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杜秀娟，苏毅珊 著

图书标签:

• 传感器网络
• 水下通信
• 水声通信
• 无线传感器网络
• 海洋工程
• 数据传输
• 网络协议
• 能量管理
• 信道建模
• 定位算法

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030500670

版次：1

商品编码：12045774

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-09-01

用纸：胶版纸

页数：198

字数：300000

正文语种：中文

内容简介

　　水下传感器网络采用声波进行通信，具有长时延、低带宽、高误码率、动态拓扑、能量受限等系列特性，节点的有限资源决定了其上运行的协议不能太复杂，而现有的通信协议栈难以满足水下传感器网络性能要求。
　　《水下传感器网络研究》分析了水下传感器网络的应用、通信特点，以及传统协议架构在水下传感网络的应用局限性，阐述了：Micro-ANP通信协议架构及水下传感器网络的各层协议与关键设计技术，并给出Micro-ANP架构的实现。
　　《水下传感器网络研究》的编写重视理论结合实际应用，使相关领域的读者能够比较容易地理解《水下传感器网络研究》内容。
　　《水下传感器网络研究》既可作为学习无线网络、传感器网络、物联网技术的本科生和研究生的参考书，也可作为从事物联网、水下传感器网络的工程技术及研究人员的参考书。

内页插图

目录

前言

第1章 水下传感器网络概述
1．1 水下传感器网络
1．2 水声通信的特点
1．3 水下传感器网络面临的问题与挑战
参考文献

第2章 Micro-ANP协议体系架构
2．1传统协议架构在水下传感器网络的局限性
2．1．1 FCP／IP应用层在UWSN的应用局限
2．1．2 TCP／IP传输层在UWSN的应用局限性
2．1．3 TCP／IP网络层在UWSN的应用局限性
2．1．4 FCP／IP数据链路层在UWSN的应用局限性
2．1．5 TCP／IP物理层在UWSN的应用局限性
2．1．6 ZigBee协议栈在UWSN网络中的局限性分析
2．2 Micro-ANP协议体系架构
2．3 Micro-ANP包负载优化
2．4 水下网络模拟器与试验床
2．4．1 主流网络仿真器简介
2．4．2 UWSN模拟器发展现状及分析
2．4．3 基于模块化的LIWSN模拟器平台设计
2．4．4 Aqua-Sim2性能评价
2．4．5 多功能水下网络试验床
2．5 基于NS2和Aqua-Sim的Micro-ANP架构模型仿真实现
2．5．1 NS2与Aqua-Sim仿真平台
2．5．2 Micro-ANP仿真中的结构定义
参考文献

第3章 水下传感器网络物理层
3．1 水声信道特性
3．1．1 水声信道衰减模型
3．1．2 水声信道时延及时延抖动
3．1．3 水声信道可用带宽
3．1．4 水声信道多径效应和多普勒效应
3．1．5 水声信道空间复用模型
3．2 水声通信技术
3．2．1 水声通信技术发展历史
3．2．2 相位相干水声通信的研究现状
3．2．3 多载波水声通信的研究现状
3．2．4 网络编码
3．2．5 水下网络网络编码面临挑战
3．3 水下认知声学网络
3．3．1 水下声学“系统”
3．3．2 水下频谱的不充分利用
3．3．3 频谱管理策略
3．3．4 环境感知
3．3．5 频谱共享
3．3．6 物理层参数重配置
3．3．7 LJCAN面临挑战
3．4 Micro-ANP架构的物理层仿真实现
3．4．1 UnderwaterPropagation类
3．4．2 EnergyModel类
3．4．3 I_JnderwaterChannel类
3．4．4 UnderwaterPhy类
参考文献

第4章 MAC协议
4．1 MAC协议概述
4．2 SlottedFAMA
4．2．1 Slotted FAMA工作流程
4．2．2 Slotted FAMA协议吞吐量分析
4．3 T-LOhi
4．4 U-PC．MAC
4．4．1 LJPC．MAC机制
4．4．2 功率控制算法
4．4．3 速率调整算法
4．5 多信道协议UMMAC
4．5．1 IJMMAC机制
4．5．2 多信道隐蔽终端问题
4．5．3 联合信道分配与功率控制算法
4．6 SFM-MAC
4．6．1 SFM．MAC概述
4．6．2 SFM-MAC分析与讨论
4．7 基于CDMA和节点状态的MAC协议
4．7．1 传统的基于CDMA的MAC协议
4．7．2 基于状态的MAC协议
4．8 MAC协议在Micro-ANP下的仿真实现
4．8．1 MAC协议的相关结构与类
4．8．2 LlnderwaterMac类的定义与实现
4．8．3 BoradcastMac类的定义与实现
4．8．4 基于CDMA与节点状态的MAC协议类的定义与实现
参考文献

