水下传感器网络通信：全面总结(1)

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在过去二十年里，感测与通信技术在各种事件监测应用中被成功应用，尤其是在那些长期人工监控不可行的地区。然而，这项技术的主要应用范围主要限于地面环境。另一方面，水下无线传感器网络（UWSNs）为远程监测水下物种和动物开辟了新空间，同时也实现了与水下飞行器、潜艇等的通信。然而，与地面无线电通信不同，水下环境因水介质的高导电性导致信号吸收严重，给可靠通信带来了新的挑战。本文详细概述了不同的水下通信技术，包括声学、磁光和视觉光，以及它们在海底环境中的潜力和挑战。还详细比较了这些技术及其优缺点，并结合真实实验结果。


1 简介无线传感器网络（WSN）的应用不仅限于陆地应用，还在各种水下监测领域具有巨大潜力，如海洋栖息地监测、水下灾害监测、油气管道监测等。此类应用需要连续且非侵入性的通信机制，且在水下环境中表现良好。然而，水下无线传感器网络（UWSNs）带来了许多与陆地环境不同的挑战，主要因为水介质的导电性会随着盐度的增加而增加。基于射频（RF）的通信在地面应用中被广泛研究，然而电磁波（EM）被水介质吸收，因此在深海环境中工作效果不佳。通过使用较低频率可以降低信号吸收，但这会严重限制可实现的数据速率，并需要更大的天线。
声学通信是另一种有前景的通信技术，在水性介质中表现良好。然而，声音传播速度较低（即1500米/秒）导致声学通信的消息延迟较长。此外，多径衰落和声学信号的多普勒效应也限制了通信质量[1]。由于这种长时间延迟和多径效应，这种通信还会受到水下湍流和悬浮沉积物的影响[2]。此外，由于水空边界多条反射路径[3， 4]，通信质量受到不利影响，尤其是在浅水区。

可见光通信（VLC）是另一项新兴技术，2011年由IEEE以IEEE 802.15.7标准的形式标准化。该技术可实现视距通信中100 Mb/秒或更高的传输速率。VLC在水中信号衰减较小，已展现出实现数百米（约300米）高速水下通信的潜力[5]。在可见光谱的400–500纳米处，光的吸收量最小，但其特性会根据浮游植物种类和溶解的水下有机物数量而变化。水下无线光通信（UWOC）也受到水下散射的影响，原因包括密度波动、有机和无机大颗粒。在水下障碍物如海洋生物存在时，通信也会恶化。

