水下传感器网络

摘要： 在水下无线传感器网络的应用中,如果传感器节点的位置未知,传感器节点所感知的信息便失去了意义,节点定位和轨迹预测是水下传感器网络研究的关键技术。阐述了水下传感器网络节点定位与轨迹预测技术,在简介水声通信特点的基础上,分类介绍了较为经典的水下节点定位算法和轨迹预测技术,并对人工智能相关的定位算法进行了阐述,随后对这些算法进行了对比和分析。最后,展望了水下传感器网络节点定位和轨迹预测技术的研究前景与发展趋势。

摘要： 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悬停点位置,基于这些被确定的悬停点位置,得到优化的AUV航行轨迹。仿真结果显示,对比基准算法,本文所提出的轨迹算法性能有明显的改善,满足能量优化需求。

摘要： 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。

摘要： 针对中小型规模水下无线传感器网络中存在的节点能量消耗不均衡、网络生命周期较短的问题,提出一种基于强化学习(RL)与消息反馈机制的能量均衡路由算法,将水下路由问题建模成马尔可夫过程,采用Q-Learning方法并设计直接奖励函数对节点转发路径进行决策;引入节点转发适宜度规避转发过程中的疑似空洞节点;改进空节点数据包恢复方法。采用NS-3网络仿真模拟器,通过在不同规模下对传感器动态网络算法性能进行对比分析。仿真结果显示,该算法在中等规模动态水下传感器网络中保障较高路由效率与投递成功率的前提下有效均衡了网络节点能量消耗,显著延长了网络生命周期。

摘要： 水下传感器网络部署是开展水下传感器网络相关应用的基础,良好的传感器节点部署方案可以有效提高目标的监测质量;针对水环境中随机事件的突发性和不确定的特点,提出了基于自组织图算法的水下传感器网络优化部署方案;首先,随机部署传感器节点,预设随机事件呈L型不均匀分布,当随机事件发生在传感器覆盖漏洞处时,采用自组织图算法确定传感器节点需要移动到的目标位置;仿真结果表明,基于自组织图算法的水下传感器网络优化部署方案可以显著提高对随机事件的覆盖率,实现对水环境的有效监测。

摘要： 针对水下节点随着洋流运动具有移动性特性,导致现有水下测距定位算法存在定位精度低、抗干扰能力差等问题.对此,提出一种模糊推理下多模型融合的异步定位算法.首先采用深海拉格朗日洋流模型描述水下节点运动规律,模拟节点运动速度,构建锚节点与待定位节点信息动态交互模型.在此基础上,构建基于信号传播时延(Round-trip Time,RTT)与接收信号强度(Received Signal Strength Indication,RSSI)动态定位模型,再引入波动系数作为调节因子,利用模糊推理规则建立RTT与RSSI相融合的动态定位模型,提出模糊推理下多模型融合的异步测距定位算法.仿真实验表明,改进算法与对比算法相比,考虑了水下节点的移动性,降低了水声信道的不稳定性对定位精度的影响,定位误差降低了25.58%,抗干扰能力显著提高.

摘要： 针对水下节点授时过程由于节点移动导致的传播时延时变、低能耗需求等问题,提出一种基于多普勒测速仪测速的水下移动节点时间同步算法(MNTS)。通过建立节点运动模型和分析节点移动性对时间同步参数计算的影响,推导了时钟参数计算公式,解决了授时过程中节点运动导致传播时延估计难的问题;并且待同步节点基于单程通信模式获取标准时间信号实现时钟漂移率的估计,节省了网络能耗。仿真实验结果表明,该算法提升了时间同步精度和能效,更适用于资源有限的水下传感网络。

摘要： 相比于陆地无线传感器网络,水下传感器网络需要考虑能耗问题,如何使水下传感器更加节能成为研究的重要课题;同时,海水的温盐深等特性,决定了海水的声速深度剖面是弯曲的、声速是水平分层的,这是造成水下待定位节点与参考节点位置确定不准确的主要原因。针对水下场景中的能耗问题,构建了水下传感器节点协同定位的定位模型;针对声速的不稳定性,提出了一种基于卷积神经网络的水下声速模型,分析并设计了神经网络的网络结构,同时针对网络的缺陷,利用遗传算法对卷积神经网络参数进行模型优化,用以提高声速模型的精确性。利用南海海洋断面科学考察温盐深观测数据集,完成实验仿真对比。结果表明,协同定位模型可有效解决传感器网络的能耗问题,同时修正了海底声速,降低了定位过程中由于声速不稳定与时变性带来的误差影响。该模型进一步提高了水下传感器网络定位系统的精确性与鲁棒性。

