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摘要：隨著水下通信技術的不斷發展，聲波成為實現水下無線傳輸的主要方式。人們基于水聲通信技術建設了水聲網絡系統，在海洋環境監測、水下目標監測、水下集群指揮調度中有著廣泛的應用。簡要的介紹了當前國內外水聲通信網的研究現狀，對水聲移動自組織網絡路由協議進行研究，與蜂窩網進行比較。最后總結出設計高效路由協議需要注意的問題并針對網絡質量，能量均衡，拓撲結構，安全等問題，歸納出三種技術手段進行優化，改善了網絡的性能，并對水聲通信網的發展進行展望。
關鍵詞：水聲通信網；移動自組織網絡；路由協議
0引言
海洋擁有著豐富的生物資源與戰略資源，近年來世界各國都致力于對海洋的開發與建設，尤其在海洋環境的監測，軍事情報的獲取，水下集群的指揮調度，以及水下目標監測等方面。目前，隨著不斷擴大的海洋監測范圍和水下武器系統的多樣化發展迫切需要速度更快、覆蓋范圍更廣的水聲通信網絡。由于水聲信道是一種帶寬窄、環境噪聲高、傳播損失大、多徑效應效應嚴重的隨機信道，因此用于無線網絡各層中成熟的技術無法直接應用到水下的環境。以開放式互聯網模型（OpenSystemInterconnectionModel，OSI）為基礎，結合水聲環境與水聲網絡的實際應用情況，水聲網絡被分為應用層、網絡層、數據鏈路層、物理層四層結構。而針對網絡層的研究主要集中在路由協議。
1水下無線通信網簡介
水下無線通信網的整體結構如圖1所示，網絡由固定節點與移動節點組成，其中固定節點是一些傳感器節點，移動節點包括潛艇、自主式水下機器人（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）以及無人潛航器（UnmannedUnderwaterVehicle，UUV），它們通過聲波自組成水下無線通信網，節點采集數據信息，并將信息進行基本的處理、分類、加密等操作，發送給匯聚節點，進行相應的處理后發送給水面基站，最后通過無線電將信息發送給控制中心。
1.1國外研究現狀
從20世紀80年代起，海洋的軍事地位與經濟地位被各國所重視，各國都加快對水聲通信網的體系結構、節點設計、網絡協議等方面的研究。第二次世界大戰后，美國軍方首次將水聲通信技術應用在潛艇系統。隨后，對于水聲通信和無線傳感器在物理和鏈路層（如編碼，調制和媒體訪問）的研究取得了充分的發展，并適用于不同類型的環境[1]。自上世紀50年代美國致力于水下監測的研究，并在太平洋和大西洋部署了水下監測系統?？刹渴鸬淖灾畏植际较到y（DeployableAutonomousDistributedSystem，DADS）[2]是美國的重點研究項目，該項目包含多個低功耗水下傳感器節點通過自組網技術組成水下通信網絡，使用數據融合處理等技術將搜集的信息通過聲波和無線電傳遞給戰術指揮中心或水面船只。該網絡被用于情報獲取、偵查和監測等活動。自1998年，美國多次進行廣域網（seaweb）[3]水聲通信網絡試驗，該網絡為DADS網絡提供指揮和導航功能，節點由中心節點（自治節點或中繼節點）與外圍節點（潛艇、AUV、UUV）組成，節點之間以聲波為載體進行通信。除美國外，歐州的一些國家也在進行相關的研究和試驗。在海洋科學與技術計劃（MarineScienceandTechnologyProgramme，MAST）[4]的支持下，歐共體在水聲通信領域展開了一系列研究：遠程淺海水聲通信鏈路（LongRangeShallowWaterRobustAcousticCommunicationLinks，ROBLINKS）[5]設計并研究了適用于淺海中長距離高速率、高魯棒性的通信協議；淺海水聲通信網（ShallowWaterAcousticCommunicationNetwork，SWAN）[6]針對淺海水聲環境對通信算法和通信協議展開了研究，搭建了淺海水聲通信網基礎模塊；用于沿海地區水下環境監測的水聲通信網（AcousticCommunicationnetworkforMonitoringofunderwaterEnvironmentincoastalareas，ACME）[7]部署一個監測水下環境的水聲通信網絡，使用水聲傳感器網絡協議（AnUnderwaterAcousticSensorNetworkProtocol，ACMENet）[8]提升了網路帶寬的利用率與水聲傳感器的使用壽命。
1.2國內研究現狀
