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.     

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AUVs的水下移动无线传感器网络愈合算法

水下移动无线传感器网络（MUWSNs）动态演化特性制约着网络的拓扑的可靠性,很大程度上限制了MUWSNs的推广应用。针对水下实体移动导致的MUWSNs拓扑失效,提出了一种基于自主式水下航行器（AUV）的MUWSNs拓扑愈合算法,并构建了水下实体移动模型,利用AUV自主移动特性对失效拓扑进行快速愈合。仿真结果验证了该算法的正确性和有效性,极大地提高了MUWSNs可靠性,对MUWSNs拓扑领域研究具有一定贡献。     

基于多普勒测速的水下传感器时间同步算法

时间同步是水下传感器网络的关键技术,由于海洋中采用水声通信时传播时延高且存在多普勒频移,导致使用射频通信的陆上时间同步算法无法直接应用于水下环境。基于多普勒测速原理和节点在水下的移动性,提出一种新型的时间同步CD-Sync算法。利用具有聚类特性的分簇模型选择合理的簇首节点,并与水面信标节点进行簇内同步,且在同步过程中,同步节点利用多普勒原理估算节点间的相对移动速度,从而计算节点间的传播延迟。实验结果表明,与基于分簇时间同步MU-Sync算法和分布式时间同步NU-Sync算法相比,该算法可在缩短节点间距离并加快节点间同步收敛速度的同时,有效提高时间同步的精度。     

基于分簇技术的水下声传感器网络的时钟同步研究

时钟同步是水下传感器网络节点协作的必要条件;不同于陆地传感器网络,水声信道具有随机的时频变化,声信号传播速率低,具有很大的时延;文章首先研究了水下传感器网络的分簇技术,在分簇的传感器网络中,实现了适用于水下的发送端—接收端的同步协议;通过MATLAB,利用水下声传播特性公式,对水下传感器网络的时钟同步能耗与同步精度之间的关系进行模拟仿真;最后得出了基于分簇技术的时钟同步技术能耗低、精确度高,证明了文章的研究意义。     

基于卡尔曼滤波估计的一致性时钟同步算法

针对无线传感器网络（WSN）的众多应用都需要依赖时钟同步的节点协同完成,而由于节点的晶体震荡器受自身以及外界环境的影响,使得节点时钟偏斜和时钟偏移两个参数发生变化导致时钟不同步问题,提出了基于分布式卡尔曼滤波估计的一致性补偿时钟同步算法DKFCC。该算法首先利用双向信息交换机制以及分布式卡尔曼滤波实现时钟偏斜和偏移两个参数的最优估计,然后基于时钟参数的最优估计值采用一致性补偿方法实现节点的时钟同步。实验结果表明：在100个节点随机部署的WSN中,采用虚拟全局一致性方式的DKFCC同步算法比异步一致性同步（AC）算法的同步均方根误差（SRAMSE）值降低了约95%,具有较高的同步精度;同时,所提出算法从时钟参数层面实现同步,无需频繁地进行时钟同步操作,相比AC算法更节能。     

避免路由循环和空洞节点的水下传感器网络深度路由算法

针对传统深度路由协议（DBR, Depth Based Routing）中的路由空洞问题,为了提高数据传输成功率,本文提出了一种利用水下自主机器人（AUV, Autonomous Underwater Vehicle）来中继节点数据的深度路由协议（AADBR, AUV Aided Depth Based Routing）。该算法利用水声通信和AUV全局巡航方式获取各传感器节点的位置信息,计算出必须由AUV中继才能实现数据上传的区域点。若数据传输路径出现循环现象,利用跳转函数重新规划路径,综合考虑节点的邻居信息和深度等来计算跳转优先级。算法仿真结果表明,AADBR协议能有效地提高网络数据传输成功率,稳定传输时延率,降低路由空洞造成的影响。     

洋流影响下基于运动矢径的AUV协同定位方法

针对水下自主航行器（AUV）协同定位受水下未知定常洋流影响的问题,给出一种洋流影响下基于运动矢径的AUV协同定位方法.利用AUV的运动学方程和基于运动矢径的量测方程,建立AUV的导航模型;通过扩展的卡尔曼滤波,设计了协同定位滤波算法;利用该算法对洋流速度进行估计,以补偿AUV定位误差.仿真结果表明,该算法能有效估计未知定常洋流速度的大小,并对AUV定位误差进行实时补偿,显著提高了AUV的定位精度.     

基于定向移动的水下传感器网络覆盖算法

覆盖率是衡量无线传感器网络服务质量的重要指标。为提高网络覆盖率,针对水下三维传感器网络模型,提出一种基于定向移动的虚拟力算法。将虚拟力简化为节点只受邻居节点的斥力作用,定义当2个邻居节点的感知圆球相切时,其位置为相对理想位置。节点所受虚拟力大小与节点移动到相对该邻居的理想位置所需移动的距离成正比,而节点移动的距离与节点所受到的虚拟力的合力相关。实验结果表明,该算法能有效地对水下传感器网络的布局进行优化,提高网络覆盖率。     

