水下无线传感网络

ii 研究与探讨ii水下无线光通信关键技术与未来展望* * **收稿日期：2022-04-29*基金项目：国家重点研发计划项目(2021YFB2900200);国家自然科学基金项目(61925101, 61831002 )**通信作者褚馨怡，袁仁智"，彭木根(北京邮电大学信息与通信工程学院，北京100876 )【摘要】 随着“海洋强国”战略的推进，水下无线通信的需求愈加迫切。

传统水声通信无法满足日益增长的水下数据高速传输需求，水下无线光通信凭借其高速率、高保密和低成本等优势，成为水下无线通信的研究热点。

从水下无线光通信的传播特性和应用场景出发，概述了水下无线光通信的理论信道模型、编码调制技术和最新实验进展，并结合深海环境和6G 愿景，展望了水下无线光通信多输入多输出技术、弱光信号检测技术和水下通感一体化技术的发展方向及相应挑战。

【关键词】 水下无线光通信；信道建模；编码调制；水下弱光检测doi:10.3969/j.issn.l006-1010.2022.06.014 中图分类号：TN929.1丈献标志码：A 丈章编号：1006-1010(2022)06-0086-05引用格式：褚聲怡，袁仁智，彭木根.水下无线光通信关键技术与未来展塑Q].移动通信,2022,46(6): 86-90.回s&O 回OSID ：Key Technologies and Future Prospects of Underwater Wireless Optical CommunicationCHU Xinyi, YUAN Renzhi, PENG Mugen(School of Information and Communication Engineering, Beijing University of P osts and Telecommunications, Beijing 100876, China)[Abstract] With the promotion of the “Strong Maritime Country^^ strategy, the need for underwater wireless communication technologyis becoming urgent. Traditional acoustic communication cannot meet the growing demand for high-rate underwater data transmission, therefore with the advantages of high data rate, high security, and low cost, underwater wireless opticalcommunication (UWOC) becomes a hot topic of underwater wireless communications. Starting from the propagationcharacteristics and application scenarios of U WOC, theoretical channel models, coding and modulation technologies, and the latest experimental achievements of U WOC are outlined subsequently. Finally, combining the deep-sea environment and the 6G visions, the future directions and the corresponding challenges for UWOC are envisioned, including the multiple-input multiple-output technology, the weak optical signal detection, and the integrated sensing and communication.[Keywords] underwater wireless optical communication; channel modeling; coding and modulation; underwater weak optical signal detectiono 引言水下通信(UWC, Underwater Wreless Communication )技术可广泛应用于军事和民用水下通信场景，包括水下潜艇通信、水下无人机组网、水下洋流探测和海洋资源开发等。

