0 引言

　　水下傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)有的研究主要集中在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、水下傳感器節(jié)點(diǎn)的研究和設(shè)計(jì)、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究和分析、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)通信方式的選取和建立和水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署等方面[1]。正是因?yàn)樗聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)研究方向和內(nèi)容的多樣性，使得水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究是一項(xiàng)艱巨而富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)[2]。

　　水下通信方式的選取對(duì)于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)以及效率起到?jīng)Q定性的作用[3]。目前的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中水聲信道通信已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，特別是對(duì)于遠(yuǎn)距離的水下無(wú)線(xiàn)通信。但在近距離的水下無(wú)線(xiàn)通信中，由于水聲信道通信在水下傳輸過(guò)程中能耗較高、傳播時(shí)間較長(zhǎng)，通信帶寬較高，水聲通信沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著高亮度藍(lán)綠LED光源和激光二極管技術(shù)的發(fā)展，使得高帶寬的水下光學(xué)通信在近距離通信方面替代水聲通信成為可能。

　　水下光學(xué)通信在獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸效率和較小的傳輸過(guò)程延時(shí)的同時(shí)，可以方便地應(yīng)用在水下自動(dòng)機(jī)器人和節(jié)點(diǎn)之間通信，是一種有吸引力的通信方式。文獻(xiàn)[4]中提出了一種通過(guò)軟件定義傳輸過(guò)程中調(diào)制和解調(diào)列表的方式，使得水下光學(xué)通信的完全實(shí)施變得更為方便，證明了兩種類(lèi)型的鏈路使用LED或激光器的可行性，使網(wǎng)絡(luò)連通性在現(xiàn)成的硬件基礎(chǔ)上能夠完成。文獻(xiàn)[5]中做了對(duì)基于光學(xué)通信的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的探索，并對(duì)基于LED的水下光學(xué)通信的發(fā)展進(jìn)行了說(shuō)明。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]中從網(wǎng)絡(luò)部署的結(jié)構(gòu)方面對(duì)水下光學(xué)通信傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究和分析，提出了一種將水下光學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)部署在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)算法來(lái)選擇相鄰的水下傳感器節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，通過(guò)這些鏈路的搭建形成魯棒性較好的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]中提出了一種針對(duì)帶有光學(xué)通信水下傳感器節(jié)點(diǎn)的AUV進(jìn)行仿真的水下無(wú)線(xiàn)光學(xué)通信模型，從而建立一種水下光學(xué)通信傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，用于水下光學(xué)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[9]中討論了一種基于自由空間短距離光學(xué)通信的水下蠕動(dòng)機(jī)器人通信機(jī)制的執(zhí)行。文獻(xiàn)[10]中利用藍(lán)綠光譜激光發(fā)射二極管在一個(gè)充滿(mǎn)水的水槽中進(jìn)行了一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光學(xué)通信測(cè)試，確定了水下光學(xué)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

　　本文在對(duì)目前水下光學(xué)通信傳感器網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)于水下聲學(xué)通信的研究和分析，提出了一種光學(xué)通信與水聲信道通信混合的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮兩種不同通信方式在不同環(huán)境下的優(yōu)缺點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)整體的覆蓋率和通信效率。

1 混合水下傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

　　水聲通信速度慢、能耗高、低帶寬但是有效通信距離長(zhǎng)，適合遠(yuǎn)距離低速通信；光學(xué)通信速度快、能耗低、帶寬高但是通信距離短，適合短距離高速通信[11-13]。

　　對(duì)給定的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行分布式劃分，每個(gè)區(qū)域有一個(gè)可以與浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)水聲信道通信的簇節(jié)點(diǎn)，每個(gè)簇節(jié)點(diǎn)可以與所在區(qū)域的光學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)光學(xué)通信進(jìn)行高速通信。當(dāng)光學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后通過(guò)光學(xué)信道發(fā)送到簇節(jié)點(diǎn)，簇節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理，然后通過(guò)水聲信道轉(zhuǎn)發(fā)給水面的浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是充分發(fā)揮了水聲通信與水下光學(xué)通信的通信特點(diǎn)，最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)性能。

