水下声学传感器网络节点定位算法及自组织过程研究

针对水下声学传感器网络中锚节点稀少的问题,给出了一种分布式的水下节点自定位算法.为配合定位算法的完成,提供定位过程所需的邻接信息表等信息,提出了一种分布式的并发数据传播算法,并针对该数据传播算法中存在的通信冲突问题,给出了冲突解决策略.仿真试验验证了上述两种方法配合完成水下节点定位的可行性和有效性.     

Privacy Preserving Solution for the Asynchronous Localization of Underwater Sensor Networks

Location estimation of underwater sensor networks (USNs) has become a critical technology, due to its fundamental role in the sensing, communication and control of ocean volume. However, the asynchronous clock, security attack and mobility characteristics of underwater environment make localization much more challenging as compared with terrestrial sensor networks. This paper is concerned with a privacy-preserving asynchronous localization issue for USNs. Particularly, a hybrid network architecture that includes surface buoys, anchor nodes, active sensor nodes and ordinary sensor nodes is constructed. Then, an asynchronous localization protocol is provided, through which two privacy-preserving localization algorithms are designed to estimate the locations of active and ordinary sensor nodes. It is worth mentioning that, the proposed localization algorithms reveal disguised positions to the network, while they do not adopt any homomorphic encryption technique. More importantly, they can eliminate the effect of asynchronous clock, i.e., clock skew and offset. The performance analyses for the privacy-preserving asynchronous localization algorithms are also presented. Finally, simulation and experiment results reveal that the proposed localization approach can avoid the leakage of position information, while the location accuracy can be significantly enhanced as compared with the other works.      

稀疏水下传感网中AUV数据移动收集技术研究

由于水下传感器节点的水声通信距离有限、价格昂贵,水下传感器网络中一般采用稀疏方式部署,因此很难保证整体网络的连通性及数据采集效率。自主水下航行器AUV（Autonomous Underwater Vehicle）作为天然的移动数据采集平台,可以弥补固定Sink节点数据采集方式的缺陷。提出了一种基于移动AUV的水下传感网移动数据收集机制。以AUV覆盖区域内的传感器节点作为临时Sink节点,其他传感器节点以临时Sink节点为根节点,采用最小生成树MST（Minimum Spanning Tree）方法将传感数据传输到这些临时Sink节点,然后通过临时Sink节点将汇聚数据传输给AUV。随着AUV的自主移动轨迹,水下传感网的传感数据都能简单高效地被收集起来。仿真结果验证了该方法在保证网络能耗的前提下提高了数据采集效率。     

基于概率的水下传感器网络CDMA编码分配算法

水下传感器网络采用声波进行通信,具有高时延、低带宽、高误码率等特点,使得适用于无线电信道的MAC协议无法直接应用于水声信道,给水下传感器网络协议的设计带来了很大的挑战．因此,我们提出了一种可以较高概率避免扩频码冲突的分布式的基于概率的水下传感器网络CDMA编码动态分配算法．该算法不需要精确的时间同步,并且能够动态适应水下传感器网络拓扑结构的变化,适用于基于发送端的编码分配和基于接收端的编码分配．仿真实验表明,与传统的编码分配方式相比,我们的算法突出了节点的个性化,进一步降低了冲突的风险．     

WKBZ简正波模型混合并行计算方法研究

针对水声传播模型的计算量大,难以满足实时化、精细化水下声传播信息保障需求的难题,基于MPI+OpenMP混合并行编程方法,开展了WKBZ简正波模型混合并行计算方法研究,实现了水下声场2级混合并行计算。该方法通过节点间消息传递、节点内内存共享的方式,有效克服了MPI并行编程模型通信开销大和OpenMP并行编程环境可扩展性差的缺点,较好地解决了水下声传播快速计算的问题。测试结果表明,该方法能够较好地利用SMP集群节点间和节点内多级并行机制,充分发挥消息传递编程模型和共享内存编程模型各自的优势,大幅降低MPI进程间通信带来的时间开销,有效提升程序的可扩展性和并行效率。     

面向能量和链路优化的水声移动传感器网络路由协议设计

针对水声移动传感器网络中存在水声通信环境恶劣、通信环境复杂多变以及节点能量受限造成的水声移 动传感器网络能量不均和路由链路断裂问题, 提出一种基于能量与链路度量路由的改进按需平面距离向量路由 (AODV)协议. 引入了以能量阈值为基准描述网络节点能量状态的能量指标以及以邻居节点间距离为基准描述链路 状态的链路指标, 并以综合考虑网络路由链路中节点的能量指标、路由链路指标以及路由链路跳数的路由度量作 为协议选择路径的优先条件, 并以此进行路由修复. 仿真实验表明, 本文所设计的改进AODV协议可提升网络整体 数据量、均衡网络节点能量、延长网络的生存周期.     