哈工程水声本科生培养方案一、引言水声工程是以水声为研究对象，以水声技术为主要手段的一门综合性学科。

水声工程学科涉及水声传感、信号处理、水声通信、水声定位与导航、声纳探测、声纳成像、水下无线传感网络等多个领域。

随着海洋经济的发展和国家海洋战略的提出，水声工程学科的发展前景广阔，对水声工程专业人才的需求也在不断增加。

哈尔滨工程大学（以下简称哈工程）作为我国最早设立水声工程学科的高校之一，拥有雄厚的水声工程研究实力和丰富的人才培养经验。

本文将从课程设置、实践教学、科研能力培养、实习实践和国际交流等方面，详细介绍哈工程水声工程本科生培养方案，旨在为相关专业学生提供系统全面的培养方案。

二、课程设置1. 专业基础课程（1）水声学基础：包括水声传播特性、水声信号和声场理论、声波传播特性等基础知识。

（2）信号处理与分析：涵盖信号采集、预处理、时域和频域分析等内容。

（3）水下声纳与通信：介绍水下声纳系统、水下通信技术的原理和应用。

（4）海洋数据采集与处理：包括多波束声纳数据采集与处理、水下图像数据采集与处理等内容。

2. 专业核心课程（1）水声传感技术：涵盖水声传感器原理、水声信号处理和水声定位等内容。

（2）水声通信与网络：介绍水下无线传感网络、水下声纳通信等技术。

（3）声纳探测与成像：包括声呐成像、水下声纳探测等内容。

（4）水声工程设计：结合水声工程实践案例，进行水声系统设计、水声算法设计等实践项目。

（5）海洋工程概论：介绍海洋环境、海洋资源开发、海洋测绘等基础知识。

3. 实践教学（1）实验课程开设水声实验、声学实验、信号处理实验等实验课程，让学生通过实验操作提高对水声工程知识的理解和掌握。

（2）实习课程开展水声工程实习课程，安排学生到科研院所、企业进行实习，让学生全面了解水声工程行业发展现状和水声工程技术应用。

三、科研能力培养为提高学生自主学习和科研实践能力，哈工程在培养方案中注重培养学生的科研能力。

具体措施包括：1. 科研训练开展科研能力培养课程，培养学生从事科研工作的基本方法和技能。

一种基于锚节点失效的UWSN定位算法管文冰;朱志文;刘林峰;姚升【摘要】文中提出一种基于锚节点失效的、利用已定位节点帮助未知节点定位的算法。

未知节点在锚节点失效的情况下不能获得足够信标信息，因此可能无法定位，于是向周围广播无法定位报文。

收到该报文的已定位节点则选择地转化为参考节点，并广播自己的位置信息，转换为信标角色协助未知节点定位。

无法定位节点从收到的信息中选择参考价值较高的坐标帮助自己定位。

仿真结果表明，该方法能有效地提高定位覆盖率，降低锚节点失效对整个网络定位精度的影响。

%An anchored node failure based localization algorithm is proposed to help the nodes which can’ t locate themselves with the a-vailable beacon information. Unknown nodes can’ t receive enough beacon information to locate themselves in the case of anchor node failure,so they broadcast the messages which notifies they can’ t locate themselves. When a located node receives these messages,it will broadcast its location information to help the senders which can’ t locate. Then the unknown node picks upthe node information with high degree of accuracy to locate itself. The simulation results show that this algorithm can effectively improve the localization coverage and re-lieve the influence of anchor node failure on the whole network localization accuracy.【期刊名称】《计算机技术与发展》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P218-222)【关键词】水下无线传感器网络;节点失效;定位协助;定位覆盖率【作者】管文冰;朱志文;刘林峰;姚升【作者单位】南京邮电大学计算机学院，江苏南京 210023; 江苏省无线传感网高技术研究重点实验室，江苏南京 210003;南京邮电大学计算机学院，江苏南京210023; 江苏省无线传感网高技术研究重点实验室，江苏南京 210003;南京邮电大学计算机学院，江苏南京 210023; 江苏省无线传感网高技术研究重点实验室，江苏南京 210003;南京邮电大学计算机学院，江苏南京 210023; 江苏省无线传感网高技术研究重点实验室，江苏南京 210003【正文语种】中文【中图分类】TP301.60 引言地球上水资源丰富，但是水下作业面临诸多的困难和危险，所以水资源探索和利用的研究进程十分缓慢［1］。

• 104•ELECTRONICS WORLD ・探索与观察目前水下通信已经覆盖民用、军事多个领域，水下通信一直是人们所主攻的技术方向。

本文对水下通信技术的研究进展进行了综述，重点总结和分析了几种典型的水下通信方式，并在此基础上讨论了水下通信下一步的研究方向。

水下通信是指水下双方的通信，或者水上与水下的通信，水通常指海水、湖泊水、河水等自然水域。

目前水下通信技术的研究主要包括两类：水下有线通信技术和水下无线通信技术，具体如下。

1 水下有线通信技术1.1 水下线缆通信技术水下线缆通信是在水下铺设线缆，形成通信双方高可靠高稳定高带宽通信链路。

但该技术也有明显的缺陷，就是材料成本和人工成本高，同时需要线缆具有高水密性，并且恶劣海洋环境容易导致线缆漏电情况的发生，在铺设、维护和安全方面存在一定的不利因素。

