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摘要：随着水下通信技术的不断发展，声波成为实现水下无线传输的主要方式。人们基于水声通信技术建设了水声网络系统，在海洋环境监测、水下目标监测、水下集群指挥调度中有着广泛的应用。简要的介绍了当前国内外水声通信网的研究现状，对水声移动自组织网络路由协议进行研究，与蜂窝网进行比较。最后总结出设计高效路由协议需要注意的问题并针对网络质量，能量均衡，拓扑结构，安全等问题，归纳出三种技术手段进行优化，改善了网络的性能，并对水声通信网的发展进行展望。
关键词：水声通信网；移动自组织网络；路由协议
0引言
海洋拥有着丰富的生物资源与战略资源，近年来世界各国都致力于对海洋的开发与建设，尤其在海洋环境的监测，军事情报的获取，水下集群的指挥调度，以及水下目标监测等方面。目前，随着不断扩大的海洋监测范围和水下武器系统的多样化发展迫切需要速度更快、覆盖范围更广的水声通信网络。由于水声信道是一种带宽窄、环境噪声高、传播损失大、多径效应效应严重的随机信道，因此用于无线网络各层中成熟的技术无法直接应用到水下的环境。以开放式互联网模型（OpenSystemInterconnectionModel，OSI）为基础，结合水声环境与水声网络的实际应用情况，水声网络被分为应用层、网络层、数据链路层、物理层四层结构。而针对网络层的研究主要集中在路由协议。
1水下无线通信网简介
水下无线通信网的整体结构如图1所示，网络由固定节点与移动节点组成，其中固定节点是一些传感器节点，移动节点包括潜艇、自主式水下机器人（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）以及无人潜航器（UnmannedUnderwaterVehicle，UUV），它们通过声波自组成水下无线通信网，节点采集数据信息，并将信息进行基本的处理、分类、加密等操作，发送给汇聚节点，进行相应的处理后发送给水面基站，最后通过无线电将信息发送给控制中心。
1.1国外研究现状
从20世纪80年代起，海洋的军事地位与经济地位被各国所重视，各国都加快对水声通信网的体系结构、节点设计、网络协议等方面的研究。第二次世界大战后，美国军方首次将水声通信技术应用在潜艇系统。随后，对于水声通信和无线传感器在物理和链路层（如编码，调制和媒体访问）的研究取得了充分的发展，并适用于不同类型的环境[1]。自上世纪50年代美国致力于水下监测的研究，并在太平洋和大西洋部署了水下监测系统。可部署的自治分布式系统（DeployableAutonomousDistributedSystem，DADS）[2]是美国的重点研究项目，该项目包含多个低功耗水下传感器节点通过自组网技术组成水下通信网络，使用数据融合处理等技术将搜集的信息通过声波和无线电传递给战术指挥中心或水面船只。该网络被用于情报获取、侦查和监测等活动。自1998年，美国多次进行广域网（seaweb）[3]水声通信网络试验，该网络为DADS网络提供指挥和导航功能，节点由中心节点（自治节点或中继节点）与外围节点（潜艇、AUV、UUV）组成，节点之间以声波为载体进行通信。除美国外，欧州的一些国家也在进行相关的研究和试验。在海洋科学与技术计划（MarineScienceandTechnologyProgramme，MAST）[4]的支持下，欧共体在水声通信领域展开了一系列研究：远程浅海水声通信链路（LongRangeShallowWaterRobustAcousticCommunicationLinks，ROBLINKS）[5]设计并研究了适用于浅海中长距离高速率、高鲁棒性的通信协议；浅海水声通信网（ShallowWaterAcousticCommunicationNetwork，SWAN）[6]针对浅海水声环境对通信算法和通信协议展开了研究，搭建了浅海水声通信网基础模块；用于沿海地区水下环境监测的水声通信网（AcousticCommunicationnetworkforMonitoringofunderwaterEnvironmentincoastalareas，ACME）[7]部署一个监测水下环境的水声通信网络，使用水声传感器网络协议（AnUnderwaterAcousticSensorNetworkProtocol，ACMENet）[8]提升了网路带宽的利用率与水声传感器的使用寿命。
1.2国内研究现状
