基于AUV的水下传感器网络数据采集轨迹规划

在水声数据收集网络内,利用移动的水下自主巡航器(AUV)作为采集工具,对布置在水下的节点进行数据采集是一种节约水下传感器传输能量和延长网络生命周期的有效方式.在此背景下,文中根据不同的数据采集目标,提出了AUV轨迹规划算法.为了减少整个数据采集过程的总能量,文中依据最短路径理论搜索每一个水下传感器进行数据采集的AUV悬...     

UWSP：水下无线传感器网络节点休眠协议

休眠机制是传感器网络节点节约能量、延长工作寿命的重要手段之一。现存的水下传感器网络MAC协议主要考虑提高网络传输性能,对休眠机制的研究和涉及较少,并且仅有的一些休眠策略存在着因节点工作时间较为分散而导致的节点休眠-唤醒频繁的问题。节点频繁唤醒不仅会浪费额外的能量来启动电路,折损硬件寿命,还会增加数据传输冲突的概率。针对水声网络信道的独特性质,提出了一个基于树形拓扑结构的水下传感器网络节点休眠算法,该算法能够有效缩短节点唤醒次数,延长休眠时间,并保证端到端的传播延迟不受休眠时间的影响。该算法无冲突也无需预约信道,保证了较高的网络流量。最后,通过仿真实验验证了算法的可用性和效能。     

基于时延差和频分复用的节点定位系统

在机器人的广泛应用中,为了获取各种参数和数据,确定各机器人基站的相对位置是极为重要的。为了安全和节省成本,对传感器网络采用了时延差定位算法和频分复用传输模式,即可获得传感器网络节点的相对位置。定位系统的搭建包括发射和接收两部分,并采用了水声换能器进行电-声转换和声-电转换。通过测试,该定位系统利用测试发射和接收信号之间的时间间隔,得到水下机器人传感器网络的相对位置,且满足一定的定位精度。     

水下传感器网络时间同步技术综述

 时间同步是传感器节点协同工作的基础.水下传感器网络由于采用水声通信方式,具有不同于陆地无线传感器网络的特点,为时间同步算法研究带来了新的挑战.论文首先说明同步问题与同步算法的形式化定义,然后讨论水下传感器网络不同于陆地传感器网络的特点,并指出相关特点对于同步问题的影响;接着综述陆地传感器网络同步算法的研究进展,分析相关算法用于水下环境的不足;进而介绍水下传感器网络同步算法的研究进展,并通过仿真实验完成了相关算法的性能对比;最后总结水下传感器网络时间同步的关键问题,指出进一步的研究方向.     

移动水声异步网络自定位和时间同步联合的单向动态预测算法

节点位置的实时变化以及水下长传输时延等特性影响了移动水声异步网络(MUAANs)的时间同步与自定位精度。针对上述问题,该文研究并提出一种自定位和时间同步联合的单向动态预测算法。该算法通过建立时间同步与自定位联合的状态与观测模型,同时预测不同时刻下移动节点的位置信息与时钟差异,实现网络的联合位置跟踪与动态时间同步。与此同时,由于该算法仅采用节点间的单向信息传输即可实现自定位与时间同步,有效解决了由水下长传输时延导致的移动节点间双向信息交互时延差异的问题,提高了网络的自定位与时间同步精度和效率。仿真结果表明,该文所提算法可以高精度地联合预测移动水声异步网络的自定位与时间同步结果,且有效增强了网络的时间同步与自定位时间效率。     

一种多速率水声传感器网络协商机制

在水下声通信传感器网络中,一个较短的链路可以比一个较长的链路提供更大的带宽。多速率水声传感器网络模型可以在不同长度的链路间动态选择传输速率,提高了带宽的利用率。针对多速率水声传感器网络的速率协商问题,提出了一种基于握手的多速率协商机制。这种协商机制适用于链路长度未知的多速率水声传感网,可以在保证网络连通率的前提下降低端到端延迟和单位比特的能量消耗。仿真验证结果表明,该协商机制可以有效提高水下声通信传感器网络的性能。     