另一种新兴且流行的水下通信技术是基于磁感应（MI）的通信，其原理是谐振感应耦合，即两个匹配的LC线圈以相同的共振频率通信。MI通信的传播速度（3 （        imes） 10（^8） m/s）相比声学通信更高。此外，通信纯粹是磁性的，因此不会受到多径衰落和衍射效应的影响。由于多径效应可忽略不计，MI通信在浅水区对湍流影响较小，受损也较小[4]。由于水层与空气边界的磁导率相似，通信质量也不受影响。然而，MI信号强度下降非常快，因此传输范围相对有限。
本文详细概述了水下环境中的不同通信技术，以及它们的潜力、挑战和适用性。由于该主题范围较广，文献中研究的综述文章[6， 7]很少。特别是，[8]中的调查聚焦于水下磁感应通信，[9]中的调查聚焦于水下光学通信，以及[10]中的调查，聚焦于水下声学通信系统。然而，与这些文献不同，我们提供了关于实验原型制作的详细比较，因为其他调查中原型较少。我们还讨论了与不同无线技术相关的相关挑战。
论文结构如下。第二节讨论了水下通信的几种应用场景。第3至6节详细总结了多项研究及UWSN射频、声学、极低频和信息通信的局限性。不同技术的比较及相关讨论总结见第7节。论文在第8节结束。
水下通信的两种不同应用场景水下水域生物资源（UWSNs）的应用在监测海洋水产养殖健康、水下污染检测与控制、水下栖息地监测、气候监测及任何干扰追踪等方面具有巨大潜力。以下我们将讨论UWSN的一些主要应用。
水下海洋生物监测：海洋栖息地监测是水下无线传感器网络的主要应用领域之一。其中一个显著应用是监测捕鱼活动。渔业是全球大量人口的重要收入来源：然而，鱼类捕捉管理不善会扰乱海洋生态系统。因此，可持续的渔业管理需要对捕鱼量和影响进行谨慎管理，这可以通过使用远程摄像头等传感技术远程监测海床栖息地来实现[11]。这些摄像头可以安装在自主水下载具（AUV）上，这些车辆可以收集影像数据，用于海底栖息地监测进行分析[12， 13]。
还有许多类似的演习用于监测海洋栖息地。ACME [14] 是一个由欧洲资助的项目，旨在永久监测海洋活动，特别是在航道、河口等区域。以及类似区域 [15]。类似的其他项目有 LOTUS [16] 和 SWAN [17]。CoralSense [18] 和 SEA-LABS [19] 研究了 UWSN 在珊瑚礁栖息地监测中的应用。[20] 的作者研究了高频多波束声纳作为远程收集海洋哺乳动物高分辨率运动数据手段的潜力。在[21]中，作者开发了一种名为PelagiCam的水下视频系统，用于半自动化监测移动海洋动物。
水下资源监测：UWSN还适合探索各种水下自然资源，如油气开采、漏油、水雷探测等。根据一份报告[22， 23]，预计到2024年全球油气市场的水下监测将超过18亿美元。与此同时，钻探设施事故数量的增加也推动了对大规模水下监测系统的需求。在[24]中，作者利用声学通信沿其视觉测绘监测水下锰壳。其他关于深海勘探的研究也见于[25]。此外，水下机器人和无人自动驾驶载具的日益应用和研究[26]也促进了在水下介质中通信至关重要的水下监测需求。
监测水下管道：水下管道基础设施通常用于输送水、石油和天然气。这些管道跨越广阔区域;例如，将天然气输送到英国的Langeled管道[27]，从挪威Ormen Lange油田延伸至英国的伊辛顿天然气终端，全长超过1200公里。该管道每年输送约255亿立方米的天然气。另一条长达364公里的管道位于卡塔尔和阿联酋之间，位于阿拉伯湾下方，用于运输加工后的天然气[28]。除此之外，墨西哥湾还有约3万英里的水下管道用于转移石油[29]。
然而，随着时间推移，这些长管道会出现泄漏、腐蚀、凹陷和裂纹。污染与泄漏密切相关，包括渗漏、生锈的管道和内部积聚。输送石油和天然气的管道出现裂缝可能致命，并可能导致环境污染。例如，2010年，一条泄漏天然气的管道在加利福尼亚州圣布鲁诺引发爆炸，留下一个72英尺长的坑洞，造成8人死亡，50多人受伤[30]。密歇根附近发生了另一起管道事故，导致84万加仑原油泄漏到卡拉马祖河，估计损失达8亿美元[30]。为避免此类事故，通过在管道间部署传感器节点，持续监控这些管道基础设施至关重要。关于用于石油或天然气开采的水下电缆和管道监测应用的多项研究见[31， 32， 33]。