第5章 路由协议
5．1 水下传感器网络路由协议分类
5．2 水下网络路由协议研究现状
5．2．1 基于矢量转发路由协议VBF_l
5．2．2 FBR
5．2．3 基于深度路由协议DBR．
5．2．4 水下DTN路由协议
5．3 基于层级的水下传感器网络自适应地理路由协议
5．3．1 基于层级的定向泛洪
5．3．2 上行流量自适应路由
5．3．3 基于层级和位置的下行路由机制
5．3．4 性能评估
5．4 Micro．砧帅架构下路由协议仿真实现
5．4．1 静态路由算法
5．4．2 LB-AGR路由协议与实现
参考文献

第6章 基于RLT的水声传感器网络逐跳可靠传输机制
6．1 传统的可靠传输机制在uwSN中的应用局限
6．2 RLT编码方案
6．2．1 RLT度分布
6．2．2 RLT编解码过程
6．2．3 RLT编码统计分析
6．3 基于RLT的水声传感器网络逐跳可靠传输机制
6．4 性能评估
6．4．1 仿真结果
6．4．2 性能对比
参考文献

第7章 水下节点定位技术
7．1 非测距定位技术
7．2 距离相关定位技术
7．2．1 测距技术
7．2．2 基于固定节点的距离相关定位技术
7．3 水中哺乳动物被动定位算法及运动预测算法
7．3．1 水下哺乳动物发声特性研究现状
7．3．2 双曲线被动定位算法
7．3．3 基于多普勒的海豚游速估计算法SMD
参考文献

第8章 Micro-ANP应用层仿真实现

缩略词表

前言/序言

　　无线传感器网络（WSN）将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，扩展了人们的信息获取和管控能力，在国防军事、环境监测、目标跟踪、抢险救灾、智能控制、生物医疗等领域具有广泛的应用前景，成为信息科学的重要研究领域。将传感器网络应用到水环境中的新型网络形式——水下传感器网络（UWSN）的研究与应用也逐渐受到各国工业界、学术界、科研机构等极大关注，水下传感器网络直接细粒度的实时数据为有效解决水下监测提供重要保障基础。
　　目前存在多种无线通信协议，不同生产厂家在硬件平台、操作系统等方面没有统一的标准。ZigBee协议栈在物理层与数据链路层基于IEEE802.15.4标准。IEEE802.15.4是为省电而设计的标准，要求短时间的数据传输操作，不能传输大量数据。IEEE802.11无线通信能够传送很大数据量，但是耗电量很多，不适用于长延时、低带宽、高错误率、有限能量、稀疏拓扑的UWSN网络要求。水声信道的独有特性使UWSN协议设计面临诸多挑战。目前UWSN研究正处于起步阶段，且多集中在路由和MAC层，针对UWSN的协议体系架构较少有人问津。
　　UWSN传感器节点的计算、存储、能量等资源十分有限，其上运行的协议栈不能太复杂。迄今为止的UWSN研究大多基于传统的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的五层协议模型，基于该五层模型的研究表明，在水下信道复杂多变、节点资源有限的UWSN环境，网络高效性只有通过跨层设计来实现。为了克服分层设计带来信息不能共享的短板，根据具体应用将从物理层、MAC层，再到路由、传输和应用层，从传输功率控制、信道编码、路由实现到可靠传输等采用跨层优化设计，将某一层的性能变化、运行状况、字段信息等向隶属其他层的协议汇报并使其他层协议的决策做出合适调整，从而充分利用UWSN的有限资源，但过多的跨层设计会带来无法克服的复杂问题。
　　本书阐述了Micro-ANP通信协议架构及该协议架构下水下传感器的物理层和网络传输的关键设计。杜秀娟负责全书的设计、统稿和修改，编写了第1、第6和第8章，并与天津大学的苏毅珊博士合作编写了第2～第5章；第7章由苏毅珊博士负责撰写。感谢苏博士所做的大量工作，同时也感谢天津大学的金志刚教授，他为本书的撰写提出了很多宝贵意见。
　　由于水平有限，书中的不妥之处在所难免，希望广大读者惠于赐教。作者将在汲取大家意见和建议的基础上，不断完善书中内容，为推动该领域的进步尽一份绵薄之力。