國內在水聲通信領域起步較晚，隨著人們意識到海洋巨大的經濟與軍事價值，海洋資源的開發需求與維護國家海洋權益的迫切需求，使得近十年我國在水聲通信領域取得了快速的發展。國內哈爾濱工程大學對水聲通信的研究一直處于前沿，2006年哈爾濱工程大學水聲工程學提出并設計了以正交頻分復用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）為技術支持的水聲通信統，并在不同的水域環境中進行了試驗研究[9]，對擴頻通信、自適應均衡技術、信道仿真技術進行研究，并成功的完成了多次湖上和海洋長距離實驗。中科院聲學所對數字語音通信系統進行研究，并進行海試，驗證了系統能實現實時高質量的語音通話的能力。中國科學院聲學研究所、西安光學精密機械和中國科學院沈陽自動化研究所共同研制成功水下反恐傳感器網絡監控系統，該系統由三部分組成包括水下蛙人探測、水下爆炸物探測、控制中心組成，能實現對水下運動目標的探測、追蹤、識別、報警。由中國科學院聲學研究所、哈爾濱工程大學、浙江大學共同研制了不同制式的水聲通信節點，制定了水聲通信網技術規范，構建了水聲通信網絡，并進行了海試與第三方測試，驗證了系統的穩定性。
2水聲移動自組織網路由協議研究
2.1移動自組網（MANET）簡介
近年來，移動自組網（MobileAdHocNetwork，MANET）技術在水聲通信網中的應用越來越廣泛。自組織網絡（AdHoc）是由無線節點（移動或固定節點）組成的集合，與蜂窩網相比該網絡不需要現有的網絡基礎設施，動態形成的臨時網絡。各節點通過無線的方式彼此協作進行通信，完成信息的交互。由于這種網絡不需要任何預設的基礎設施，所以在軍事與商業中獲得了廣泛的關注。移動自組網絡可以擴大網絡的覆蓋范圍，為覆蓋較差或沒有覆蓋的區域（蜂窩網的邊緣）提供無線連接。
2.2路由協議的分類
根據不同的分類方式可將路由分為不同的類別。我們常根據路由結構以及協議的應用環境等特點，來劃分路由協議。
2.3水聲移動自組織網絡的路由協議
由于水聲信道以及網絡拓撲復雜多變的特點，因此我們在選用水聲路由協議時，對網絡拓撲結構的多變與不確定，協議需要有較強的適應能力，并在能量消耗與網絡性能方面表現優異。水聲通信網的路由協議的研究主要集中在表驅動路由協議、按需驅動路由協議與混合路由協議。
2.3.1表驅動路由協議
每個節點周期性的進行信息交換來維護路由表，通過路由表來傳遞信息，建立從源節點到達目的節點的路由。源節點需要給網絡中某一節點發送數據包時，只需要查找存儲的路由表獲得目的節點的路由信息，不用等待路徑的建立，即可發送數據包，傳輸時延小。當有鏈路出錯或者拓撲結構發生改變時，節點更新路由表并將該消息在整個網絡進行廣播。表驅動路由協議的缺點主要體現在無需傳遞信息的節點之間的路由維護消耗了大量的網絡帶寬。
2.3.2按需驅動路由協議
該協議由路由發現和路由維護兩個過程組成，節點不需要周期性的進行信息交換來維護路由表。在源節點發送數據包時，若本地沒有去往目的節點的路由信息時開啟路由發現的功能，等待路徑建立完成發送數據包。按需路由協議不需要像表驅動路由協議進行周期性的進行路由信息的交換，節省了大量的帶寬資源，但是在發送數據包之前需要進行路由建立所以時延較大。較高的時延在一些緊急的應用場景，可能會對事件本身產生巨大的影響。
2.3.3混合路由協議
混合路由協議是新一代的路由協議，它擁有了表驅動路由協議與按需驅動路由協議的優點。在混合路由協議中，附近節點的路由使用表驅動式的方法維護，將路由發現的方法用于遠處的節點?；旌下酚蓞f議減少了路由發現的開銷，增加了網絡的可擴展性。
2.4路由協議設計問題
現在人們已經開發出出很多高性能的路由協議，但這些路由協議都是針對陸地上的無線網絡，由于水聲信道的固有特性這些協議無法直接應用在水下網絡，根據水聲通信網路的特點和限制設計出高性能的路由協議需要考慮的問題:
（1）能量消耗與時延
由于水聲通信的傳播具有帶寬窄、延時性高的，傳輸數據時容易造成數據擁塞和高延遲，會造成信息傳輸失敗，會使整個網絡崩潰。水下節點工作必須需要電能的供應，所以對能量的控制是設計水聲通信網絡路由協議的一個重要因素，通過對網絡節點的能量平衡控制可以提升協議的工作效率。
（2）可擴展性
水聲通信網的擴展體現在在網絡節點的分布數量、網絡的覆蓋面積、網絡的傳輸延遲以及網絡生存的周期等方面，依據這些擴展所產生的問題需要提供解決方案與措施。
（3）安全性