国内在水声通信领域起步较晚，随着人们意识到海洋巨大的经济与军事价值，海洋资源的开发需求与维护国家海洋权益的迫切需求，使得近十年我国在水声通信领域取得了快速的发展。国内哈尔滨工程大学对水声通信的研究一直处于前沿，2006年哈尔滨工程大学水声工程学提出并设计了以正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）为技术支持的水声通信统，并在不同的水域环境中进行了试验研究[9]，对扩频通信、自适应均衡技术、信道仿真技术进行研究，并成功的完成了多次湖上和海洋长距离实验。中科院声学所对数字语音通信系统进行研究，并进行海试，验证了系统能实现实时高质量的语音通话的能力。中国科学院声学研究所、西安光学精密机械和中国科学院沈阳自动化研究所共同研制成功水下反恐传感器网络监控系统，该系统由三部分组成包括水下蛙人探测、水下爆炸物探测、控制中心组成，能实现对水下运动目标的探测、追踪、识别、报警。由中国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学、浙江大学共同研制了不同制式的水声通信节点，制定了水声通信网技术规范，构建了水声通信网络，并进行了海试与第三方测试，验证了系统的稳定性。
2水声移动自组织网路由协议研究
2.1移动自组网（MANET）简介
近年来，移动自组网（MobileAdHocNetwork，MANET）技术在水声通信网中的应用越来越广泛。自组织网络（AdHoc）是由无线节点（移动或固定节点）组成的集合，与蜂窝网相比该网络不需要现有的网络基础设施，动态形成的临时网络。各节点通过无线的方式彼此协作进行通信，完成信息的交互。由于这种网络不需要任何预设的基础设施，所以在军事与商业中获得了广泛的关注。移动自组网络可以扩大网络的覆盖范围，为覆盖较差或没有覆盖的区域（蜂窝网的边缘）提供无线连接。
2.2路由协议的分类
根据不同的分类方式可将路由分为不同的类别。我们常根据路由结构以及协议的应用环境等特点，来划分路由协议。
2.3水声移动自组织网络的路由协议
由于水声信道以及网络拓扑复杂多变的特点，因此我们在选用水声路由协议时，对网络拓扑结构的多变与不确定，协议需要有较强的适应能力，并在能量消耗与网络性能方面表现优异。水声通信网的路由协议的研究主要集中在表驱动路由协议、按需驱动路由协议与混合路由协议。
2.3.1表驱动路由协议
每个节点周期性的进行信息交换来维护路由表，通过路由表来传递信息，建立从源节点到达目的节点的路由。源节点需要给网络中某一节点发送数据包时，只需要查找存储的路由表获得目的节点的路由信息，不用等待路径的建立，即可发送数据包，传输时延小。当有链路出错或者拓扑结构发生改变时，节点更新路由表并将该消息在整个网络进行广播。表驱动路由协议的缺点主要体现在无需传递信息的节点之间的路由维护消耗了大量的网络带宽。
2.3.2按需驱动路由协议
该协议由路由发现和路由维护两个过程组成，节点不需要周期性的进行信息交换来维护路由表。在源节点发送数据包时，若本地没有去往目的节点的路由信息时开启路由发现的功能，等待路径建立完成发送数据包。按需路由协议不需要像表驱动路由协议进行周期性的进行路由信息的交换，节省了大量的带宽资源，但是在发送数据包之前需要进行路由建立所以时延较大。较高的时延在一些紧急的应用场景，可能会对事件本身产生巨大的影响。
2.3.3混合路由协议
混合路由协议是新一代的路由协议，它拥有了表驱动路由协议与按需驱动路由协议的优点。在混合路由协议中，附近节点的路由使用表驱动式的方法维护，将路由发现的方法用于远处的节点。混合路由协议减少了路由发现的开销，增加了网络的可扩展性。
2.4路由协议设计问题
现在人们已经开发出出很多高性能的路由协议，但这些路由协议都是针对陆地上的无线网络，由于水声信道的固有特性这些协议无法直接应用在水下网络，根据水声通信网路的特点和限制设计出高性能的路由协议需要考虑的问题:
（1）能量消耗与时延
由于水声通信的传播具有带宽窄、延时性高的，传输数据时容易造成数据拥塞和高延迟，会造成信息传输失败，会使整个网络崩溃。水下节点工作必须需要电能的供应，所以对能量的控制是设计水声通信网络路由协议的一个重要因素，通过对网络节点的能量平衡控制可以提升协议的工作效率。
（2）可扩展性
水声通信网的扩展体现在在网络节点的分布数量、网络的覆盖面积、网络的传输延迟以及网络生存的周期等方面，依据这些扩展所产生的问题需要提供解决方案与措施。
（3）安全性