《深海探秘：传感器网络构建与应用实践》 内容概要： 本书是一部深入探讨构建高效、可靠的水下传感器网络（Underwater Sensor Networks, UWSNs）的综合性技术专著。我们聚焦于UWSNs在现代海洋科学研究、环境监测、资源勘探以及军事应用等领域日益增长的关键作用，系统阐述了该领域的核心理论、关键技术、面临挑战以及前沿解决方案。全书从基础概念入手，逐步深入到复杂的设计考量和实际部署，旨在为读者构建一个全面、深刻的理解框架，并提供切实可行的技术指导。 第一部分：水下传感器网络的基础理论与挑战 本部分将首先为读者奠定坚实的基础，梳理UWSNs的起源、发展历程及其与传统陆地传感器网络（Terrestrial Sensor Networks, TSNs）的本质区别。我们将详细剖析水下环境的独特性，包括： 通信介质的差异： 水下通信以声波为主，其带宽有限、传播速度慢、易受噪声干扰且方向性差，与陆地上基于电磁波的通信截然不同。本书将深入分析声波传播的物理模型，包括传播损耗、多径效应、多普勒效应等，以及这些因素如何影响网络性能。 能量约束： 水下节点通常依靠电池供能，充电困难且成本高昂。因此，能量效率是UWSNs设计的核心考量，需要从硬件选择、节点部署、通信协议设计到数据处理等各个环节进行优化。 节点部署与拓扑： UWSNs的部署方式多样，包括固定式、移动式（自主水下航行器AUVs、潜水器等）以及混合式。不同的部署策略对网络的连通性、覆盖范围和鲁棒性有着显著影响。我们将探讨各种部署模式的优缺点，并介绍静态和动态拓扑的形成与维护方法。 环境因素的挑战： 海水的高压、腐蚀性、温度变化以及海流等环境因素对水下设备的可靠性和寿命构成严峻考验，需要特殊的材料、封装和设计来应对。 数据传输与处理： 海量数据的采集、压缩、存储以及在有限带宽下传输到岸基系统，是UWSNs面临的另一大难题。我们将介绍数据采集策略、数据融合技术以及高效的数据传输协议。 第二部分：核心技术与关键算法 本部分将深入探讨构建高效UWSNs所需的各项关键技术和算法。 水下通信协议： MAC层协议： 鉴于水下通信的特点，传统的MAC协议（如CSMA/CD, TDMA）往往不适用。我们将重点介绍针对水下环境设计的MAC协议，例如基于时隙分配、信标信号、授权与冲突避免等机制的协议，并分析其性能表现。 路由协议： UWSNs的路由设计需要考虑节点移动性、能量约束和网络拓扑变化。我们将详细介绍各种静态和动态路由算法，包括面向连接、无连接、基于地理位置、基于能量感知的路由策略，并对比其在不同场景下的适用性。 可靠性与拥塞控制： 在不可靠的水下信道中保证数据传输的可靠性至关重要。我们将探讨各种错误检测与纠正机制、重传策略以及拥塞控制算法，以最大化数据包的成功率。 网络节点设计与管理： 节点硬件选择： 详细介绍适合水下环境的传感器、处理器、通信模块（声学调制解调器）以及能源供应系统（电池、能量收集等）的选择标准和技术要求。 节点定位与同步： 精确的节点位置信息对于许多水下应用至关重要。我们将介绍各种水下定位技术，包括基于声学信号的相对定位和绝对定位，以及时间同步的挑战与解决方案。 能量管理： 深入探讨能量感知路由、休眠/唤醒机制、数据压缩以减少传输量等能量节约技术，并介绍能量收集技术的最新进展。 节点部署优化： 介绍基于覆盖率、连通性、能量消耗等指标的节点部署优化算法，包括静态部署和动态重部署策略。 数据处理与管理： 数据采集策略： 探讨事件驱动、周期采样、自适应采样等数据采集方法，以及如何根据应用需求和网络资源进行优化。 数据融合技术： 介绍分布式和集中式数据融合技术，以提高数据的准确性和鲁棒性，减少冗余信息。 数据压缩与编码： 探讨在带宽受限的情况下，如何有效地压缩和编码数据，以减少传输开销。 数据存储与检索： 讨论如何在网络边缘节点或水下基站进行有效的数据存储和检索，以及支持分布式查询的方法。 网络安全： 水下安全威胁： 分析UWSNs面临的特有安全威胁，例如物理攻击、通信监听、欺骗攻击、节点失效等。 安全机制： 探讨适用于UWSNs的安全机制，包括身份认证、数据加密、访问控制以及入侵检测技术，并分析其在声学通信环境下的实现挑战。 第三部分：水下传感器网络的典型应用与案例分析 本部分将通过具体的应用场景，生动地展示UWSNs的强大能力与广阔前景。 海洋环境监测： 水质监测： 介绍如何利用UWSNs实时监测海水温度、盐度、pH值、溶解氧、污染物浓度等关键参数，为海洋生态保护和污染预警提供数据支持。 海洋生物监测： 探讨UWSNs在追踪海洋生物迁徙、研究种群分布、监测生物多样性等方面的应用，例如通过声学传感器识别海洋哺乳动物。 海底地质与勘探： 介绍UWSNs在海底地震监测、海底地形测绘、油气资源勘探等领域的应用。 气候变化研究： 阐述UWSNs在收集长期海洋观测数据，研究海洋在气候变化中的作用，例如记录深海温度变化和海平面上升。 海洋资源管理： 渔业资源管理： 探讨UWSNs如何用于监测渔场动态、评估鱼类资源、打击非法捕捞。 海底矿产资源开发： 介绍UWSNs在海底矿产资源勘探、开发过程中的实时监测与管理。 水下安防与军事应用： 军事侦察与监视： 介绍UWSNs在水下目标探测、监视、情报收集等方面的应用。 水下导航与通信： 探讨UWSNs如何辅助水下导航系统，提供水下通信链路。 反潜战： 介绍UWSNs在探测和跟踪潜艇方面的潜在应用。 水下考古与探索： 沉船探测与遗址勘探： 介绍UWSNs如何协助水下考古学家进行大规模区域的探测和精细化勘探。 我们还将深入剖析几个具有代表性的UWSNs项目案例，详细介绍其系统架构、关键技术实现、部署经验和取得的成果，为读者提供宝贵的实践参考。 第四部分：未来发展趋势与展望 最后，本部分将对UWSNs的未来发展方向进行展望。 智能化与自主性： 探讨如何将人工智能、机器学习等技术引入UWSNs，实现更高级别的数据分析、预测以及节点的自主决策和协同工作。 多模态融合： 展望集成声学、光学、磁力等多种传感器类型的UWSNs，以获取更丰富、更全面的海洋信息。 能量采集与可持续性： 介绍利用海洋能（如潮汐能、温差能）为UWSNs节点供能的前沿研究，以提高网络的持久性和自主性。 标准化与互操作性： 讨论推动UWSNs技术标准化的重要性，以促进不同系统之间的互联互通。 水下网络与陆地网络的融合： 探讨如何将UWSNs无缝连接到现有的互联网和物联网基础设施，实现数据的高效共享与利用。 本书汇集了众多前沿研究成果和工程实践经验，力求为读者提供一个系统、深入的学习平台。无论您是海洋科学家、环境工程师、通信研究人员，还是对神秘的海洋世界充满好奇的探索者，本书都将是您不可或缺的参考指南，引领您深入理解并掌握水下传感器网络的精髓。