對于任何網絡來說，網絡的安全性都是至關重要的。水聲信道是一個開放的信道，任何人都可以通過水聽器去獲得信道中的信息。如果沒有相應的加密手段，我方通過水聲信道傳輸的信息會被他人輕易的獲取，會威脅到我方信息的安全。因此，在設計路由協議時需要考慮網絡安全問題。現在常用的水聲通信安全技術手段主要有以下幾類：密鑰管理和加密技術[11]、入侵檢測[12]、路由安全[13]、信任管理[14]及其他安全技術。
（4）自適應性
水聲通信網絡由多個網絡節點組成，每個節點都含有大量電子元件，且水下環境復雜多變，當其中一個節點或多個節點因為自身或環境原因失效時，會導致網絡拓撲的變化，從而影響網絡通信能力。更換失效的節點費時費力實現起來比較困難，所以這就要求水聲網絡中的各節點需要擁有較強的自適應性，在某些節點出現問題時能迅速做出反應，以維持網絡的正常通信。
2.5路由協議優化技術
MANET網絡是一個些無線移動節點的集合，網絡的無線拓撲結構快速的、不可預測的變化，這會使網絡的性能下降，在不同的應用環境對協議進行優化就顯得十分重要。從網絡質量，能量均衡，拓撲結構，安全問題對路由協議進行改進。針對水下環境的特點，總結了3種技術方法對網絡進行優化：能量均衡技術，跨層設計，自適應技術。
（1）能量均衡技術
由于水下網絡節點能量有限，且不易更換，因此需要對網絡節點采取能量控制。傳統的自組網協議沒有能量控制能力，為了盡量延長網絡的生存周期，避免死節點使得網絡性能下降，使用能量均衡技術提升對節點能量均衡性。在文獻[14]針對網絡能高和時延大的問題，提出了一種基于蟻群算法的AODV路由協議，它改變了傳統無線自組網按需平面距離向量路由協議（AdhocOn-DemandDistanceVectorRouting，AODV）依靠傳輸時間和跳數尋找傳輸路徑的方法，依據能量來尋找路徑，實驗結果表明改進后的協議提升了網絡連通性，節點能量均衡性。
（2）跨層設計
跨層設計可以實現網絡中不同層之間進行信息交換、聯調優化，提升網絡整體的工作性能。圖6展示了跨層設計框架，在數據鏈路層中，在信道發生變化時自適應調制能提升鏈路速率，拓展網絡使用范圍。MAC層與網絡層共同管理網絡流量，減少網絡的擁塞。文獻[15]中提出了一種以能量高效為目標的跨層協議，在最低電池成本路由協議（MinimumBatteryCostRouting，MBCR）的基礎上考慮了節點能量、數據重傳等問題。以能量消耗作為路由選擇的標準，避免使用剩余能量較低的節點，用跨層設計的方法在物理層收集節點剩余能量的與發送功率信息，根據網絡層的控制信息數據鏈路層調整傳輸功率，在網絡層計算到目的節點的能量消耗并根據計算結果選擇路由。實驗結果表明改進后的協議降低了網絡時延與能量消耗。
（3）自適應技術
在多跳移動網絡中，由于節點可以隨時加入和離開，會造成網絡拓撲的不斷變化，影響網絡的發包率、吞吐量以及端到端的時延。采用自適應技術可以使網絡根據自身情況選擇適當的路徑機制，增強了網絡的性能與可靠性。文獻[16]針對優化鏈路狀態路由協議（OptimizedLinkStateRouting，OLSR），提出了路由協議參數調整機制與自適應路由算法，并在linux平臺下進行了實現。文獻[17]提出了一種結合自適應按需加權算法（Adaptiveon-demandWeightingAlgorithm，AOW）的自適應算法AODV-AOW解決了當節點數量過，導致網絡擁塞的問題，從而降低了網絡延時、開銷，提升了網絡工作效率。
3總結與展望
水聲通信網在在海洋領域具有重要的民用價值與軍事應用價值，我國針對水聲通信網的研究相比與美國、歐洲等一些發達國家起步較晚。但經過十幾年的發展，我國在水聲通信編碼技術、調制解調技術、水聲信道仿真研究等領域取得了豐碩的成果。（1）在水聲通信網絡中進行信息傳遞的關鍵部分是水聲modem，因此水聲通信技術是水聲通信網絡技術研究的基礎。在水聲通信網絡系統中擁有高的通信速率，對提升網絡的整體性能具有重要的意義。（2）水聲網絡具有傳播時延長、傳播速率低、傳播過程易出現差錯的特點，導致一些無線通信協議無法在水聲通信網絡中使用，因此加大對水聲網絡結構與網絡協議的研究對提升網絡工作效率與穩定具有重要意義。（3）水聲通信網絡技術在海洋信息采集、海洋環境監測、災難預報、分布式戰術監視等領域有著廣泛的應用。我國擁有廣闊的海洋領土，為保障我國海洋領土安全，維護我國海洋權益，迫切需要建立完善的水下信息網絡。
作者:肖驍 吳學智 隗小斐 單位:海軍工程大學 電子工程學院