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摘 要：地面无线传感网络是由电磁波来通信，而水下传感网络是利用声信号建立起来的自组织无线网络。文章详细介绍了两种无线传感网络在通信信道特点、应用的不同分类及节点特点方面进行了对比研究。
关键词：水下传感网络 信道 监控
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0070-02
Comparison of Sensor Networks In Land and Underwater
LIU Xiaoming1 SHANG Fengjun2
（1.Huaihai Institute of Technology Information Center，Lianyungang Jiangsu 222005，China；2.Chongqing University of Posts and Telecommunications Computer college，Chongqing 400065，China）
Abstract：Wireless sensor network on land communicate by electromagnetic wave，but underwater sensor network is one kind of wireless self-organized networks which connected by acoustical signal.This paper introduces the survey of two kinds of sensor networks’characteristic，and compares the different classifications for applications.
Key word：Underwater sensor network Channel Monitoring
随着基于地面无线传感网的高速发展，及我国对海洋技术及探索的需要，以水声为基础的水下传感网络逐渐得到了越来越多的重视和研究。水下传感网络（UWSNs： Underwater Sensor Networks）有着非常广阔的应用空间和前景，能够被应用于各种水下工程和研究领域。例如河道、湖泊或者海洋中进行信息感知和数据收集，建立海洋信息系统监控和信息采集网络，利用水下各个传感器节点的协作通信，将海底环境下三维信息采集并传送给地面基站。随着对水下传感网络的应用和研究，人类将能更加深入地了解海洋、研究海洋、开发海洋和利用海洋。水下传感网络是利用声信号建立起来的无线自组织网络，它一般是使用飞行器、潜艇或水面舰艇将大量廉价的微型传感器节点随机布放在海底或海中指定的感兴趣水域，节点通过水声无线通信形成的一个多跳的自组织、分布式、多节点、大面积覆盖的水下网络，协作对信息进行采集、处理、分类和压缩，并可通过水声传感网络节点直接或中继方式发送到陆基或船基的信息控制中心的综合网络系统。这样建立起来的交互式网络环境中，岸上的用户能够实时地存取水下传感器节点的数据，并把控制信息传送给水下传感节点。水下传感网络被认为具有广泛的应用前景，如实时或者延时的空间连续水生监控系统在海洋学资料收集，水生环境监控，海洋科学考察，水下考古探险和近海岸保护，污染监控，海上勘探，地震图像传输、海洋环境检测、灾难预防和辅助导航等领域的应用有着极为重要的价值。
1 传输特性
因为电磁波在水中的吸收和衰减很大，能够在海水中传播的无线电波频率在30～300 Hz的范围，需要很大功率的天线，不适于长距离通信；光波虽然不使用天线，但会受到散射的影响，确定水下传输光信号的精确值也很困难；相比电磁波和光波，声音在水中具有更好的传播特性，因此水下通信网络的链路是基于声无线传输的，水下传感网络采用声波作为传播手段。水声通信是一种典型的水下通信网络的物理层技术。基于声通信的水下传感网络易于布设，是由大量分布式的水下传感器节点，水下仪器等节点组成的多跳网络。由于水声信号的传播速度只有1500 m/s，使得网络的吞吐量很低。
传输时延和传播损耗是水声信道主要面临两个问题。
电磁波在空气中的传播速度是3×10 m/s，声波在水中的传播速度是1500 m/s，二者的速度相差5个数量级，每公里约延迟0.67 s，因此传播时延较大。对于水声通信的收发设备来说，传播时延也成为主要的影响因素。
水声通信的传播损耗与通信距离和发射频率有关。根据文献[9]Urick提出的传播模型，传播损失是扩展、衰减以及散射损失之和。扩展损失是声波波阵面在传播过程中不断扩展引起的声波衰减，主要分为点源球面扩展传播损失和潜水环境下水平面上的柱面扩展传播损失两种。两种传播损失都随着距离的增加而增加。吸收损失随频率和距离的增加而增加；散射损失由是于均匀介质的粘滞性、热传导性引起声强衰减和介质的不均匀性引起的声波散射。介质的不均匀性包括海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮介的不均匀性和海水界面对声波的散射。