评分☆☆☆☆☆

读到这本书的某些章节，我被作者的叙事方式深深打动了。他用一种近乎讲故事的口吻，将那些原本可能枯燥的技术概念娓娓道来。比如，在介绍传感器节点的设计时，他并没有单纯地罗列参数和规格，而是通过设想一个真实的海洋探测场景，来解释为什么需要这样的设计，以及这些设计在实际应用中会遇到哪些问题。这种“问题导向”的写作手法，让我在阅读过程中始终保持着高度的参与感，仿佛自己也置身于那个需要克服重重困难去完成任务的团队之中。我特别欣赏书中对于“能量约束”这一核心问题的探讨。在资源极其有限的水下环境中，如何让传感器节点长时间稳定地工作，这绝对是一项巨大的挑战。作者通过分析不同的能量采集技术和节能策略，提出了多种行之有效的方案，并结合具体的案例进行了深入的阐述。这让我不禁联想到，在很多科技研发项目中，解决“短板”问题往往比追求“最佳”更加重要，而这本书恰恰展现了这种实事求是的科学精神。它不仅提供了理论上的指导，更蕴含了丰富的实践经验，这对于想要将理论付诸实践的读者来说，无疑是宝贵的财富。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面那一抹深邃的海蓝色，搭配上若隐若现的水下光影效果，瞬间就将人拉入了那个神秘而迷人的未知领域。我原本对“水下传感器网络”这个术语了解不多，只觉得它听起来像是某种高科技的代名词，可能与海洋探索、军事应用之类的专业领域息息相关。然而，在翻阅这本书的初步印象中，我被它所呈现出的那种严谨而又不失想象力的学术氛围所吸引。即使我尚未深入每一个章节的细节，单凭其目录和前言部分，就能感受到作者在组织内容时所下的苦心。它似乎构建了一个逻辑清晰的知识体系，从基础理论的铺陈，到各种技术细节的剖析，再到未来发展趋势的展望，环环相扣，层层递进。我尤其对其中关于“水下通信挑战”的章节充满了好奇，毕竟在陆地上我们已经习以为常的无线通信，在水下环境会面临怎样截然不同的难题？书中能否提供一些创新的解决方案，抑或是对现有技术的深入解读？这些都是我迫不及待想要了解的。总而言之，这本书给我的第一感觉是非常专业且富有深度，它不仅仅是一本技术手册，更像是一扇通往水下传感器网络世界的窗户，让我得以窥见这个领域的前沿动态和无限可能。