水下声传感器网络的同步与最优TDMA调度

水声信道的传输时延大、多径扩展严重、带宽受限等特点,极大地制约了水声通信系统的可靠性和有效性。实现水下传感器网络同步,并在同步的基础上设计调度协议是提高水下传感器网络性能的重要手段。在对水声网络同步机制深入研究的基础上,提出了一种基于时空特性的TDMA调度机制(ST-TDMA)。考虑传播时延抖动、同步误差和同步开销的影响,分析并求解了ST-TDMA的最优保护时间间隔。仿真结果表明,提出的ST-TDMA方案可以获得显著的网络吞吐量和端到端时延性能提升。     

一种节能和时延保证的无线传感器QoS路由算法

无线传感器网络中实时数据（如视频、语音、图像）的传输对时延和抖动比较敏感,文章在充分考虑无线传感器节点能量受限的基础上,针对实时业务对时延的要求提出一种路由算法,该算法在路径创建和维护的过程中考虑时延和节点剩余能量来选择下一跳节点,在路由更新阶段对失效的节点进行标记,能够简化重新建立有效路由的步骤,从而减少路由建立时间,保证了传输的可靠性。仿真结果表明该路由算法既延长了无线传感器网络的生命周期,又能更好地满足实时数据的传输。     

三维水声传感器网络能量高效路由算法

针对三维水声传感器网络,在研究水声信道能耗特性的基础上,设计了一种能量高效的路由算法Hybrid LEACH。它基于经典的LEACH算法,而在簇间传输中使用一种树状路由取代簇头与汇聚节点直接通信,减少了簇头节点的能耗,达到延长网络生存时间的目的。仿真结果显示,Hybrid LEACH算法在网络规模较大的情况下可以有效延长网络生存时间。     

一种用于水声通信的喷泉码最大似然译码方法

针对水声通信特点,研究随机线性喷泉码及最大似然译码,在分块数较小的包传输中纠正删除错误。传统的最大似然译码为整包统一处理,译码延迟大。该文提出一种逐行累增的高斯消去方法,将译码过程划分到各块到达时隙中执行,利用二进制分布求和的概率公式对单块到达所需计算量进行分析。在实际水声通信处理平台上进行了验证,满足实时计算需求,可用于水下图像、传感器数据等的传输。     

多通道水声同步光纤采集存储系统设计

介绍了一种水声信号采集存储系统,该采集存储系统水下将8路水声模拟信号进行同步A／D采样,然后复用成1路高速数字信号,通过一根光纤远距离传输到岸上的上位机,上位机可以实现数据的实时存储和波形显示功能。该水声同步采集系统通过光纤作为传输介质,传输距离远,抗干扰能力强;可用于港口、海上钻井平台和石油码头等设施的安全防范及信息采集。     

一种有效带宽均衡的路由协议

针对水下传感器网络中水声信道传输条件严重受限的特点,定量分析了路径衰减和噪声影响对信号带宽的影响.根据传输距离与带宽之间的对应关系,提出了一种有效带宽均衡的路由协议.在进行路由选择时,总是按照可用带宽最大建立默认路由,从而充分利用有限的带宽资源,在源头上减少拥塞的可能性.仿真结果表明,该协议能够实现各支路的带宽均衡,同时实现能量均衡,有效延长网络生存周期.     

浅水环境中基于熵的能量均衡路由优化算法

浅水环境具有覆盖面积小、水位低、水底环境较为复杂的特点,当在水下部署传感器节点时,其传输路径容易受到水底障碍物、水中杂物、水浪等影响,给水下传感器的路由选择带来困扰。针对浅水中传感器节点路由选择困难、能量消耗不均、生命周期短的问题,提出一种基于熵的能量均衡路由算法。该算法综合多种节点部署形式,在节点均匀分布和非均匀分布两种条件下分别计算传感器网络通信的能量损耗,权衡考虑节点的剩余能量和位置信息来选择下一跳节点,从而均衡网络能耗。利用NS-2仿真工具对该算法的性能进行仿真分析。结果表明该算法能够实现浅水中的节点通信,有效延长网络生命周期。     

一种水下信息网络教学实验系统设计

本文结合陆上无线网络原理,提出了一种水下信息网络教学实验系统设计方案。该实验系统分为水下和陆上两部分,基于水声通信机的水下声学网络通过浮标网关节点实现了与陆上无线传感器网络信息的交互,进而构成立体式水下信息网络教学实验平台。该系统不仅能够进行相关学科的教学演示,同时也能够作为该方向的基础科研平台。     