　　根據(jù)水下光學(xué)通信與水聲通信的特點(diǎn)[14，15]，設(shè)計(jì)的混合水下傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

　　圖1中所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型中通過(guò)水聲通信的簇節(jié)點(diǎn)與水下光學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)在部署的過(guò)程中作為單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署，當(dāng)部署完成后，簇節(jié)點(diǎn)與能夠進(jìn)行光學(xué)通信范圍內(nèi)的光學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)整體的數(shù)據(jù)采集感知群進(jìn)行處理。感知群的感知半經(jīng)Rs為4倍的光學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知半徑rs。

2 先驗(yàn)概率模型

　　假定被測(cè)目標(biāo)出現(xiàn)的概率模型為高斯分布，在連續(xù)的深度方向上進(jìn)行分層，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行深度方向上的層次劃分，每層的深度為2Rs（Rs為感知群半徑），同一層內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行均勻部署。熱點(diǎn)區(qū)域附近目標(biāo)出現(xiàn)的概率較大，目標(biāo)出現(xiàn)的深度位置服從高斯分布：

　　對(duì)于深度為h的目標(biāo)，其所處的層次j與其深度h的關(guān)系為：

　　熱點(diǎn)區(qū)域附近目標(biāo)出現(xiàn)的概率較大，熱點(diǎn)區(qū)域附近的節(jié)點(diǎn)密度較大，向上和向下的密度依次減小。

　　固定概率調(diào)度就是讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)以預(yù)先設(shè)置的相同概率p=fmodel進(jìn)行休眠，其中：

　　這里是一個(gè)在[0，1]內(nèi)的實(shí)常數(shù)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，那么，處于正常工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

3 混合水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署算法

　　步驟1：將目標(biāo)區(qū)域按照2Rs進(jìn)行分層，將簇節(jié)點(diǎn)和水下光學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)在每個(gè)層次內(nèi)分別進(jìn)行均勻部署；

　　步驟2：每個(gè)層次內(nèi)的簇節(jié)點(diǎn)和水下光學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)地址信息的交換建立感知群，感知群按照固定的概率休眠；

　　步驟3：經(jīng)過(guò)時(shí)間T（簇節(jié)點(diǎn)和水下光學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期），感知群以熱點(diǎn)層次區(qū)域?yàn)橹行?，向中間補(bǔ)充。補(bǔ)充的過(guò)程按照距離熱點(diǎn)層次的距離從近到遠(yuǎn)進(jìn)行逐層依次補(bǔ)充，也就是說(shuō)先將距離近的補(bǔ)充滿(mǎn)之后再依次向遠(yuǎn)的補(bǔ)充；

　　步驟4：熱點(diǎn)區(qū)域感知群數(shù)目能夠達(dá)到全覆蓋時(shí)返回步驟(2)；

　　步驟5：當(dāng)熱點(diǎn)層次區(qū)域內(nèi)的感知群數(shù)目小于要求的最少感知群數(shù)目時(shí)，算法停止。

　　算法流程圖如圖2所示。

4 仿真分析

　　4.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)目分析

　　與均勻部署相比，對(duì)于同樣的目標(biāo)數(shù)，在達(dá)到同等檢測(cè)率的條件下，針對(duì)是否利用先驗(yàn)概率模型所需要部署的節(jié)點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行對(duì)比分析。這里將感知群作為節(jié)點(diǎn)來(lái)處理，目標(biāo)區(qū)域分為9層，其中熱點(diǎn)區(qū)域?yàn)榈?層，向兩側(cè)遞減。結(jié)果如圖3所示。

　　由圖3可知，隨著目標(biāo)數(shù)目的增多，對(duì)于均勻部署來(lái)說(shuō)，所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目沒(méi)有變化。這是因?yàn)榫鶆虿渴饘?duì)于給定區(qū)域的監(jiān)測(cè)所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目主要與所給的區(qū)域有關(guān)，基于先驗(yàn)概率模型的部署算法，在目標(biāo)數(shù)目較少的時(shí)候只需要部署較少的節(jié)點(diǎn)，隨著目標(biāo)數(shù)目的逐漸增多，所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目也逐漸增多并趨于穩(wěn)定，最后接近于均勻部署所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