1.2 水下电力载波通信技术水下电力载波通信利用的是低压电力线，不需要专门铺设线缆，它采用调制技术，对用户数据进行调制，将承载用户数据的高频加载于电流上，通过电力线进行数据传输，可大大降低成本。

但其将通信信号耦合至电力线时，会存在耦合损耗，导致信号衰减，而且为了扩大传输距离，必须使用中继器，同样需要人工成本，并且必须保证其在水下相当长时间正常稳定工作。

2 水下无线通信技术2.1 水下电磁波通信技术水下电磁波通信主要是使用电磁波的甚低频VLF 、超低频SLF 和极低频ELF 三个低频波段进行通信，其通信过程与陆地电磁波通信类似，都是利用无线电磁波收发机进行双向通信，区别在于前者是水下，后者是水上。

由于电磁波的传播不需要介质，并且具有强穿透性，因此无线电磁波收发机具有抗干扰，在近距离条件下能达到较高的通信质量和容量的优势。

但是无线电磁波收发机本身功率大，成本高，天线尺寸大，体积大，并且传播路径损耗严重，信道不稳定。

2.2 水下光通信技术水下光通信包括水下可见光通信、水下不可见光通信，是以光波作为信息载体，通常发射端采用编码芯片对通信信号进行编码处理后，传送至发光光源，发光光源将收到的信号转换为光信号，光信号经过汇聚后发送到水下信道；光信号通过水下信道到达接收端，接收端将入射的光信号汇聚到光电二极管探测器上，光电二极管探测器将收到的光信号转换成电信号，并对电信号进行滤波放大等处理，再由解码芯片进行解码，从而恢复出原始数据。

龙源期刊网 基于无线传感网的海洋监测节点定位算法作者：任秀丽韩静晶来源：《计算机应用》2012年第10期摘要:针对应用于海洋监测的无线传感器网络，提出了一种基于蒙特卡罗算法的节点定位算法。

该算法根据海洋中洋流在某一时间段内线性运动的特性，通过引入符合海水运动规律的角度来提高节点在位置预测阶段的精度；并根据节点感知压力的大小来确定预测坐标的置信度，以对预测坐标进行修正，进而得到最终的预测结果。

仿真结果表明，该算法比传统的定位方法在不同的锚节点密度、节点密度、节点运动速度和时间等条件下都表现出更好的性能。

关键词:无线传感网络；移动节点；定位；精度；蒙特卡罗定位中图分类号: TP393.02文献标志码:A英文标题引言水下传感器网络以水下传感器作为信息获取的窗口，并最终以某种方式把水下传感器网纳入常规网络，把水下数据送给观察者［1］。

它可以应用于海洋学数据获取，海洋污染监控，近岸开发，灾难预防，以及水下目标的探测、跟踪与定位。

在以往的水下传感器网络研究中，研究人员针对静态的水下传感网，是将三维定位转化成二维，先利用传统的节点定位算法，如基于到达时间（Time Of Arrival，TOA）的定位，基于接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication, RSSI）的定位，基于到达角度（Angle of Arrival）的定位等［2］计算节点在XOY平面的坐标，再根据水下深度与压强值的关系确定Z 轴坐标［3-4］；另外，研究人员还利用水下传感网声音传输信号的特性，提出了时间同步的问题［5］，通过控制误差传播以提高定位精度。

而对于节点移动的水下传感网，研究人员主要是在假设节点有自定位功能［6］或者传感器节点带有全球定位系统（Global Positioning System, GPS）定位装置［7］的前提下进行研究的。

然而在实际应用中，考虑到技术和成本等问题，不可能给每一个传感器节点配备GPS定位装置，也不能使每一个传感器节点都保持固定的位置。

无线传感器网络作业2014年第一学期第一章1.2 什么是无线传感器网络？答：传感器网络的标准定义是这样的：传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。

