器节点的三维位置信息是必需的，而这对于水下传感器网络来说很难实现。基于此，文献[36]提出了一种基于节点深度的路由

协议DBR(Depth-Based Routing)，该协议不需要获取节点的完整位置信息，只需要节点的深度信息，这对于水下传感器网络来说并不困难，只需要为每一个节点配备一个低成本的深度传感器。仿真结果表明，DBR 能在密集网络中用更少的通信成本获得较高的数据传输率。但是，这种路由协议目前并不适用于稀疏网络。

正如前一小节所说，传统的洪泛路由会带来一系列问题。为了解决这些问题，文献[37]为间歇性连接的网络提出了一种传染路由(Epidemic Routing)和单副本洪泛的混合机制，称为基于效用的分布式路由(Utility based Distributed Routing，UDM)机制。其主要思想是：当节点要转发数据包给目的节点时，只将消息发送给一部分邻居节点。节点使用“存储转发”(Store and Forward)机制，将消息副本进行缓存直至遇到对目的节点的传输效用值更高的节点。如此反复，直至其中的一个数据包到达目的节点。UDM的优势在于用有限的负载实现可靠的传输。此外，它使用的缓存管理机制能实现较高效用节点对较低效用节点的替换，及时删除过期的数据包，增加延迟数据包的传输优先级。仿真结果表明，UDM在传输数据包以及降低延迟等方面都有较好的性能。

正如前一小节所说，传统的洪泛路由会带来一系列问题。为了解决这些问题，文献[37]为间歇性连接的网络提出了一种传染路由(Epidemic Routing)和单副本洪泛的混合机制，称为基于效用的分布式路由(Utility based Distributed Routing，UDM)机制。其主要思想是：当节点要转发数据包给目的节点时，只将消息发送给一部分邻居节点。节点使用“存储转发”(Store and Forward)机制，将消息副本进行缓存直至遇到对目的节点的传输效用值更高的节点。如此反复，直至其中的一个数据包到达目的节点。UDM 的优势在于用有限的负载实现可靠的传输。此外，它使用的缓存管理机制能实现较高效用节点对较低效用节点的替换，及时删除过期的数据包，增加延迟数据包的传输优先级。仿真结果表明，UDM 在传输数据包以及降低延迟等方面都有较好的性能。

在事先不知道任何节点位置信息的情况下进行大量的广播查询会给网络造成很大的负担，造成网络性能的降低。为了减少不必要的洪泛，在文献[38]中作者为水下声学网络提出了一种分布式路由协议FBR(Focused Beam Routing)。FBR假设网络中每个节点都知道自己的位置信息，源节点知道目的节点的位置信息，除此之外，不需要知道其他节点的位置信息。路由是在数据包的传输过程中动态建立的，下一跳节点的选择是在每一步传输中完成的。在性能的考虑上，该协议致力于让每一个比特的端到端延迟和能量消耗都是平均的。仿真表明，由于该协议动态路由发现带来的额外负担很小，因此其性能接近于理想状态。

在文献[39]中，作者为水下DTN 传感器网络提出了一种自适应路由机制。该协议主要根据数据包特征以及网络条件进行路由选择。数据包的优先级是根据数据包的紧急程度、数据包的时间、节点周围邻居节点的密度以及节点的电池能量计算得到的。为了提高协议的灵活性，信息中的所有元素，除了数据包的紧急程度以外都是可变的。仿真结果表明，该协议能较好的满足不同的应用需求，如传输率、平均端到端延迟和能量消耗。

文献[40]为3D 水下网络提出了两种地理路由算法，用来满足延迟敏感网络和非延迟敏感网络的不同应用需求。该路由算法的设计专门针对水下环境的特点，包括较高的传输延迟（在垂直链路和水平链路上可能不同）、传输损耗的各组成部分、物理链路的损坏、十分有限的带宽、高误码率以及有限的电池能量。在考虑这些因素的基础上，每个节点都能以降低能量消耗为目的选择自己的下一跳节点。仿真表明，该算法有较好的性能。