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1.7 水下通信网络

如前所述,无线电波在水下传播性能不好,只有水声信号可长距离传播,所以目前大多数水下无线网络都是基于声波;蓝绿激光在一定条件下,可以在水下提供较高速率的数据传输,但传播距离只有几百米。

1.7.1 水声网络(UWAN)

通过部署基础设施来构建水下网络是昂贵的,所以WANET经常被用来构建水下网络,典型的例子是UWAN [97] ,它常用于构建水下物联网 [98] 。UWAN具有一些大多数陆基无线网络不具备的特征,如网络时延长、网络容量低、可靠性弱和动态性高等。文献[99]指出,这些特征主要是由水声通信引起的,受以下几个因素的影响:水声波的物理特性、传播环境、传播介质海水的特性。影响声波在海水中传播的主要因素包括温度梯度和盐度,其变化导致了介质密度分层,后者进一步导致传播速度的变化和声波折射。水下声波的主要物理特性包括低传播速度和信号的频率选择性热转换,这些导致只有低频声信号才能进行长距离传播。因此,水声通道不可靠、容量小、时延长。

上述特点以及当前水声通信技术和运作方面的限制,如单工通信、通信能耗大和水下通信设备昂贵等,阻碍了成熟的陆基无线网络协议直接用于UWAN,并对其网络协议设计提出了许多新挑战。文献报道了许多关于UWAN协议的研究工作,包括水下组网 [6,18] 、MAC协议 [100] 、路由协议 [101-102] 、端到端可靠传输协议 [103] 和网络安全 [104] ,以及UWAN的拓扑控制 [19] 等。

1.7.2 水下光网络

水下无线光通信(UOWC)可以提供比水声通信更高的数据速率,但距离更短。正如文献[105]总结的那样,UOWC功耗小,计算复杂度低,可应用于从深海到近岸水域的通信。水环境的基本特性(如视距传播的缺失和水的透明度)可能对光信号传播产生吸收和散射。文献[105]介绍了一种混合方法来设计UOWC系统,采用了新近发展的不同于陆地FSO通信的设计方法;同时也对UOWC信道特性、调制方法、编码技术和各种UOWC特有的噪声来源等方面的现状进行了全面调研。

有关水下光网络(UWON),文献[106]研究了一种基于水下光通信的CDMA蜂窝网络。它由一组位于六角形单元中心的光基收发站(OBTS)组成。一个OBTS配备一对全向光发射机和接收机,并通过光纤连接到中心节点,后者连接全球网络。用户收发机有一对单向光发射机和接收机。研究结果表明,在纯海水传输条件下,蜂窝覆盖半径可超过70m;对于沿岸水域,蜂窝半径降至35m以维护通信的可靠性。文献[107]讨论了一种水下稀疏蜂窝网络及其协议架构,它试图将水声、光(蓝/绿激光器)和光纤集成起来,以实现高性能水下网络,支持高速率、长距离和低时延的全双工通信。 KFQigmhAt2XDpUAOgk9IYeJfwyfUuDD+4sx1yGmYdetV7ICbQ8Osz+020Hw2tfhF

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