水声传感器网络节点自适应加权定位算法

对水声传感器网络节点定位进行研究,针对水声传感器网络节点间测距精度不高的问题,提出一种水声传感器网络节点自适应加权定位算法。考虑到水声传感器网络节点间的测距误差随着节点间距离的增大而增大,算法改进了锚节点选择机制,并且对不同锚节点在定位测度中的权重进行加权,改进定位测度,提高了测距信息的利用效率。仿真实验表明该算法提高了节点定位精度。     

面向海洋监测的水声传感器网络节点定位算法

为解决面向海洋监测应用的大规模水声传感器网络的节点定位问题,首先,采用整数线性规划理论,提出了多目标约束的水面网关优化部署策略;其次,针对水声传感器网络不同节点的特点,设计不同的定位方案,提出了有预测性的水声传感器网络节点部署算法。仿真实验验证了该方法的可行性与有效性,结果表明,该算法能明显提升节点的定位范围,降低通信能耗,减小定位误差,为水声传感器网络的海洋大规模部署提供相应技术指导。     

水声传感器网络中的节能路由协议改进算法

在大规模三维水声传感器网络中,针对节点能耗和网络传输效率的问题,本文基于节点定位和LEACH算法,提出了一种适用于水声通信传感器网络路由算法,该算法采用定位、聚类、唤醒和排列的思想,首先通过定位,确定节点的位置信息,再通过聚类方法,使水下的节点分成不同的簇,形成节点休眠及唤醒的单元.在数据通信过程中,通过及时唤醒簇单元,使需要利用的簇节点及时被唤醒,处于活跃状态,而暂时不被需要的节点进行休眠,从而达到节能的效果.而在簇内传输时,考虑了节点的剩余能量信息,选择最优节点进行信息传输.仿真实验表明,该算法能够提高网络的整体寿命时间.     

A social interaction system based on cloud computing for mobile video telephony

As the use of smartphones become popular,people heavily depend on smartphone applications to deal with their social activities.For this reason,traditional message texting between mobile applications does not fulfill the versatile requirements of social networking.Many mobile applications use multimodality to deliver multimedia messages including sticker,voice and photo message,video call,and snap movie to enhance the communicative capability.However,without face-to-face interaction,people may fail to detect the other side’s non-verbal social behavior such as fine-grain facial expressions,body movements,or hand gesture.During social interaction,non-verbal behavior conveys information about the involved individuals and help the speakers express their social emotion in an implicit way.It is so important for real-world face-to-face interaction but is often blocked on the mobile telephony.To cope with this problem,we propose an afective computing model to assist the representation of social emotion and then help the progress of social interaction on the mobile telephony.In this model,for the purpose of real-time afective analysis,we delegate the computing loading to the cloud side service and enhance the system’s scalability and availability.The result of this experiment approves the feasibility of our system design for the applications of social intelligent.Also,the system provides a research framework of the social intelligent system on the mobile telephony.     

基于洋流模型的水下传感器网络实时定位算法

针对近海监控领域内水下传感器网络的节点随着海洋运动具有流动性的问题,提出了基于洋流模型的水下传感器网络实时定位算法(RTLC).利用洋流模型表示节点的运动模型消除流动性对定位造成的影响,成功模拟了节点在水中的移动速度.通过卡尔曼预测方法结合观测值与估计值优化运动模型,使其更贴近节点运动规律.采用信息记录机制及列表更新机制保证信息的时效性从而提高了定位准确度.通过仿真分析,RTLC算法性能优于基于移动预测的大规模水下传感器网络可扩展定位算法(SLMP),具有较高的定位覆盖度,较低的平均定位误差及平均通信能耗.     

基于磁感应的油藏裂缝内地下无线传感网络定位

针对在油藏裂缝中地下无线传感网络节点定位问题,提出一种基于可变方向增强拉格朗日方法和粒子群优化相结合的定位算法。锚节点布置在井筒固定位置,传感器节点随压裂过程进入裂缝具有位置随机分布特性,节点间采用三线圈磁感应方式通信。推导了基于接收信号磁感应强度的节点间距离估计公式,据此获得全部节点与锚节点及与其邻居节点的距离集合。然后将定位问题转化为半定规划问题,并采用可变方向增强拉格朗日方法求解上述凸优化问题,获得初步定位,再将其作为粒子群优化算法的初始值,在上述初始值小邻域内局部搜索获得最优解作为最终定位。仿真结果表明该算法相对定位误差低于0.6,且定位精度受测量噪声变化影响较小。     

基于链接预测的水下WSN消息转发算法

随着移动自组织网络的发展以及为了更加便捷地监测和探索水下环境,水下无线传感器网络开始出现并逐渐受到研究人员的重视.水下无线传感器网络可广泛应用于海洋环境监测、资源开采、水下生物研究、海难搜救等诸多水下场景.与传统的无线传感器网络不同,通常,水下无线传感器网络中存在锚定节点和移动节点两种类型的节点,并且由于水声通信的不规...     