一种用于格型拓扑的水声传感器网络TDMA协议

由于海洋信道恶劣的传输条件,使设计可靠且有效的水声传感器网络MAC协议面临极大的挑战。该文针对六角格型网络的结构特点提出了G-TDMA协议,该协议通过对时隙的空间复用,提高了信道资源的利用率;并且在数据帧的发送过程中完成网络节点间的同步,从而降低同步开销;同时根据水声信道的高传输延时和起伏特性,加入了保护时间以避免数据冲突。仿真结果表明,在水声信道条件下该协议可有效地改善网络性能。     

基于满Steiner树问题的水下无线传感器网络拓扑愈合算法研究

建立了水下无线传感器网络模型,对拓扑愈合问题进行了形式化描述,该问题最终映射到数学上的满Steiner树问题.针对满Steiner树问题设计了一种近似的拓扑愈合算法,通过把自移动节点迁移至合适位置,不仅使拓扑得以愈合,还能够改善时延和能耗指标.仿真实验结果表明,该算法能愈合通信拓扑至较优状态,降低了传输时延和能耗,并能有效地延长水下传感器网络生命期.     

U-WSNs中基于蚁群算法的定向梯度传输机会路由协议

随着水下应用的不断拓展，水下传感器网络被认为是更有潜能的探索工具。传感器网络在水下环境的应用中，为设备充电极其困难，因此路由协议中能耗问题尤为重要，其中以DBR(Depth-Based Routing)协议为例，没有充分考虑到转发跳数问题，在能耗方面缺少一定考量。同时水下环境的高延迟、高吸收性导致传感器之间数据传输具有不稳定性，提出一种基于蚁群算法的梯度传输水下机会路由协议(Directional Gradient Transmission for Opportunistic Routing Protocol Based on Ant Colony Algorithm in UWSNs, DGOR),利用蚁群算法协调网络能耗，采用机会路由和梯度解决水下条件的高延迟等。仿真对比结果表明，DGOR协议能减少能量消耗，有效延长网络生命周期。     

基于水下连续波体制的捕获跟踪技术研究

针对水下高速潜器回收导引过程中实现实时测量位置与传输指控信息的问题,该文提出基于水下连续波体制的捕获跟踪技术。利用连续波体制实现测距与通信的同步解析,通过并行处理结构压缩数据捕获时长,并基于锁相环原理设计出适应水声环境与高速背景的最佳环路跟踪策略。从理论仿真与松花湖试验结果来看,算法的捕获时间从传统匹配算法的83.87 s缩短至0.66 s,计算量缩小为时域算法的2.36%。信号跟踪技术在匀速模型和加速度模型下都具有良好的性能,从通信角度讲跟踪算法能够准确无误地传输数据,从参数估计角度讲,基于跟踪结果输出的参数估计精度高且随速度变化缓慢,但传统检测精度随速度增大而变差。该方法实现了对多普勒频偏的精确估计与动态调整,保证了声学测量与指控信息传输的连续性与稳定性,对水下高速潜器的实时回收导引具有重要意义。     

基于WinCE的水声通信网络通信协议设计

水声通信网络节点是水声通信网络的重要组成部分。由于水声信道的复杂性,为了提供高速实时可靠的水下通信,水声通信网络节点需要采用高效的调制解调方式、现代编码方式、复杂的信道估计和均衡等手段。传统相对简单的水声通信网络节点无法胜任当前的需求,因此开发新型的超高速水声通信网络节点具有十分重要的意义。本文通过在Windows CE系统环境下,通过编程实现ARM平台与其他设备的通信,以及实现水下通信网络三节点网络协议的程序设计。研究节点网络,研究通信信道的冲突问题,应用CSMA协议和RTS-CTS机制,编写三节点网络通信协议,验证水下通信网络节点三节点网络协议的实现。     

水声通信系统中信号同步的一种实现方法

水声通信技术是解决水下信息传送和处理的关键技术,它广泛应用于水下自治机器人(AUV)、水下通讯网络、遥控和目标检测等领域.由于水下恶劣传输条件的影响,水声通信系统中同步信号的处理是系统的一个关键问题.本文介绍了一种简单的水声通信方案的设计,重点分析了采用同步脉冲信号通信体制的位同步、帧同步实现方法.