水下灾害监测：UWSN还适合监测水下灾害，如水下火山喷发、导致海啸的水下地震和洪水。2004年造成印尼广泛破坏和死亡的海啸后，科学家们在印度尼西亚群岛扩展了名为DART（深海海啸评估与报告）的海洋预警系统[34]。该系统由部署在海底的压力传感器组成，用于向岸边传递信号，用于估算潜在的海啸可能性。UWSN还可以用于开发水下地震监测站。伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的一组海洋科学家利用无线电遥测技术，通过安装在火山上的地震监测设备监测一座名为“踢球珍妮”的海底火山（位于加勒比海下的活火山）的隆隆声[35]。这些设备的地震数据通过高频无线电传输到陆基观测站，帮助科学家观察火山吸取和喷出海水、岩浆及超高温流体的状态。
水下通信也被用于在调查和搜寻过程中发现任何意外坠毁后的水下残骸和残骸。例如，2010年法航447航班在大西洋坠毁后，水下AUV被部署。三艘REMUS 6000 AUV被部署用于搜索飞机残骸;它们每天搜索面积约为40.6平方公里[36]。最终在2011年，飞机残骸被侧扫声纳和AUV摄像头检测并确认。这些应用需要将监测数据传输到地面监测站，因此在这种情况下，水下通信至关重要。
监测水下气候变化：UWSN也有潜力监测海底气候变化。例如，Argo项目（https://argo.ucsd.edu/）启动的核心目标是监测与气候变化相关的海洋数据。该项目使用机器人仪器，随洋流漂流，在水面和中层水面之间上下移动[37]。这些仪器测量水温和盐度，以及与海洋生物学/化学相关的其他特性。2020年，Argo每月收集了12,000条数据档案;这些测量为科学家提供了关键信息，如海洋热含量增加、海平面上升等。例如，传感器获得的温度测量使研究人员能够监测多年来热量变化的时空分布。
根据用例需求，上述应用场景可分为两类：连续通信或监控，以及事件驱动监控，如图1所示。例如，监测海洋生物、水下资源和气候等应用需要持续传输感应数据;因此，这些应用的主要服务质量（QoS）要求是传感设备的低能耗。另一方面，水下管道监测（泄漏、污染等）或灾害监测不要求感测节点持续发送数据，但一旦检测到此类事件，必须以高可靠性和低延迟报告。在接下来的章节中，我们将研究不同的无线通信技术（即射频、光学、声学和磁性）及其在各种水下应用中的可能性和局限性。
3 射频技术及其局限性讨论基于射频（RF）的通信已被广泛研究和研究，适用于长距离和短距离通信。水下射频通信在无线电早期就被研究过[38]。然而，射频通过水的传播与通过空气有很大不同;水中通道衰减因子 （alpha） 可表示为 [39]
其中 （sigma） 是水的导电率（单位为西门子/米），（f） 是频率（单位为赫兹），（mu _0） 是磁导率（单位为亨利/米）。由于电导率高，水下通道会经历强烈的信号衰减。因此，水下介质导致高度的信号吸收和绕射，形成极其复杂且有损的通信通道。从方程（1）还可以观察到，衰减与水的导电率成正比，而水的导电率取决于盐度的水平。海水的导电率为4.3 S/m，而淡水为0.001至0.01 S/m。因此，射频信号在海水中的衰减比在淡水中更高。在[2]中，作者研究了水下介质中不同频率下的射频表皮深度、传播速度和路径损失。其他关于水下场景中传播特性的理论建模见[40， 41]。
表1展示了水下介质中不同射频频段的信道特性，其中e折叠深度是指信号强度从表面强度降低l/e的深度（其中e = 2.72）[42]。随着衰减随频率增加，在非常高频和超高频（VHF和UHF）频段建立可靠的水下通信链路非常困难;事实上，在HF和MF范围内，e折叠深度也相当小。因此，该范围的水下射频通信研究相当有限。在[43]中，作者研究了2 MHz、50 MHz和2.4 GHz频段的水下通信。2.4 GHz 的水下射频通信报告在[44， 45]。然而，这些研究都是进行在较低深度的，因此不适用于通用的UWSN应用。


UWSN不同射频频段的特性 [42]

另一方面，选择较低频率来减少吸收有助于衰减[46， 47];事实上，极低频（ELF）潜艇通信曾被研究用于海底电磁应用[48， 49]。该系统曾以76赫兹为美国系统运行，俄罗斯系统为82赫兹，数据速率极低，仅为每分钟几个字符[38]。在[50]中，作者研究了空气到水在23 kHz至1 GHz之间的射频路径损耗。他们确定了当波传播至5米以下深度时，最佳频率范围为3-100 MHz;然而，当深度超过10米时，损失会单调增加。类似的水下通信载具研究见[51， 52， 53， 54]。
然而，使用低频进行射频通信需要更大的天线，这带来了体积不佳和可能严重干扰附近无线电的问题。此外，由于水下射频通信仅限于极低频率，可用带宽非常有限，严重限制了数据速率。VLF仅支持几百个bps，而ELF只支持每分钟几位特[55]，这阻止了复杂数据的传输。由于这些问题，通过水进行长距离高数据率射频通信在许多实际应用中被发现不切实际。因此，下面我们将更详细地研究另外三种通信方式（即声学、光学和磁性）。