评分☆☆☆☆☆

我个人对书中关于“标准化与互操作性”的讨论印象尤为深刻。在任何一个新兴的技术领域，标准的建立和统一都是其走向成熟和广泛应用的关键一步。作者在这一部分，详细分析了当前水下传感器网络领域面临的标准化挑战，以及一些国际组织和研究机构在这方面所做的努力。他并没有回避这个领域存在的不足，而是坦诚地指出了在不同厂商、不同协议之间实现互联互通的困难。我特别欣赏书中对“开放式架构”和“模块化设计”的强调。这些理念的提出，不仅仅是为了解决眼下的技术难题，更是为了构建一个可持续发展的生态系统。当不同的系统能够互相兼容，应用开发者就能够更专注于创新，而不是被琐碎的集成工作所困扰。这种长远的眼光和对行业发展的深刻洞察，让这本书显得尤为宝贵。它不仅仅是一部技术指南，更是一份对未来水下传感器网络发展路径的思考和期许，这对于任何一位希望在这个领域有所建树的研究者或工程师来说，都具有重要的启示意义。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的整体感受是，它在技术深度和应用广度之间找到了一个绝佳的平衡点。在对一些关键技术进行深入剖析的同时，它也没有忽视这些技术在实际应用场景中的落地问题。我注意到书中有一个章节专门讨论了“水下传感器网络的应用前景”，其中列举了包括海洋环境监测、资源勘探、水下考古、甚至军事侦察等多个领域。这让我深刻地意识到，水下传感器网络并非只是一个抽象的理论概念，而是具备着改变我们认知和利用海洋方式的巨大潜力。特别是其中对于“智能渔业养殖”的设想，让我眼前一亮。想象一下，通过部署密集的传感器网络，实时监测养殖水域的水质、温度、溶氧量等关键参数，并根据反馈信息进行智能化调控，这无疑能够大大提高养殖效率，降低资源损耗。这种将前沿技术与民生紧密结合的视角，让这本书不仅仅局限于学术研究，更增添了一份人文关怀和未来愿景。它让我看到了科技进步所能带来的切实改变，也激发了我对未来海洋科技发展的美好憧憬。

评分☆☆☆☆☆

在阅读过程中，我注意到作者在处理复杂概念时，常常会辅以大量精细的图表和示意图。这些图表并非简单的装饰，而是起到了至关重要的辅助理解作用。例如，在解释“多路径传播”对水下通信造成的影响时，作者绘制了一系列能够清晰展现声波在水中反射、折射过程的图示。这比纯粹的文字描述要直观得多，能够帮助读者迅速把握问题的本质。我尤其喜欢书中那些用于展示网络拓扑结构和数据传输流程的图。它们就像是为我打开了一扇窗，让我能够清晰地“看到”传感器节点是如何协同工作的，数据又是如何层层传递、最终汇聚到目标点的。这种可视化呈现方式，极大地降低了理解门槛，使得即使是对该领域不太熟悉的读者，也能相对轻松地跟随作者的思路。此外，书中在描述算法和协议时，也常常配有流程图，这使得算法的逻辑步骤一目了然，大大提高了阅读效率。总的来说，这本书在视觉呈现方面做得非常出色，充分体现了“好的图表胜过千言万语”的道理。