摘要： 误差补偿是保证水下传感器网络时钟同步精度的一个重要保障,现有研究方法主要采用线性拟合和最小二乘法对时钟同步参数进行误差补偿,但该类方法并未考虑受海流影响时节点移动所导致的时钟同步精度问题.针对此问题,本文提出一种基于BP神经网络模型的时钟同步误差补偿算法.首先采用深海拉格朗日洋流模型描述水下节点运动规律,模拟水下节点运动速度,进而建立时钟同步参数模型,最后构建符合水下环境的BP神经网络时钟同步误差补偿模型,通过定义激励函数,引入正则项因子和补偿性因子避免模型过拟合,建立误差反向传播的BP神经网络模型时钟同步误差补偿算法.仿真实验表明,本文提出的算法与TSHL算法、MU-sync算法、MM-sync算法相比,在时钟同步精度(即时钟同步时间与标准时间的误差)上分别提升了37.42％,17.29％和21.86％,并且均方误差得到显著降低.

摘要： 水下传感器网络作为一种探索和开发海洋的新方法,在人类不易接触的水下区域的探测和监测中发挥着重要作用,是无线传感器网络领域研究的热点.在水下空间中传感器节点如何自主调整位置实现对"兴趣域"的覆盖和监视是一个重要课题.该文引入水平集理论LSM,提出了一种基于水平集的围猎式水下传感器节点布置方法.在该方法中网关节点根据传感器节点的位置信息和可能感知到的兴趣域信息,以能量泛函计算兴趣域边缘参数,传感器节点以此参数为根据,完成趋向兴趣域边缘的迁移;大量节点的迁移可逐步演化成对兴趣域的围猎式布置.同时,该文建立了结构相似度SSIM和网络能耗均衡度两个性能评价指标,以评估该文方法在实现兴趣域驱动的水下节点布置的综合性能.大量仿真实验结果表明,该方法在不同节点规模、节点密度和兴趣域形状情况下均可实现对兴趣域边缘的动态地、围猎式地覆盖,从而达到对兴趣域的有效跟踪和监视.

摘要： 随着世界各国对海洋权益的日益重视、发展海洋经济热潮的兴起和陆地无线传感器网络研究的迅速发展,水下传感器网络(USN,Underwater Sensor Networks)已经成为新的研究热点.首先对水下传感器网络拓扑结构及水下传感器网络通信做了相应的介绍;进而结合国内外研究现状,对水下传感器网络路由算法的研究发展做了综述.最后讨论了目前水下传感器网络路由算法研究存在的一些问题和需要进一步研究的方向.

摘要： 为提高水下传感器网络覆盖率,提出一种基于AUV运动控制的网络部署策略.通过引入改进虚拟力算法,加强事件对AUV节点的虚拟作用力,改善AUV节点运动控制,降低事件分布不均匀对网络覆盖的影响.仿真表明,该方法能有效提高网络事件集覆盖率,同时AUV移动距离也有所降低,节点移动能耗得到控制.

摘要： 水下声源定位是声纳装备三大基本功能之一，也是海洋信息获取的基本前提，现有的基于水下传感器网络到达时间差的声源定位算法没有考虑到达时间差测量误差对量测矩阵的影响,以及接收器位置误差对声源定位精度的影响.本文提出约束加权扩展总体最小二乘法,对上述两种影响进行了优化,进一步提高了定位精度.数值仿真和海上实验数据验证表明,对于近场范围的水下声源定位问题,本文所提出的新方法具有更高的定位精度和更广的适用范围.