对于任何网络来说，网络的安全性都是至关重要的。水声信道是一个开放的信道，任何人都可以通过水听器去获得信道中的信息。如果没有相应的加密手段，我方通过水声信道传输的信息会被他人轻易的获取，会威胁到我方信息的安全。因此，在设计路由协议时需要考虑网络安全问题。现在常用的水声通信安全技术手段主要有以下几类：密钥管理和加密技术[11]、入侵检测[12]、路由安全[13]、信任管理[14]及其他安全技术。
（4）自适应性
水声通信网络由多个网络节点组成，每个节点都含有大量电子元件，且水下环境复杂多变，当其中一个节点或多个节点因为自身或环境原因失效时，会导致网络拓扑的变化，从而影响网络通信能力。更换失效的节点费时费力实现起来比较困难，所以这就要求水声网络中的各节点需要拥有较强的自适应性，在某些节点出现问题时能迅速做出反应，以维持网络的正常通信。
2.5路由协议优化技术
MANET网络是一个些无线移动节点的集合，网络的无线拓扑结构快速的、不可预测的变化，这会使网络的性能下降，在不同的应用环境对协议进行优化就显得十分重要。从网络质量，能量均衡，拓扑结构，安全问题对路由协议进行改进。针对水下环境的特点，总结了3种技术方法对网络进行优化：能量均衡技术，跨层设计，自适应技术。
（1）能量均衡技术
由于水下网络节点能量有限，且不易更换，因此需要对网络节点采取能量控制。传统的自组网协议没有能量控制能力，为了尽量延长网络的生存周期，避免死节点使得网络性能下降，使用能量均衡技术提升对节点能量均衡性。在文献[14]针对网络能高和时延大的问题，提出了一种基于蚁群算法的AODV路由协议，它改变了传统无线自组网按需平面距离向量路由协议（AdhocOn-DemandDistanceVectorRouting，AODV）依靠传输时间和跳数寻找传输路径的方法，依据能量来寻找路径，实验结果表明改进后的协议提升了网络连通性，节点能量均衡性。
（2）跨层设计
跨层设计可以实现网络中不同层之间进行信息交换、联调优化，提升网络整体的工作性能。图6展示了跨层设计框架，在数据链路层中，在信道发生变化时自适应调制能提升链路速率，拓展网络使用范围。MAC层与网络层共同管理网络流量，减少网络的拥塞。文献[15]中提出了一种以能量高效为目标的跨层协议，在最低电池成本路由协议（MinimumBatteryCostRouting，MBCR）的基础上考虑了节点能量、数据重传等问题。以能量消耗作为路由选择的标准，避免使用剩余能量较低的节点，用跨层设计的方法在物理层收集节点剩余能量的与发送功率信息，根据网络层的控制信息数据链路层调整传输功率，在网络层计算到目的节点的能量消耗并根据计算结果选择路由。实验结果表明改进后的协议降低了网络时延与能量消耗。
（3）自适应技术
在多跳移动网络中，由于节点可以随时加入和离开，会造成网络拓扑的不断变化，影响网络的发包率、吞吐量以及端到端的时延。采用自适应技术可以使网络根据自身情况选择适当的路径机制，增强了网络的性能与可靠性。文献[16]针对优化链路状态路由协议（OptimizedLinkStateRouting，OLSR），提出了路由协议参数调整机制与自适应路由算法，并在linux平台下进行了实现。文献[17]提出了一种结合自适应按需加权算法（Adaptiveon-demandWeightingAlgorithm，AOW）的自适应算法AODV-AOW解决了当节点数量过，导致网络拥塞的问题，从而降低了网络延时、开销，提升了网络工作效率。
3总结与展望
水声通信网在在海洋领域具有重要的民用价值与军事应用价值，我国针对水声通信网的研究相比与美国、欧洲等一些发达国家起步较晚。但经过十几年的发展，我国在水声通信编码技术、调制解调技术、水声信道仿真研究等领域取得了丰硕的成果。（1）在水声通信网络中进行信息传递的关键部分是水声modem，因此水声通信技术是水声通信网络技术研究的基础。在水声通信网络系统中拥有高的通信速率，对提升网络的整体性能具有重要的意义。（2）水声网络具有传播时延长、传播速率低、传播过程易出现差错的特点，导致一些无线通信协议无法在水声通信网络中使用，因此加大对水声网络结构与网络协议的研究对提升网络工作效率与稳定具有重要意义。（3）水声通信网络技术在海洋信息采集、海洋环境监测、灾难预报、分布式战术监视等领域有着广泛的应用。我国拥有广阔的海洋领土，为保障我国海洋领土安全，维护我国海洋权益，迫切需要建立完善的水下信息网络。
作者:肖骁 吴学智 隗小斐 单位:海军工程大学 电子工程学院