Page 50 - 应用声学2019年第4期

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结构、网络容量、可靠性、能量损耗等，是一个复杂的
0 引言
理论和工程问题。
在网络中心战新军事思想的影响下，美国海军 1.1 网络拓扑结构
提出水下网络中心战 (Underwater network centric
拓扑结构可分为集中式网络和分布式对等网
warfare, UWNCW) 的概念。相对于传统平台中心
络两大类 [6] 。集中式网络的节点经过中心节点连
战，它是一种全新的作战概念，其核心是利用通信网
接，并通过中心节点接入指挥平台或其他网络。中
络把各种武器系统、探测节点和指挥中心链接在一
心节点非常重要，一旦失效将导致整个网络瘫痪，一
起，实现信息共享，掌握战场态势，提高协同作战能
般说来，集中式网络的覆盖范围比较有限。分布式
力。目前，美军将UWNCW作为海军装备信息化建
网络的每个节点权限平等，根据路由方式可分为点
设的重要指导思想，制定了许多重大计划，以确保水
到点连接和邻近点连接。点到点连接是完全连接的
上、水下的载人/无人平台链接成一体化的作战网
对等网络，网络中任意两个节点都提供连接，因此路
络。可以预见，这一思想将使水下作战模式发生翻
由需求少。然而当节点分散区域很大时，必须使用
天覆地的变化，对海军作战思想与装备建设产生深
较大的通信发射功率，大功率发射会产生远近效应。
远影响。
邻近点连接即邻近节点直接连接，较远的节点之间
水声传感器网络的发展为 UWNCW 奠定了重
通过路由进行中继连接，其特点是发射功率小，对路
要基础。但是，建设水下信息网络可不是容易的事
由需求大。
情。由于信息载体的特殊性和水中通信的艰难性，
在水下移动平台的网络化建设中，应根据应
水下平台的信息化步伐严重滞后于空间和水面。迄
用需求，参考基本的网络拓扑类型，设计合理网络
今为止，在网络中心战的发源地美国，其空军的天穹
结构。
网、陆军的大地网、海军的力量网 (水面战部分) 已
初见雏形，而力量网的水下部分仍停留在概念阶段， 1.2 节点时间同步
足见水下网络建设的难度。
节点时间同步和自定位一起构成网络初始化
现在，有关水声网络的研究计划及试验已有公
过程。通过初始化实现网络拓扑的空时统一，由布
开报道。国际上，美国、欧盟、新加波等国的研究及
放初期的无序状态变为节点位置已知、时间对准的
应用取得了实质性进展。美国的海网(Seaweb)以及
有序状态。
欧盟的研究与开发框架计划 (Framework Program-
时间同步就是消除网络中各节点的时钟误差，
mer for Research and Technological Development)
使全网节点时钟保持一致。在无线传感器网络
和地平线 2020 计划 (Horizon 2020) 是目前世界上
(Wireless sensor networks, WSNs) 中，时间同步的
最具代表性的水下网络 [1−2] 。Seaweb 从 20 世纪 90
基本模型包括单程报文传递模型、双向报文交换模
年代开始年度试验，目前已带动了美国的多种网络
型和广播参考报文模型，这些模型已演化出多种时
应用研究计划。
间同步算法。近年来，人们开始研究时间同步与自
水声网络为无人水下航行器 (Unmanned un-
定位联合求解的方法，在自定位的同时完成时间同
derwater vehicle, UUV)、鱼雷兵器等水下移动平台
步过程，缩短网络初始化时间 [7−8] 。由于水声信道
协同探测应用提供了条件。目前，我国从事水声技
传播的大延迟和不确定性，水下节点的时间对准是
术研究的科研院所、高校按照水下协同探测应用给
一个极具挑战性的难题。
出了一些水声网络的构想 [3−5] ，但研究才刚刚起步。
水下平台执行任务时，长时间游弋需要时间同
因此，跟踪水下网络中心战的学术前沿，促进网络化
步。双向报文交换属于收发双向成对(Pair-wise)同
协同探测发展具有特别重要的意义。
步机制，通过节点间的双向报文交换，达到收发两

1 探测网络的拓扑结构及初始化问题 个节点的成对同步。时间偏差估计不受传递延迟影
响，精度较高，适合于有较大信道传播延迟的水声网
水声组网主要包括拓扑结构设计、网络初始化、 络同步。在报文发送、接入、传输误差均为高斯分布
水声通信。除此，组网还包括节点硬件设计、协议栈 时，采用双向报文交换模型，j、k 两个节点对 i 节点