为了更直观的理解通信信号之间的差别，这里总结了声波、电磁波等主要特征和光学媒介物在水下环境的对比，如表1。
显然，作为一种水下无线通信载体，三个物理波在每个领域都有自己的优点。由于水下传感网络的巨大应用前景，它已经引起了世界各个国家军事部门的极大关注。水下传感网络技术的发展影响到海军军事战略的变革，也对国家海洋发展战略提供了空间优势。
2 需求分类
由于水环境的特殊性，水下传感网络不同与地面无线传感网络，在网络应用的场景上，地面无线传感网络更易受到地面或者地貌特征的影响，而部署特点不同；水下传感网络则受到洋流或水流等介质特征的影响，这里根据对水下环境监测不同特点进行分类，根据不同的应用场景可以简单的分为两类： （1）UWSNs长期临界水生监控应用（如海洋污染监测数据的采集、检测、近海石油或天然气现场监测）。
（2）UWSNs短期要求很高的水生勘探应用（如海底探测、考古发现，及飓风灾难恢复）。
前者类别的UWSNs可以移动或者静态，取决于部署的传感器节点（buoyancy-controlled或固定在海底），后者类别的UWSNs通常都是移动的，固定的传感器节点部署/恢复通常在短期应用中成本要求很高。
按需求可以集中于三种类型的UWSNs：
（1）移动UWSNs长期non-time-critical应用（Mobile UWSNs for long-term non-time critical applications简称为M-LT-UWSNs）。
（2）静态UWSNs长期non-time-critical应用（Static UWSNs for long-term non-time critical applications简称为S-LT-UWSNs）。
（3）移动UWSNs短期time-critical应用（Mobile UWSNs for short-term time-critical applications简称为M-ST-UWSNs）。
很明显，不同类型的UWSNs有不同的通信要求，所有三种UWSNs不同的通信要求总结如（表2）。
3 传感节点对比
水下传感网络具有与传统地面无线传感器网络有着无法比拟的优点，网络是由高密度，低成本、随机分布的节点组成，自组织性和容错性都不会因为个别节点的失效或被恶意攻击中损坏而导致整个网络的崩溃；分布式节点多角度多方位的融合数据的收集效率并获得更准确详实的信息，多种传感器节点的混合应用使得搜集到的信息更加全面地反映目标的特征，有利于提高系统的定位跟踪等性能，借助于节点的移动能力，能够调整对网络拓扑结构的控制能力，消除探测区域的阴影和盲点，因此在海洋监控和海洋军事领域中，通过多传感器系统的协作，形成空-舰-陆基传感器构成的海基监控网络，对目标进行扑捉、跟踪和识别。
水下传感网络由于其应用环境的特殊性，使得水下传感网络的设计比陆地无线传感网络的难度更大，对硬件的要求更高。水下传感网络与陆基无线传感网系统的节点模块对比，如表3。
4 结语
本文描述了水下传感网络的基本特点和水声信道的特征，并通过对水下传感网络的基本应用类型进行分类描述对比其通信需求，最后对水下传感网络和地面无线传感网络进行了对比。
参考文献
[1] 郭忠文，罗汉江.水下无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展，2010，47（3）：337-389.
[2] 吕超，王硕，谭民.水下移动无线传感器网络研究综述[J].控制与决，2008（4）.
[3] 陈锦铭，陈贵海.水下无线传感器网络研究现状[J].计算机科学，2007，9（34）：303-307.
[4] Urick R J.Principles of Underwater sound[M].Mcgraw-Hill，1983.
[5] Wenli lin，Deshi Li.Architecture of Underwater Acoustic Sensor Networks：A Survey[C]//.Intelligent Networks and Intelligent Systems ICINIS.2008：155-159.
[6] Ian F.Akyildiz，Dario Pompili， Tommaso Melodia.Challenges for Effcient Communicationin Underwater Acoustic Sensor Networks[J].ACM Sigbed Review，2004，2（1）.
[7] I.F.Akyildiz，D.Pompili，T.Melodia.Underwater acoustic sensor networks：research challenges[J].Elsevier Journal of Ad Hoc Networks，2005，3（3）：257-279.