WSN中入侵节点检测的节点测距方法

提出基于节点测距的无线传感器网络（WSN）入侵节点检测算法,用于检测无线传感器网络中是否存在外来的伪造节点。该算法运用节点自身的各种传感器进行节点间测距,通过综合分析测距结果保证该算法能成功检测到网络中存在的伪造节点,检测中不需要网络同步时钟和节点位置信息。该算法可适用于不同规模、不同应用的无线传感器网络。通过理论分析和仿真实验验证了该算法在无线传感器网络节点攻击检测中的有效性和可行性。     

三维水下监视传感器网络的拓扑生成算法

当前大多数传感器网络研究假设传感器节点在二维平面部署,然而许多水下传感器网络应用要求节点在三维空间分布。针对三维水下监视应用,提出一种新颖的分布式传感器网络拓扑生成算法（ETG）。基于格理论,ETG算法将节点的移动控制与活动设备的调度相结合。初始时刻监视设备密集部署在二维海平面上,ETG算法根据局部信息选择活动设备,并通过控制其传感器节点在垂直方向的移动,形成一个三维水下网络。仿真实验表明,ETG算法能够以较小的平均节点移动距离覆盖较大的空间,从而有效减少网络建立阶段的能量开销。     

一种基于多普勒效应的水下无线传感器网络时间同步机制

时间同步是无线传感器网络的基础问题。电磁波在水下环境的传输衰损极大,为此水下无线传感器网络通常采用超声波实现信息传输。由于超声波较低的传输速率和传感器节点在水中的运动,必将导致严重的信号传输延迟。构建了一种基于多普勒效应的水下无线传感器网络时间同步机制,通过检测接收到的超声波频率变化来实现时间同步校正。基于MATLAB实现了该同步算法的仿真。实验结果显示,传感器的采样时间间隔越短,移动速度越快,在水中所处的深度越小,整个系统的同步性越高。     

The water-tank test of a novel underwater positioning system based on sensor networks

To provide highly precise position information for the navigation of an autonomous underwater vehicle (AUV) in a large area, we are developing a new underwater positioning system based on sensor networks. In this system, we set many standard stations on the sea surface and use a sound global positioning system (GPS). To lower the cost of nodes and simplify signal processing, we have proposed a new method based on sound propagation loss (SPL).This study describes a new information integration method to solve two problems: (1) the transmission path of the sound may be blocked by some obstacle; (2) the underwater nodes may get broken.     

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.     

水下移动无线传感器网络研究综述

水下移动传感器网络是水下机器人与水下传感器网络的结合,解决了传统水下监控网络存在的无法自动实现节点投放与回收,容易存在监测盲区以及不能动态组网等问题,按照自下而上的体系结构,对水下移动传感器网络的研究内容及发展方向进行了归纳阐述,包括水下节点设计、节点互联和动态组网,即点、线、面的层次结构;着重分析了节点移动特性对水下传感器网络的影响及相应的解决方法.虽然水下移动传感器网络的研究面临很多挑战,但它必将具有广阔的应用前景.     

水下传感器网络时间同步和定位的联合实现方法

水下传感器网络的信号传播速度受环境参数的影响而难以确定,增加了时间同步和定位的难度.当信号传播速度未知时,提出了一种水下传感器网络的时间同步和定位联合实现方案.通过建立该问题的优化函数和模型,设计了线性最小二乘(LLS)估计、最小二乘半定规划(LS-SDP)、平方最小二乘半定规划(SLS-SDP)及平方最小二乘二阶锥规划(SLS-SOCSDP)算法,分析了各算法的计算复杂度.仿真分析表明,线性代数LLS算法计算速度快,在低噪声条件下具有较高的估计精度.凸优化的LS-SDP、SLS-SDP及SLS-SOCSDP算法对未知参数估计的稳定性较好,但计算复杂度较高.     

三维水下移动传感网多目标有向路径覆盖增强研究

水下传感网中实现多个移动目标的协同追踪任是一个技术难题,针对这个问题论文提出了一种分布式的多目标有向路径覆盖增强算法。在实际的三维水下传感网中,水下传感器节点会随着水流运动而移动,被追踪的目标具有自主行动能力。假设移动规律遵从Meandering Current Mobility模型,多个运动目标沿着基于概率的Random Walk移动模型轨迹运动。在论文提出的算法中,覆盖运动路径的传感器节点通过两跳邻居节点范围内的水下传感器节点协同决策来实现最大化路径覆盖,通过调整水下传感器节点自身的有向覆盖方向达到多目标轨迹路径有向覆盖率平均值最大,并使多目标轨迹路径有向覆盖率标准方差尽量小。最后论文通过MATLAB软件仿真来验证分布式覆盖增强算法的有效性,能够显著提高多个移动目标的路径覆盖率。     

基于潜艇深度的水下传感器网络部署

针对三维水下无线传感器网络在反潜方面的应用,利用潜艇出现深度信息的先验概率模型,提出一种基于潜艇深度的部署算法。节点采用均匀部署,依据潜艇可能出现的深度信息,对潜艇出现概率较大的区域,休眠较少的节点,增大活跃节点的密度,提高覆盖率;对其它区域,增加休眠节点的数目,以减小活跃节点的密度,降低覆盖率。仿真结果表明,本算法可以在保证较高覆盖质量的前提下,降低网络的整体能耗,延长网络生存时间。