摘要： 水下传感器网络在经济发展和国防建设中具有重要意义．分析研究了水下传感器网络的特点和体系结构，重点研究了水下传感器网络应用中的几个关键问题，提出了相应的研究方案．

摘要： 对于配备水下自治无人潜水器(Autonomous Underwater Vehicles,简称AUV)的静态水下传感器网络,节能是需要解决的关键问题之一。传感器节点周期性的休眠是节能的有效途径,但由于休眠导致的通信延迟增大,或由于AUV的高速移动都会引起消息传送成功率的降低。针对此问题,本文从理论上描述了在保证消息传送成功率的情况下,能量消耗、通信延迟、移动速度(Energy、 Latency、 Velocity简称ELV)三者之间的关系,为水下传感器网络设计权衡各参数的选择提供了理论依据。针对分布式水下传感器网络中各节点与AUV之间的通信,本文也提出了相应的路由协议和通信算法,以便于追踪AUV的地理位置并与之通信。

摘要： 随着水声通信技术和无线传感器网络技术的快速发展,水下传感器网络越来越受到各国的重视,但是相比日渐成熟的无线传感器网络,水下传感器网络现在的进展仍然比较滞后.水下传感器网络在海洋监测、目标跟踪及灾难预测等方面都有广阔的应用前景,传统的海洋技术手段越来越难以满足军用及民用的需求,因此水下传感器网络逐渐成为新的研究热点,但水声信道中高传播延迟和窄带宽的特点对水声网络MAC协议的设计提出了极大的挑战.本文提出一种适合水下传感器网络的高效自适应TDMA时隙分配算法SAA。SAA采用动态调整帧以及根据MAC层缓存队列长度进行自适应的时隙分配，很好地解决了信道利用率不高的问题，提高了网络的整体性能。

摘要： 随着海洋开发步伐加快，对于水下传感器网络、水下监视系统、水声预警网络的需求越来越迫切，水声通信网络成了海洋监测领域内的研究热点。但是，由于水声信道非常有限的可用频带以及强多途、大起伏、高噪声、长传播时延等问题，大大地制约了水声通信网络的性能，如何设计出一种适合水声信道特点的多址接入协议直接影响着整个水声通信网络的性能。目前应用的最多的便是Aloha协议以及CSMA协议。本文应用OPNET网络仿真软件，仿真研究了海洋声环境下的Aloha以及CSMA/CD两种多址协议，并对其网络吞吐量、端到端时延、丢包率等性能进行了比较。

摘要： 由于水下环境与地面环境不同,无线传感器网络中的协议不能直接应用于水下传感器网络中。针对水下环境的特点，提出了一种适用于水下传感器网络的路由协议。它是一种可扩展的、能量高效的路由协议。仿真结果显示：网络节点的移动速率不是很大时，该协议具有能量利用率高数据传输成功率高和传输延时低等优点。

摘要： 本发明属于水下传感器网络领域，提供了一种水下传感器网络路由数据传输方法及水下传感器网络。其中，水下传感器网络路由数据传输方法包括获取水下传感器网络拓扑结构相关数据，查询水下传感器网络中的当前节点的所有邻居节点；将每个邻居节点的传输距离、传输角度、剩余能量和累积奖赏作为模糊器的输入，根据模糊规则库推理，去模糊化得到每个邻居节点的Q值，选择Q值最大的邻居节点作为转发节点，同时按照预设学习效率以及最大Q值来更新当前节点的累积奖赏；水下传感器网络中所有节点的累积奖赏初始值均为0。

摘要： 一种基于多水下自主航行器的水下传感器网络路由方法。其包括网络初始化、数据传输和网络修复阶段等步骤。本发明中网络初始化阶段通过构建动态网络分层结构，将水下传感器网络中的水下普通传感器节点分出层次，从而形成递进梯度，使得在后续的数据传输阶段可使数据包依据水下普通传感器节点的层次关系向相应的水下自主航行器传输。在数据传输阶段，水下普通传感器节点根据候选节点的复合转发因子对候选节点的传输优先级进行排序，基于候选节点传输优先级的大小进行候选节点集的传输协调，从而避免数据包冲突，降低网络时延；在网络修复阶段，利用网络修复模型在初始动态网络分层结构发生变化时进行周期修复，以提高水下传感器网络的传输性能。

摘要： 本发明公开了一种固定深度水下传感器网络的水下节点位置预测方法，该方法适用于节点深度固定的三维水下传感器网络。其中，水面的移动sink通过卫星定位系统进行定位，计算水流速度与偏移角度，并将这些信息周期性广播至浮标节点，浮标节点再次将该信息转发至水中节点；水中节点使用埃克曼漂流模型，计算所处深度的水流速度与偏移角度，最终计算得出漂流的位移，以此预测位置信息。相比常规基于测距的水下定位方法，该方法可减少浮标节点的位置信息广播行为，减少能源损耗。

