水下传感器网络的应用和挑战研究

大连理工大学本科外文翻译水下传感器网络的应用和挑战研究Research Challenges and Applications for Underwater Sensor Networking学部（院）：电子信息与电气工程学部专业：电子信息工程学生姓名：张毅男学号：201081335指导教师：殷福亮完成日期：水下传感器网络的应用和挑战研究Research Challenges and Applications forUnderwater Sensor Networking信息科学研讨会南加利福尼亚大学摘要：(原文中如果无摘要，此内容不写)要求忠于原文，语意流畅。

关键词： (黑体、小四)（此处空一行）每段落首行缩进2个汉字；或者手动设置成每段落首行缩进2个汉字，字体：宋体，字号：小四，行距：多倍行距 1.25，间距：段前、段后均为0行，取消网格对齐选项。

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参考文献：略（翻译到此为止，此行不省略）摘要：这篇文章研究了水下传感器网络化的因应用和挑战。

我们认为它在近海岸油田的地震监测，装备检测和水下机器人方面具有很大的潜在应用。

我们把研究方向定位近程声学通讯，测量与控制，时间同步，声学网络的高时延定位协议，网络长时间持续睡眠，数据传输的应用权限。

我们把初步研究放在短程声波通讯硬件上，并分析高时延时间同步的结果。

引言：传感器网络是科学，工业，政府等许多方面革新的保证。

这种分布在目标周围能被感知的小型物理装置带来了观察和研究世界的新机会。

例如对于微生物环境的监测，结构的追踪和工业的应用。

今日传感器网络正在被安排应用在地面上，相比之下水下运行仍旧有许多限制。

远程控制淹没经常被使用，但是活动和被使用硬件他们的部署是本质上临时的。

一些广阔地区的数据收集结果已经有了保证，但是精确程度较低（数以百计的传感器覆盖着地球）甚至当地区性的方法也被考虑过，这些通常都是有线而且昂贵的。

陆上传感器网络科学获从无线的使用，组态设定，每个能源使用效率的最大值获得好处。

他们分析了低成本节点（大概100美元）密集分布（大概100米以内）短程，多次反射通讯。

相比之下，今日水下声学传感器网络典型的昂贵（10k 美元往上），稀疏的分布（很少节点间隔在千米），典型通讯经过长距离直达基站而不是互相通讯。

我们通常探索如何把陆上传感器网络的有点移植到水下声学传感器网络上去。

水下传感器网络有许多潜在应用（在第三部分）在此作为代表性的应用，我们简单的考虑水下油田的地震成像。

许多近海岸油田的地震监测任务是在表面上用一艘船拖着一队的地震波检测器。

这种技术的花费很高，而地震调查很少能被发现，例如：每二到三年，相比之下，传感器网络节点花费很低而且能够长久的铺设在海底。

这样的系统能够使得地震成像频繁的存储（也许几个月），也能够帮助资源勘探和油条开采。

为了实现水下应用我们可以从不间断的地表传感器研究借鉴到许多设计准则和工具。

然而有一些挑战是从根本上不同的。

第一，无线电波不适合水下通信。

因为传输极端受限（微波通常传输50-100cm），而声学遥测对于水下通信来说是很有前途的，现成的声学模型并不适用于具有数以百计节点的水下传感器网络。

他们的能量，范围和价格都是为稀疏的，长距离的昂贵的系统而设计的，而不是密集的便宜的传感器节点。

第二点，从射频到声学的迁移，改变了物理通讯的速率，从声速（1.5×103m/s）到光速（3×108m/s）——相差五个数量级之多。

然而对于短程射频通信传播时延是可以忽略的，在水下通信这是一个重要的事实，这在定位和时间同步上有重要的意义。

最后：对于能量的利用水下传感器和陆上传感器是不同的因为传感器会更大而且一些重要的应用会需要大量数据但却很稀少（一周一次或更少）。

因而我们把重点放在这三个方面：硬件，声学传感器网络节点（第四部分），协议，水下传感器网络自我分析，物理层协议设计，时间同步和定位（第五部分）主要运行，能量感知数据储藏和推荐（第五部分）。