　　4.2 檢測(cè)概率分析

　　針對(duì)完全由水聲節(jié)點(diǎn)組成的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的均勻部署和本文提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基于先驗(yàn)概率模型部署，對(duì)兩種不同部署下的目標(biāo)檢測(cè)概率進(jìn)行對(duì)比，這里假設(shè)沒(méi)有目標(biāo)時(shí)檢測(cè)概率為100%，結(jié)果如圖4所示。

　　由圖4可知，隨著目標(biāo)數(shù)目的增多，對(duì)于均勻部署的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，目標(biāo)的檢測(cè)概率維持在一個(gè)比較穩(wěn)定、較高的范圍，這是因?yàn)榫鶆虿渴鸬乃泄?jié)點(diǎn)都一直處于正常工作狀態(tài)，對(duì)于不同的目標(biāo)數(shù)目，檢測(cè)概率不會(huì)產(chǎn)生太大的波動(dòng)；對(duì)于基于先驗(yàn)概率模型的混合水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，在目標(biāo)數(shù)目較少的時(shí)候所喚醒的節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少，由于目標(biāo)的隨機(jī)性，會(huì)造成檢測(cè)概率的偏低，但隨著目標(biāo)數(shù)目的逐漸增多，喚醒的節(jié)點(diǎn)數(shù)目也逐漸增多，對(duì)于隨機(jī)性的彌補(bǔ)就更加充分，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率逐漸提高，并在達(dá)到一定的目標(biāo)數(shù)目時(shí)優(yōu)于均勻部署的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　4.3 延時(shí)時(shí)間分析

　　水下傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信時(shí)間不僅包括水下傳輸過(guò)程中的時(shí)間，還包括對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和調(diào)制的發(fā)送時(shí)間。水聲信道在水下的通信速度為1.5×103 m/s ，光學(xué)通信在水下的速度為2.25×108 m/s。水聲信道通信的數(shù)據(jù)調(diào)制速率為1.5×104 b/s，而光學(xué)通信的調(diào)制傳輸速率為1.0×106 b/s。對(duì)于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，總的延遲時(shí)間是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)。

　　由圖5可知，在總的傳輸延時(shí)時(shí)間方面，水下光學(xué)通信的延遲時(shí)間要明顯優(yōu)于水聲通信，所以，與水聲通信相比，在水下近距離通信方面，水下光學(xué)通信可以很好地替代水聲通信，從而與能夠進(jìn)行水下遠(yuǎn)距離通信的水聲信道通信進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)建更加高效的水下混合傳感器網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)。

　　4.4 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間分析

　　假設(shè)每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始能量相同，都為25 J，數(shù)據(jù)包大小為 100 B，而水聲傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所需要消耗的能量為0.05 J，接收一個(gè)數(shù)據(jù)包所需要消耗的能量為0.01 J。對(duì)于光學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)，選擇波長(zhǎng)為480 nm的藍(lán)色LED作為發(fā)射器，發(fā)射功率為40 mW用于產(chǎn)生藍(lán)色脈沖，用光電二極管作為接收器，用來(lái)檢測(cè)接收到的光學(xué)信號(hào)。

　　在圖6中給出了在本文中提出的混合水下傳感器網(wǎng)絡(luò)模型與完全由水聲通信的水下傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型在網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的對(duì)比。由于在近距離通信過(guò)程中采用水下光學(xué)通信，而水下光學(xué)通信的能耗相對(duì)水聲通信來(lái)說(shuō)比較低，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間較長(zhǎng)，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。

5 結(jié)論

　　本文中提出了一種新型的混合水下傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)綜合利用了水聲信道通信和水下光學(xué)通信在不同通信距離方面的優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)距離通信時(shí)用水聲信道通信，在近距離高速通信時(shí)用水下光學(xué)通信，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能，在目標(biāo)覆蓋方面有較好的效果。仿真結(jié)果表明，水聲和光學(xué)混合水下傳感器網(wǎng)絡(luò)在分布式覆蓋中可以較好的減少網(wǎng)絡(luò)部署的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，縮短傳輸和延遲時(shí)間，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。

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