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石油能源:国内外关于水下网络技术的研究现状
国内外关于水下网络技术的研究现状
| 文章出自:论文网 | 编辑:免费论文 | 点击: | 2013-04-01 20:36:10 |

  作为正在发展的新兴技术,水下网络的发展之所以远远滞后于空中无线网络,很大程度上是受限于水声通信技术的发展。水声通信技术最初是用于军事的。美国是最早进行该方面研究的国家,1945 年成功的研究出适用于潜水艇通信的水下电话,采用模拟调制方式,载波频段在8-11KHz时,传输可达数公里世纪70年代之前,仅有少数的模拟系统,随着VLSI(Very Large Scale Integrated)技术的发展和对探测要求的提高,80年代早期水下数字调制技术开始应用,主要有调频(FM)、调相(PM)和调幅(AM)等。 80年代后期,出现水声相干通信,与非相干通信相比,相干水声通信技术可以提高有限带宽水声信道的带宽效率,但当时的水声通信的距离和速率乘积大约只有0.5km*kbit。直至90年代,由于A3B 芯片技术和数字通信理论的发展,使复杂信道均衡技术的实现成为可能,带动了水声相干通信技术的发展,并转向对水平信道通信的研究。90 年代中期,浅海环境水声通信的速率和距离乘积已达到40km*kbit,使水下网络的建立成为可能。
  最早水下网络应用概念的是美国于1993年提出的自主式海洋水文采集网络(Autonomous Oceanographic Sampling Network, AOSN),该系统采用静止节点与装备于水下航行器的运动节点之间的通信模式,在节点上安置了多种水文仪器:包括水听器、流速器、声纳等。美国空海作战系统中心(SPAWAR)和海军研究暑自1998年开始名为海网(SeaWeb)的年度实验,的网络节点数已经达到17个,频率宽度为9-39KHz,部署深度小于米,最大传输距离达到10km。哈佛大学也于2004年启动ColdBlue平台研究计划,在美国海军舰艇联合会支持下进行基于传感器网络技术的 “近海水下持续监测网”(PLUSNet)研究。
  随着技术的日益成熟,水下传感器网络的应用也逐渐从军事转向民用,如建立的海洋生化监测系统(LOBO)和海洋监测系统(MOOS);加里福尼亚州Newport Bay建立的用于污染监控的浅水网络系;用于气象灾害预警的水声调制解调器网络;以及测量洋流情况的海洋浮标网络系统等。国际学术界普遍认为对海洋的网络化开发标志着“内空间卫星时代”的到来,也成为数字地球规划的重要组成部分。是市场占有率最高的商用声波调制解调器制造商。它的产品涵盖了适用于不同水环境,包括浅水和深水,垂直和水平通道的modem。根据产品指标报告,其浅水产品UWM1000,数据比特率为9600bps-19200bps,传输距离约为 350 米,而深水产品 UWM100000,数据比特率为,传输距离约为10千米,最低造价约为7000美元。关于误码率目前尚没有公开可查的数据。该modem也主要针对点对点的通信模式,不适合作为水传感器网络的组成节点。海洋科学研究所(WHOI)研制的 Micromodem 是目前较为成熟的研究型水声modem,它比其他的商用产品在功耗性能上有很大的改善。Micromodem 采用开放性结构,支持用户编程和多种设备。目前该主要用于水下机器人、传感浮标设备和深海探测器等。
  支持FSK和PSK两种调制方式,其中FSK主要用于浅水和低比特率的应用,而 PSK主要用于深水和高比特率(300-5400bps)的应用。数字系统的实现采用定点 DSP 与浮点 DSP 子卡共同工作的方式。Micromodem 的主要问题在于成本仍相对较高(10000美元左右),且系统的体积和重量大,另外,在长距离通信时功耗仍显过高。
  澳大利亚的科技公司DSPComm,主要为点对点的通信和网络通信制造modem。其产品的数据传输率为100bps和480bps两种,通信距离能够达到200~3000米,不包括供电电池装置和外部封装,单价分别为5900和美元。德国的Evologics公司的产品包括水下modem和水下机器人等。该公司的modem提供了多种传输比特率和封装设计,传输距离在100米到米之间。产品平均价格为15000美元,不包括供电电池装置与外部封装。综上所述,由于目前的商用水声Modem价格昂贵,且存在供电、体积和封装等问题,因此在很大程度上阻碍水下传感器网络的大规模应用。尤其是商用水声Modem的成本有的已经达到了传感器本身的10倍以上,导致目前在民用和针对海洋物理特性的科学研究方面的水下网络以长距离数据传输为主,节点数目稀少,通道情况复杂,网络效率较低。

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