我们相信低成本能量消耗低的声学模型是可行的，我们将目光聚焦在短程通讯将会避开许多长距离通讯的问题。

多路存取的发展和实验容忍协议在完成密集网络是必须的。

低成本循环运行和一体化的应用能够成功对抗高时延和带宽受限。

第二部分系统结构在描述明确的应用前，我们简单的回顾一下我们为水下传感器网络预测的传统结构。

图1是对于我们最近的实验设计我做了一个图。

我们预见那种能使传感器具有更大资源的布局。

图1 一个可能的网络分布途径在图1中，我们发现系统中有四种不同的节点。

在最底层，大量的传感器节点被布设在海床上（如图中黄色小圆圈所示）。

他们通过附加的传感器收集数据（例如地震的）通过短距离声学调制解调器和其他节点通讯。

他们通过蓄电池产生作用而且为了长时期工作，他们的大部分时间都出去休眠之中。

这些节点的一些布设策略是可行的；在这里我们让他们固定在海面上（为了保护他们也可以被埋起来）。

系住绳子可以让节点保持在被定位好的大概位置，在最佳的位置保证良好的传感器和通讯范围。

因为船锚的流动或是表面上的被打乱传感器节点的移动也是被允许的。

通过分布定位法我们希望节点保持在确定的位置不动。

在顶层有一个或多个控制节点和因特网相连。

图中平台上的节点就是这个类型的。

这些节点可能被放在近海岸的平台上或者在海岸上。

我们期望这些节点有一个大的存储空间来缓冲数据和充足的电能来工作。

控制节点将和传感器节点通过有线水下声学调制解调器来直接相连。

在大型网络中，一种叫做“超级节点”的第三类节点也有使用。

超级节点连接到高速因特网上，并且可以和基站进行高效的数据传递。

我们考虑两种可能的成就：一如图1所示，用绳子系在浮标上的规则节点装配了能和基站高速通讯的装置。

一个可供选择的方案就是把这些节点放在海里通过光纤电缆和陆上基站相连。

超级节点允许更富余的网络节点连通性，创造了水下声学网络的多重数据收集节点。

最后，尽管自动潜水器不是最近的工作重点，通过声学通讯我们看见了他和我们系统的联系。

在图中，深蓝色的“鱼”代表了多重机器人。

在最近的传感器网络中CPU 的能力变化非常的迅速，从八位的中央处理器例如BerkeleyMotes到和掌上电脑一样强大的32位中央处理器例如：Intel Stargates。

我们可以发现Stargate-class作为水下传感器网络最受欢迎的计算机有几点原因。

他们的记忆能力（64MB RAM随机存取存储器, 32MB闪存）计算功率（一个400Mhz的XScale中央处理器）足以存储和处理大量的暂存信号，而且花费也是中等的（每个大概600美元）。

尽管遥控类电脑在花费和能量表现方面非常吸引人。

他们受限制的存储(4–8kB RAM 和64–1024MB 闪存）对我们所要求的水下应用指标是不达标的（见第三部分）。

在一个粗糙的水下环境，我们必须注意到随着时间过去一些节点会慢慢失去联系，可能的原因包括捕鱼，水下生命，或是防水性能的不好。

因此我们要求基础布局有一些冗余，所以失去一个独立节点并不能造成过大的影响。

我们期望能够从多样性的失败中恢复，移动节点或是布局复位。

依靠电能工作，传感器节点必须仔细监督其本身的能量消耗。

保证整个系统在一个低消耗的循环内运行是必须的。

另外，我们期望通过整合使得节点长期（几天或一个月）完全关闭。

我们也期望增强长时间沉睡的技术。

在第四部分我们描述了一些能量管理方面的工作。

节点之间的信息通讯是我们工作的重点，我们发现目标布局和实现商业盈利之间有巨大的鸿沟，长距离，高能量，点对点，声波通信。

在第四部分我们讨论了我们达到短距离低能耗的工作途径。

同样重要的是允许水下节点自我组态和调整的网络协议，例如时间同步，定位，路径安排以及测量与控制。

我们在第四部分讨论这些协议。

最后，我们有一些基础的和这些设计匹配的应用有关的假设。

第一，应用从本地信息处理和动态数据存储中获利。

存储器被用来缓冲数据来管理低速通讯。

时间偏移的检索。

在某些情况，节点得益于成对的通信和计算。

最后，在最重要的感觉应用，我们期待数据能够完全通过因特网或是专用网络送达用户。

第三部分应用部分我们发现我们的方法在大量的应用中都是适合的，例如地震监测，装备检测，泄露检测而且支持大量的水下机器人。

我们将在下面回顾他们不同的特性。

A）地震检测：一种有前途的应用就是对水下石油开采进行地震监测。

频繁的地震监测在石油开采中很重要。

随着时间流逝，在存储方面的研究推进被叫做“时间推移地震”对于检测地底行为和引入干涉很有用。

陆上油田能被很频繁的检测，通常油田每年都会检测一次，有的则是每季度一次，甚至与每天或是连续不断的在某些天然气存储场。

然而水下油田检测更加具有挑战性，部分原因是地震传感器普遍不能长久的布设在水下。

此外，水下地震检测通常是一艘船携带者许多水下检测器作为传感器和一个大炮作为激励者。

因为这样的研究需要大量的资源和运营成本（由于船和船员），它很稀有，通常是每2到3年。

结果导致，陆地上的存储管理方法不能适用于水下。

使用一个传感器网络引起了许多的研究挑战：数据的采集，从可靠的分布式传感器节点。

定位，每个节点被布设下或者移动时能够确定自己的位置。

为了精准的数据报道而分布的同步时钟；能量管理使得其能够获得更长的生命周期。

我们想通过低消耗声学通信（第四部分）和新的高延时时间同步协议，多路径，预定数据路径和大多操作（第五部分）来解决这个问题。

为了理解声学传感器的典型需求，通过地震监测我们执行了一种初步的数据发生分析。

每个传感器收到3到4个信道的地震数据，每个都是500hz24bit/s，当一个地震事件发生了，我们要获得8-10s的数据，这导致每个传感器每个事件大概要60kb的数据。

对于我们所期望的5kb/s的数据传输速率，这就需要了120/s的传感器时间来完成。

通常的油田长宽都在八千米或者更少，4-d地震需求传感器接近于50到100米格子（我们假设地震分析能够适应检测并知道传感器的不规则布局）。

这表明一个由数千传感器组成的传感器网络将会被要求供应全部的范围。

它也表明层层排列的传感器网络是必须的，这样使得一些超级节点通过降低噪声声学信道连接到用户。

两种可能的实现成果：高速射频基础通信或是有线连接到一些节点上。

对于网络布设我们假设每25个节点就有一个超级节点（一个5×5的单元），建议所有节点的两跳内的超级节点和时间来检索所有数据是大约一个小时（假设每个超级节点都可以以并行的方式下载数据）。

当然，一个可以权衡的数量对需要检索数据的时间节点。

（每个超级节点有四跳的宽度，每81个节点只有一个路径，但由于在接入点的连接增加，数据检索时间将会大大增多）。

当我们遇到更多的问题时我们想改进这个设计。