1.5 传感器网络的终端探测节点由哪些部分组成？这些组成模块的功能分别是什么？答：由传感模块、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统组成。

这里传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存贮模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。

另外，电源模块负责节点供电，节点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。

1.8 传感器网络的体系结构包括哪些部分？各部分的功能分别是什么？答：无线传感器网络体系结构包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层和能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。

这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。

第二章2.2 传感器由哪些部分组成？各部分的功能是什么？答：传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。

敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。

转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。

基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。

另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。

2.7 传感器的一般特性包括哪些指标？答：传感器的一般特性包括：灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、重复性、漂移、精度、分辨率（力）、迟滞。

2.8 什么是传感器的灵敏度？答：传感器的灵敏度指传感器达到稳定工作状态时，输出变化量与引起变化的输入变化量之比，即 K=输出变化量/输入变化量=△Y/△X=dy/dx2.9 什么是传感器的线性度？答：线性度是指传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线）与拟合直线之间的吻合（偏离）程度。

传感器网络在军事领域的应用信息化战争将是未来战争的基本形态，作战力量体现高度综合化、一体化、网络化的特征，各兵种“小单元”通过战场“大网络”实现横向间的“无缝”连接，上下级之间、人与武器、环境之间需要实时协同；信息化战争要求作战系统“看得明、反应快、打得准”，谁在信息的获取、传输、处理上占据优势（取得制信息权），谁就能掌握战争的主动权。

传感器网络技术的问世，对现有军事系统格局产生了巨大冲击。

它的影响绝不亚于互联网在军事领域里的广泛应用，将触发军事变革的一次重新启动，使军队建设和作战方式发生新的重大变化。

具体地说，传感器网络具有以下优势：●生存能力强传感器网络具有灵活的部署方式，例如通过飞机高空布撒，节点自组织地快速形成一个无线网络。

节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关，各个节点地位平等，没有严格的控制中心。

每个传感器节点可以随时加入或离开网络，而不会影响整个网络的正常运行。

当某些传感器节点由于环境干扰或人为破坏而不能正常工作时，随机布设的大量传感器节点之间可以协调互补，动态连接成新的传感网络系统，保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务。

因此，无线传感器网络在恶劣的战场环境下有着很强的生存能力。

●精确性和可靠性高由于传感器网络系统可以在监测区域大量布设低成本的传感器节点，使得传感器节点能够与探测目标近距离地接触，极大地消除了环境噪声对系统性能的影响。

通过多种类传感器的混合应用，可以在提高探测性能指标的同时从不同空间视角对监测对象进行监测，而多节点联合和多方位信息的综合能够有效地提高信噪比，形成覆盖面积较大的实时探测区域，从而提高监测准确性，克服卫星和雷达这类独立系统的技术难题。

由于传感器网络其特有的无需架设网络设施、具有生存能力强、探测精度高、成本低等特点，非常适合应用于恶劣的战场环境中，执行战场感知侦察、边境监控和后勤保障等任务。

以下将从这三个方面具体展开应用和相关技术介绍：1、传感器网络在战场感知侦察上的应用近期几场高技术局部战争表明，谁拥有感知战场态势的能力，谁就能够透彻地了解对手，掌握我情，洞察环境，先敌决策，快于对手行动，从而完全控制战场以至赢得战争的胜利。

水下磁通信背景：水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染，气候变化海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输。