[8] Jun-Hong Cui，Jiejun Kong，Gerla M.，Shengli Zhou.Challenges：Building Scalable Mobile Underwater Wireless Sensor Networks for Aquatic Applications Network[J]. IEEE Network，Special Issue on Wireless Sensor Networking，2006，3（20）：12-18.
[9] Heidemann J.Wei Ye，Wills J.，etc.Research challenges and applications for underwater sensor networking[C]//IEEE WCNC.2006：228-235.
关键词：水下传感网络 信道 监控
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0070-02
Comparison of Sensor Networks In Land and Underwater
LIU Xiaoming1 SHANG Fengjun2
（1.Huaihai Institute of Technology Information Center，Lianyungang Jiangsu 222005，China；2.Chongqing University of Posts and Telecommunications Computer college，Chongqing 400065，China）
Abstract：Wireless sensor network on land communicate by electromagnetic wave，but underwater sensor network is one kind of wireless self-organized networks which connected by acoustical signal.This paper introduces the survey of two kinds of sensor networks’characteristic，and compares the different classifications for applications.
Key word：Underwater sensor network Channel Monitoring
随着基于地面无线传感网的高速发展，及我国对海洋技术及探索的需要，以水声为基础的水下传感网络逐渐得到了越来越多的重视和研究。水下传感网络（UWSNs： Underwater Sensor Networks）有着非常广阔的应用空间和前景，能够被应用于各种水下工程和研究领域。例如河道、湖泊或者海洋中进行信息感知和数据收集，建立海洋信息系统监控和信息采集网络，利用水下各个传感器节点的协作通信，将海底环境下三维信息采集并传送给地面基站。随着对水下传感网络的应用和研究，人类将能更加深入地了解海洋、研究海洋、开发海洋和利用海洋。水下传感网络是利用声信号建立起来的无线自组织网络，它一般是使用飞行器、潜艇或水面舰艇将大量廉价的微型传感器节点随机布放在海底或海中指定的感兴趣水域，节点通过水声无线通信形成的一个多跳的自组织、分布式、多节点、大面积覆盖的水下网络，协作对信息进行采集、处理、分类和压缩，并可通过水声传感网络节点直接或中继方式发送到陆基或船基的信息控制中心的综合网络系统。这样建立起来的交互式网络环境中，岸上的用户能够实时地存取水下传感器节点的数据，并把控制信息传送给水下传感节点。水下传感网络被认为具有广泛的应用前景，如实时或者延时的空间连续水生监控系统在海洋学资料收集，水生环境监控，海洋科学考察，水下考古探险和近海岸保护，污染监控，海上勘探，地震图像传输、海洋环境检测、灾难预防和辅助导航等领域的应用有着极为重要的价值。
1 传输特性
因为电磁波在水中的吸收和衰减很大，能够在海水中传播的无线电波频率在30～300 Hz的范围，需要很大功率的天线，不适于长距离通信；光波虽然不使用天线，但会受到散射的影响，确定水下传输光信号的精确值也很困难；相比电磁波和光波，声音在水中具有更好的传播特性，因此水下通信网络的链路是基于声无线传输的，水下传感网络采用声波作为传播手段。水声通信是一种典型的水下通信网络的物理层技术。基于声通信的水下传感网络易于布设，是由大量分布式的水下传感器节点，水下仪器等节点组成的多跳网络。由于水声信号的传播速度只有1500 m/s，使得网络的吞吐量很低。
传输时延和传播损耗是水声信道主要面临两个问题。
电磁波在空气中的传播速度是3×10 m/s，声波在水中的传播速度是1500 m/s，二者的速度相差5个数量级，每公里约延迟0.67 s，因此传播时延较大。对于水声通信的收发设备来说，传播时延也成为主要的影响因素。
水声通信的传播损耗与通信距离和发射频率有关。根据文献[9]Urick提出的传播模型，传播损失是扩展、衰减以及散射损失之和。扩展损失是声波波阵面在传播过程中不断扩展引起的声波衰减，主要分为点源球面扩展传播损失和潜水环境下水平面上的柱面扩展传播损失两种。两种传播损失都随着距离的增加而增加。吸收损失随频率和距离的增加而增加；散射损失由是于均匀介质的粘滞性、热传导性引起声强衰减和介质的不均匀性引起的声波散射。介质的不均匀性包括海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮介的不均匀性和海水界面对声波的散射。
