水声通信网络研究

尹成 席晖

在水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km，因而它们在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。在非常低的频率（200Hz以下），声波在海洋中却能传播几百公里，即使20kHz的声波在水中的衰减也只有2-3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。采用声波作为信息传送的载体是目前水下实现中、远距离无线通信的有效手段。

浅海水声信道是一个时间-空间-频率变化大、多途干扰强的信道。水下环境噪声复杂且噪音高，传输损耗大，可以使用的带宽非常有限。在浅海中，特别是在港湾航道附近，环境噪声要远远高于深海，且浅海中的水质也比深海浑浊，造成对声音信号较高的散射和吸收。当声波频率较高时，超过一定距离，浑浊的浅海海水对声波的散射和吸收作用会起到主导作用，使浅海传输距离小于深海。同时，浅海的多途效应更加复杂，会造成接收信号的强烈起伏和严重的码间干扰。水声通信网络同其他大多数网络一样，都用分层的方式来组织网络。但是，与OSI协议栈模型和TCP/IP协议体系结构不同，水声通信网络的网络结构由下往上分为三层，物理层、数据链路层和网络层。

1、水声通信网络的节点结构

水声通信网络节点主要由主控制器、接口电路、水下传感器、内存、声音modem以及供电部分构成。控制器通过傳感器接口电路与传感器相连。控制器接收传感器的数据，储存在内存中，然后，处理这些数据，并通过声信号发送给其他网络节点。水下传感器包括用于测量水质、研究水的温度、密度、盐度、酸度、化学、传导性、PH值等特性的传感器。图1显示了水声通信网络节点的内部结构。

图1 水声通信网络节点的内部结构

2、水声通信网络的拓扑结构

网络拓扑设计问题是指在给定各交换节点和终端节点所在地的情况下，选择合适的路由，并对线路进行合理的流量和容量控制，以保证网络可靠性，降低网络成本。因而，网络拓扑设计的好坏对整个网络的性能和经济性都有重大的影响，是实现各种网络协议的基础。

在通信网络中，较常见的拓扑结构有集中式网络拓扑、分布式网络拓扑和多跳式网络拓扑。

集中式网络拓扑结构节点间的通信是通过中心站进行的，网络中每个节点都有一条点到点的链路与中心节点链接，这种拓扑结构适合于深海网络，如图2所示。这种网络结构的优点是结构简单，便于维护，易于升级扩充；主要缺点是因为中心节点的可靠性决定了整个网络的可靠性，所以如果中心站出故障，整个网络就会中断，使得整个网络的可靠性低。此外，由于单个声信号的传输距离有限，网络不能大面积覆盖。

分布式网络拓扑是一种全连接对等网络（如图3），网络中的每一个节点直接与主节点连接，都可以通信，因而这种结构不需要路由选择，但要求每个节点发射功率大，从而能量消耗大。由于水下设备能源有限，因此分布式结构只能用于很小范围的水下传感器网络。

多跳式网络拓扑是一种多次中继的对等结构（如图4），网络中的节点靠相邻节点转发数据，经过多次中继，最后到达主节点，再由主节点与岸基系统通信。这种网络的覆盖范围是由节点数决定的，因而可以覆盖相当大的区域，且单个节点功耗小，对浅海广阔分布的传感器系统非常适用。

由于水下环境能源有限，可用的通信带宽比较窄，所以可靠性差的集中式拓扑结构以及能源消耗较大的分布式拓扑结构都不适合水下组网，而网络覆盖面大并且能源消耗较低的多跳式拓扑结构更为适合，它能在最大限度上提高网络的吞吐量和可靠性，能降低能量消耗和传播延迟，这些对水声通信网络都是至关重要的。

水声通信的研究是一项非常复杂的工程，由于各方面的原因，还有很多问题需要在以后的工作学习中继续深入，再进一步提高能量的高效性，延长网络生存时间，同时兼顾网络节点使用带宽的公平性、增加网络的适时性和提高带宽的利用率。

作者简介：

尹成，（1983- ），男，汉族，山东日照人，硕士，山东水利职业学院教师，主要从事计算机教学和研究。