水下无线通信在军事中也起到至关重要的作用，而且水下无线通信也是水下传感器网络的关键技术。

传统水下无线通信方式一、水下电磁波通信无线电波在海水中衰减严重，频率越高衰减越大。

水下实验表明：MOTE节点发射的无线电波在水下仅能传播50～120cm。

低频长波无线电波水下实验可以达到6～8m的通信距离。

30～300Hz的超低频电磁波对海水穿透能力可达100多米，但水下节点体积较大。

因此，无线电波只能实现短距离的高速通信，不能满足远距离水下组网的要求。

二、水声通信水声通信是其中最成熟的技术。

声波是水中信息的主要载体，己广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。

声波属于机械波（纵波），在海面附近的典型传播速率为1520m/s，且在海水中的衰减小得多（其衰减率为电磁波的千分之一），传输距离远，使用范围可从几百米延伸至几十公里，适用于温度稳定的深水通信。

三、水下激光通信水下激光通信技术利用激光载波传输信息。

由于波长450nm～530nm的蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多，因此蓝绿激光作为窗口波段应用于水下通信。

蓝绿激光通信的优势是拥有几种方式中最高传输速率。

在超近距离下，其速率可到达100Mbps级。

蓝绿激光通信方向性好，接收天线较小。

水下磁通信国外相关研究计划2017年1月6日，美国国防先期研究计划局（DARPA）发布了“变形虫”（A Mechanically Based Antenna，AMEBA）项目征询书，将开发微型特低频/甚低频（ULF/VLF）信号发射机，提高长波通信和数据传输能力。

目标是寻求利用特低频（ULF，300Hz~3kHz）和甚低频（VLF，3kHz~30kHz）无线电波的优点，实现军用远程通信。

这些低频电磁波具有优异的穿透与绕射性能，ULF通信将使在水下作业的载人和无人潜艇之间的直接通信以及发送数据、文本甚至语音成为可能。

海洋科技在海洋资源开发中的应用与创新海洋是人类的生命之源和未来之希望。

作为地球上陆地的两倍，海洋拥有着无限的生命和宝藏。

但是，由于海洋的复杂和危险，海洋资源的开发一直都是难以克服的问题。

近年来，随着海洋科技的进步，越来越多的无人机、浮标、潜水器等工具被广泛应用于海洋资源的开发和利用。

本文将在海洋科技的奇妙世界中寻找应用和创新的乐趣，探讨海洋科技在海洋资源开发中的应用与创新的问题。

一、深海探测技术的革命海洋有着广阔的面积，而深海更是人类迄今为止探索最为难以克服的领域之一。

有关深海的信息几乎是零散的，在人们的认识中真空感十足。

例如在4000米的深海中，光线无法透过水体，大部分的海洋生物和现象都无法被naked eyes所看到。

更多的，人类在深海中发现基本上都是由意外或科学探究所带来的。

为此，深海科学家们发展了一系列深海探测技术，使我们可以通过设备的帮助去了解海洋深处的事物，1.潜水器的应用：深海探测潜水器是一种用于探测、采集深渊海底现象和深渊生命的机械设备。

当今的深海采掘设备有很多，但是最初在深海中游走的潜水器，诞生于1960年左右，并逐渐发展成为如今种类繁多的潜水器花园。

潜水器通常搭载各种传感器、成像仪器，包括水下相机、水下观察器、水下定位器等等。

潜水器可以在深海环境中稳定地进行探测工作，从而帮助科学家们加深对深海的认识。

2.无人潜艇的创新：无人潜艇，是一种无需人员坐舱即可进行探测、勘测以及采样活动的潜水器。

它一般配备有主控制中心、电池、变速器、微处理器、音视频系统等设备，并且可以动态调整和升降深度。

与传统的载人潜水器相比，无人潜艇无需考虑人员安全，往往可以深入更深的深度，因此更适合于采集大气和水的样品以及相关数据。

二、海洋环境监测技术的革命环境监测是指以现代高精度的技术手段对环境污染和变化作出分析和预测。

海洋环境监测由于监测环境复杂、难以直接观察等特点，需要利用到大量的信息技术来辅助监测和分析。

关于消防救援水下通信技术应用的思考作者：罗涛来源：《消防界》2023年第17期摘要：水下通信技术的发展对促进消防水域救援具有重要价值和意义，此技术可应用于水面救援、水下搜救等救援作业，促进消防救援事业良好发展。

