资源描述：
《水下物联网研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、摘要：大约71%的地球表面被海洋覆盖,随着人类科技发展以及日益增长的资源需求,海洋的开发利用迫在眉睫,而水下环境的复杂性为人们探索与开发海洋资源带来了困难,水下物联网可为海洋的利用开发提供新的手段。论文针对水下物联网开展了初步研究,分析了水下物联网的特征,提出了网络架构,在此基础上分析了水下物联网研究面临的技术难点,最后给出了水下物联网的应用前景。1引言全球约有四分之三的面积覆盖着水资源,可以说水环境覆盖了全球大部分的区域,其中96%的水环境为海洋环境。随着人类科学技术的发展,陆地可开采的资源日渐匮乏,人们将探索的目光转向海洋。在当今世界
2、,全球海洋经济正在兴起,各国对海洋权益的重视日益加深,人们迫切的需求新的技术去探索广阔的水下未知世界。开发利用海洋资源成为未来的发展趋势,因此有效提高海洋资源勘探能力、海洋环境监测保护能力以及海洋灾害预警能力成为了我国未来海洋经济可持续发展和海洋权益保护的必要手段,同时这也在提高未来国家核心竞争力方面占据了十分重要的战略地位。水下物联网可定义为通过数字实体将水下物体智能互联的全球范围网络,是一项计算与通信领域的技术革命,为探索水下世界提供了一种崭新的方式。通过融合网络技术、跟踪技术、嵌入式传感器技术等先进技术,水下器件可有效地实现对水下环
3、境的感知、监测和快速反应,并且使水下物体与陆地物体之间的互联互通成为可能。每一个水下物理对象都伴随一个虚拟对象,在虚拟对象上包含了该物理对象的当前信息与历史信息,信息的内容包含了对象的物理特性、起源、环境数据等。这些数据是泛在的,用户可通过多种不同的手段实时获取,这将大大减小水下资源开发与管理的难度。因此水下物联网在海洋学、海洋经济活动、海底调查、灾害预警及救援、水雷探测、辅助导航以及海洋石油工业等领域都有很大的应用潜力,本文从网络特征、架构、典型应用场景以及技术难点等方面对水下物联网进行了初探。2水下物联网的特征与陆地上的传统物联网概念
4、相比,水下物联网虽然在结构与功能上有相似之处。但受到水下环境制约以及水下设备计算能力与能量的限制,水下物联网具有以下几点特征。2.1不同的通信技术无线电波只能在极低的频率条件下才能在海水环境中传输相对较长的距离,而这需要很大的天线和非常高的发射功率,这在水下环境中显然是不适用的。相比之下,声波在水下具有相对优越的传输特性,因此水下声通信链路成为了水下网络信息传输的首要选择。水下声通信主要受到了路径损耗、噪声、多径效应、多普勒效应以及随机变化的高延迟的影响。这些因素共同决定了水声信道是一个时空不确定的信道,其可用带宽是有限的,并且带宽是根据
5、距离和频率动态变化的。在超过数十千米的长距离传输系统中可能只有几千赫的带宽,在几十米范围内的短传输距离的系统中带宽将可能超过几百千赫。2.2不同的跟踪技术传统陆地物联网中大多采用RFID(RadioFrequencyIdentification)技术来对物品进行跟踪,受水环境的阻隔,无线电标签在水下难以得到应用,因此在水下物联网中将会采用不同的技术对水下移动物体进行跟踪(例如鱼类等),其中声标签追踪就是一种可行的方式,该方式利用声发射装置作为声标签,水下可探测距离可超过1km,可有效地在水下三维环境中跟踪移动物体。2.3难以补充能量水下设
6、备一般都是都很难获得能量补充,多数是由电池提供能源。当电池能量耗尽时,水下设备就会失效,导致水下物联网中的节点数目越来越少,网络功能难以体现。而水下节点的电池更换又是极为困难的,为了提高水下物联网的生存周期,在设计水下物联网各层协议时,需要重点考虑能耗问题。2.4不同的网络密度在传统陆地物联网中,由于将所有“物体”连接到一个网络中,网络中的节点和设备数量是巨大的。与之相反,考虑到水下节点成本以及水下布置的难度,水下物联网将会是一个稀疏网络,因此水下物联网的通信建立与维护将更加困难。2.5不同的定位技术在传统陆地物联网中,移动物体的定位一般
7、依靠GPS(GlobalPositioningSystem)定位技术或北斗定位技术。在水下环境中由于无法接收卫星定位信号,陆地上使用的定位方法不能直接应用与水下环境中,这就需要针对水下环境开发新的定位算法。水下的三维环境、节点随波逐流的特点、水下时间同步困难都为水下定位算法的设计带来挑战。3水下物联网架构水下物联网的架构如图1所示,可以分为三层：感知层、网络层和应用层。其中感知层用于识别物体并收集信息,各类水下传感器、水下航行器、标签等设备组成水下传感器网络,各个水下节点负责感知数据,水下传感器网络负责将各节点感知到的数据汇聚至智能网关节
8、点；网络层通过智能网关将水下网络与岸基网络互联,其中涵盖了网络管理、云计算平台等多方面内容,主要用于处理与传输感知层获取的数据；应用层是一系列智能应用解决方案的组合,运用水下物联网技术满足用户