基于通信网络算法在水下通信中仿真研究

研究通信网络在水下通信效率优化问题,由于海洋的复杂环境、水声不稳定以及水声受到介质噪声的干扰,造成水下通信率低。为了解决上述问题,建立了一种H∞滤波器节点移动预测算法的资源预留机制,为节点在水声网络中提供基于移动IP的QoS保障。根据移动节点的移动方向判断其即将加入的子网,在子网中提前预留资源,其它子网不再为移动节点提前预留资源,从而节约水声无线通信网络有限的带宽、能量等资源,并进行仿真。仿真结果表明,改进的方法能够为水声网络提供较高的资源利用率,在时延、吞吐量等方面提供有效保障。     

基于长短期记忆网络修正测距的水下定位算法

人类对海洋资源的探测与开发的主要方式是通过水下传感器网络来实现的,而水下传感器节点收集的数据在丢失精确的定位信息时便失去了其主要的价值。因为现在许多已经被广泛使用的水下定位算法仍然难以实现精确的测距,所以导致其定位精度偏低、不理想。本文提出一种基于长短期记忆网络修正测距的水下定位算法,该算法使用一种循环神经网络的变体模型长短期记忆网络来改进基于信号到达时间差测距算法,通过处理海洋环境的历史信息、测距值等数据进行训练,能够高效准确地预测当前的测距修正值,从而获得优化测距误差的效果。通过上述两者的有效结合进一步改进多边定位算法,实现对水下未知节点的精准定位。最后通过仿真实验和算法对比验证本文所提的算法确实具有较高的定位精度和可行性。     

基于量子隐形传态的水下传感器网络分级加密通信协议

针对水下传感器网络中通信信息安全性与水声信道通信特性的不足,提出了一种基于量子隐形传态的水下传感器网络分级加密通信协议.一级在水面基站与自由水下航行器之间,采用量子隐形传态实现两者之间共享量子密钥,利用纠缠关联空间非定域性保证其通信信息安全性;二级在水下节点到水下自由航行器之间,采用对称加密算法实现两者之间信息的加密传输,利用对称加密快捷的优点提高其通信信息效率.分别对量子攻击、经典攻击及通信效率这3个方面进行了分析,证明该协议能有效防止量子态截获、重构、替换等攻击.     

MFALM:一种水下动态传感器网络主动定位方法

针对水下动态传感器网络定位的特点及问题,提出了一种基于到达时间差(TDoA)的多频率主动定位方法MFALM(multi-frequency active localization method base on TDoA)。该方法将网络节点分为3组:信标节点、中继节点和普通节点。节点之间通过高、低两种频率分别进行近、远距离通信。为减少通信开销,定义了精简的报文格式和有效的通信方式。分析表明,该定位方法由于采用事件驱动、多频通信、精简报文,因此在定位过程中不但能够减少节点的定位开销,延长网络生存时间,而且还有定位精度高、节点密度可调等优点。     

活动受限三维水下传感器网络节点定位算法

针对水下传感器网络的部署方式,设计活动受限三维水下传感器网络节点定位算法(localization foractive-restricted UWSN,简称LAR).LAR 利用水下节点活动受限的特点辅助定位,通过分层定位的实施方式得到部署区域内全部节点的位置,并根据水下传感器网络中的节点移动规律,设计动态环境下的补偿机制.LAR 过程简单、易于实现,仿真结果表明其定位误差明显小于现有算法.     

水声传感器网络中基于改进时分多址技术的MAC协议

海洋信道信号传输条件恶劣,水声传感器网络(UASN)的媒体访问控制协议（MAC）要能可靠且有效的工作面临极大的挑战。针对水下分组转发高传输延时和延时的起伏特性,提出了一个利用改进时分多址技术的媒体访问控制协议(W-MAC)。W-MAC通过简化的信号传输同步过程,利用“延缓时间”作为节点的实际数据传送时间,采用具有睡眠策略的监测时间来避免数据碰撞等一系列措施,使W-MAC协议在适应复杂的水下信号传送环境的同时,把能量开销限制在一个合理的水平。仿真实验表明,在水声信道条件下该协议可有效地改善网络性能。     

基于多AUV协作的稀疏水下传感网定位技术研究

如何在稀疏部署的水下传感器网络中实现传感器节点的高效定位是一个研究热点.提出了一种基于多个移动AUV协作的水下传感器网络内节点定位机制,利用AUV的精确自导航功能实现对网内未知位置节点的定位协助.提出的协作定位算法扩展了水下传感器网络的网内节点位置迭代估计方法,将信标节点和多AUV联合作为定位参考点,然后推导了基于最小二乘法的定位估计方程.仿真结果验证了该方法可以在定位节点比例、归一化定位误差和平均置信度等几个方面提高定位性能.