水下通信的新技术与新装备在消防救援领域有着较为广阔的应用前景，不仅能够有效降低水域救援人员的安全风险，还可以提升救援队伍的综合救援效率，有利于更好完成救援任务。

基于此，本文针对目前的消防救援水下通信技术进行分析，并提出相应的应用策略。

关键词：水下通信；消防救援；通信；水域救援引言水域救援是消防救援中的重要任务种类，水下通信技术是展开水下救援任务的关键技术，将其应用到水下救援工作中能够提升水下救援工作质量与效率。

目前我国消防救援任务繁重，逐渐向出全灾种、大应急方向发展，对相关通信技术的要求也日益提高。

就目前而言，水声通信技术、电磁通信技术与光学通信技术是水下通信技术领域中发展相对成熟的技术。

不同技术类型有着不同的应用优劣势，其中水声通信技术因具备较长的通信距离，近年来受到广泛关注，同样也是目前消防水下救援应用较为广泛的技术。

一、消防救援水下通信技术发展现状与技术种类（一）消防救援水下作业存在的困难2020年我国溺水数据统计显示，全世界每年有超过32万人因溺水而亡，我国每年约有5.7万人溺亡[1]。

消防救援领域的水下通信技术在未来发展过程中需要攻克技术性难题，目前的水下通信作业尚存在诸多困难，主要表现为以下几点。

第一，防水要求高。

水下救援大多存在复杂水下环境，对各项设备和终端的防水要求较高，特殊救援情况需要通信设备长时间浸泡或接触水环境。

水下通信设备包括水下信标、水下对讲机、水下便携电脑等。

因此，通信设备需要做好专业防水，避免结构进水影响通信联通[2]。

第二，水面通信依赖性强。

水下救援活动需要水面的指挥统领，水下通信需要水面通信作为支持，需要连接水面的通信设备转发水下信号，但水面通信的移动性较强，无法提供固定的通信地点，这就表明整个水下救援活动无法长时间使用有线通信设备，大多数情况需要依靠无线通信。

《无线传感器网络原理与应用》复习题一、填空题：1.无线传感器网络的三个基本要素是：、和.2。

无线传感器网络实现了、和的三种功能.3.无线传感器网络包括四类基本实体对象:目标、观测节点、和。

4.根据无线传感器网络系统架构，无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node）、和。

5。

无线传感器节点通常包含四个模块,他们是：数据采集模块、、无线通信模块和。

6.无线传感器网络的协议栈包括物理层、、、传输层和，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。

7.无线传感器网络的MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会（IEEE)制定的协议。

8。

无线通信物理层的主要技术包括、、调制技术和.9。

在无线通信系统中，有三种影响信号传播的基本机制：、绕射和。

10。

无线传感器节点处于、接收状态、侦听状态和时单位时间内消耗的能量是依次减少的。

11.无线传感器网络MAC协议根据信道的分配方式可分为、和混合式三种。

12。

根据无线传感器网络不同的应用可以将其路由协议分为五类，你知道的有：、、.(任意给出3种)。

13. IEEE 802.15.4标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即和。

14。

Zigbee的最低两层即物理层和MAC层使用标准，而网络层和应用层由Zigbee联盟制定。

15。

Zigbee协议中定义了三种设备，它们是: 、和Zigbee终端设备。

16。

Zigbee支持三种拓扑结构的网络，它们是：、和。

17.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照网络应用的深度可以划分三种: 、和。

18。

无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照时间同步的参考时间可以划分为和.19.无线传感器网络的时间同步方法有很多，根据需要时间同步的不同应用需求以及同步对象的范围不同可以划分为和. 20。

无线传感器网络定位技术大致可以划分为三类：、和。

21.无线传感器网络典型的非测距定位算法有、APIT算法、以及等。

22.无线传感器网络的数据融合策略可以分为、以及.23。