为了更直观的理解通信信号之间的差别，这里总结了声波、电磁波等主要特征和光学媒介物在水下环境的对比，如表1。
显然，作为一种水下无线通信载体，三个物理波在每个领域都有自己的优点。由于水下传感网络的巨大应用前景，它已经引起了世界各个国家军事部门的极大关注。水下传感网络技术的发展影响到海军军事战略的变革，也对国家海洋发展战略提供了空间优势。
2 需求分类
由于水环境的特殊性，水下传感网络不同与地面无线传感网络，在网络应用的场景上，地面无线传感网络更易受到地面或者地貌特征的影响，而部署特点不同；水下传感网络则受到洋流或水流等介质特征的影响，这里根据对水下环境监测不同特点进行分类，根据不同的应用场景可以简单的分为两类： （1）UWSNs长期临界水生监控应用（如海洋污染监测数据的采集、检测、近海石油或天然气现场监测）。
（2）UWSNs短期要求很高的水生勘探应用（如海底探测、考古发现，及飓风灾难恢复）。
前者类别的UWSNs可以移动或者静态，取决于部署的传感器节点（buoyancy-controlled或固定在海底），后者类别的UWSNs通常都是移动的，固定的传感器节点部署/恢复通常在短期应用中成本要求很高。
按需求可以集中于三种类型的UWSNs：
（1）移动UWSNs长期non-time-critical应用（Mobile UWSNs for long-term non-time critical applications简称为M-LT-UWSNs）。
（2）静态UWSNs长期non-time-critical应用（Static UWSNs for long-term non-time critical applications简称为S-LT-UWSNs）。
（3）移动UWSNs短期time-critical应用（Mobile UWSNs for short-term time-critical applications简称为M-ST-UWSNs）。
很明显，不同类型的UWSNs有不同的通信要求，所有三种UWSNs不同的通信要求总结如（表2）。
3 传感节点对比
水下传感网络具有与传统地面无线传感器网络有着无法比拟的优点，网络是由高密度，低成本、随机分布的节点组成，自组织性和容错性都不会因为个别节点的失效或被恶意攻击中损坏而导致整个网络的崩溃；分布式节点多角度多方位的融合数据的收集效率并获得更准确详实的信息，多种传感器节点的混合应用使得搜集到的信息更加全面地反映目标的特征，有利于提高系统的定位跟踪等性能，借助于节点的移动能力，能够调整对网络拓扑结构的控制能力，消除探测区域的阴影和盲点，因此在海洋监控和海洋军事领域中，通过多传感器系统的协作，形成空-舰-陆基传感器构成的海基监控网络，对目标进行扑捉、跟踪和识别。
水下传感网络由于其应用环境的特殊性，使得水下传感网络的设计比陆地无线传感网络的难度更大，对硬件的要求更高。水下传感网络与陆基无线传感网系统的节点模块对比，如表3。
4 结语
本文描述了水下传感网络的基本特点和水声信道的特征，并通过对水下传感网络的基本应用类型进行分类描述对比其通信需求，最后对水下传感网络和地面无线传感网络进行了对比。
参考文献
[1] 郭忠文，罗汉江.水下无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展，2010，47（3）：337-389.
[2] 吕超，王硕，谭民.水下移动无线传感器网络研究综述[J].控制与决，2008（4）.
[3] 陈锦铭，陈贵海.水下无线传感器网络研究现状[J].计算机科学，2007，9（34）：303-307.
[4] Urick R J.Principles of Underwater sound[M].Mcgraw-Hill，1983.
[5] Wenli lin，Deshi Li.Architecture of Underwater Acoustic Sensor Networks：A Survey[C]//.Intelligent Networks and Intelligent Systems ICINIS.2008：155-159.
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[8] Jun-Hong Cui，Jiejun Kong，Gerla M.，Shengli Zhou.Challenges：Building Scalable Mobile Underwater Wireless Sensor Networks for Aquatic Applications Network[J]. IEEE Network，Special Issue on Wireless Sensor Networking，2006，3（20）：12-18.
[9] Heidemann J.Wei Ye，Wills J.，etc.Research challenges and applications for underwater sensor networking[C]//IEEE WCNC.2006：228-235.