摘要： 一种基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，包括：对水下每个节点的移动模式进行建模，使节点能够在一个球面上有规律地移动；由上到下建立节点之间的虚拟路由路径，所述的路径绕过网络空洞区域；通过已建立的虚拟路由路径转发数据包；根据节点的移动导致的拓扑变化动态地进行路径重建。本发明的基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，能够实现更高的网络覆盖度，更高的数据包投递率，更短的传输时延和更低的能量消耗。它能够高效地处理网络空洞问题，体现了健壮性。

摘要： 本发明公开一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法。包括以下步骤：初始化MAC协议，确定每对发送节点和接收节点的数据交换时间；使用编码节点选择算法确定网络编码层内的编码节点；网络编码层内的节点唤醒后，如果为普通节点则直接将接收到的数据包发送出去；如果为编码节点，进行编码后发送出去。本发明具有能够提高网络吞吐量和数据传输率的优点。

摘要： 本发明属于水下传感器网络领域，提供了一种水下传感器网络路由数据传输方法及水下传感器网络。其中，水下传感器网络路由数据传输方法包括获取水下传感器网络拓扑结构相关数据，查询水下传感器网络中的当前节点的所有邻居节点；将每个邻居节点的传输距离、传输角度、剩余能量和累积奖赏作为模糊器的输入，根据模糊规则库推理，去模糊化得到每个邻居节点的Q值，选择Q值最大的邻居节点作为转发节点，同时按照预设学习效率以及最大Q值来更新当前节点的累积奖赏；水下传感器网络中所有节点的累积奖赏初始值均为0。

摘要： 应用于水下传感器网络的传感器节点分布控制方法包括：判断处于工作状态的传感器节点的能量消耗是否达到消耗能量最大值；若是则激活最近的处于休眠状态的传感器节点；判断水下传感器网络中是否存在覆盖空洞；若是则调节传感器节点间隔阈值；计算传感器节点所受合力；根据所述传感器节点所受合力和粒子群算法计算并更新水下传感器节点实时位置；根据水下传感器节点实时位置计算实际有效覆盖率；如果实际有效覆盖率大于等于预设有效覆盖率，则维持当前传感器节点分布不变；如果实际有效覆盖率小于预设有效覆盖率，则迭代执行上述步骤直至实际有效覆盖率大于等于预设有效覆盖率或者迭代次数达到设定迭代次数。本发明旨在实现有效覆盖率最大化。

摘要： 一种基于多水下自主航行器的水下传感器网络路由方法。其包括网络初始化、数据传输和网络修复阶段等步骤。本发明中网络初始化阶段通过构建动态网络分层结构，将水下传感器网络中的水下普通传感器节点分出层次，从而形成递进梯度，使得在后续的数据传输阶段可使数据包依据水下普通传感器节点的层次关系向相应的水下自主航行器传输。在数据传输阶段，水下普通传感器节点根据候选节点的复合转发因子对候选节点的传输优先级进行排序，基于候选节点传输优先级的大小进行候选节点集的传输协调，从而避免数据包冲突，降低网络时延；在网络修复阶段，利用网络修复模型在初始动态网络分层结构发生变化时进行周期修复，以提高水下传感器网络的传输性能。

摘要： 本发明公开了一种固定深度水下传感器网络的水下节点位置预测方法，该方法适用于节点深度固定的三维水下传感器网络。其中，水面的移动sink通过卫星定位系统进行定位，计算水流速度与偏移角度，并将这些信息周期性广播至浮标节点，浮标节点再次将该信息转发至水中节点；水中节点使用埃克曼漂流模型，计算所处深度的水流速度与偏移角度，最终计算得出漂流的位移，以此预测位置信息。相比常规基于测距的水下定位方法，该方法可减少浮标节点的位置信息广播行为，减少能源损耗。

摘要： 一种基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，包括：对水下每个节点的移动模式进行建模，使节点能够在一个球面上有规律地移动；由上到下建立节点之间的虚拟路由路径，所述的路径绕过网络空洞区域；通过已建立的虚拟路由路径转发数据包；根据节点的移动导致的拓扑变化动态地进行路径重建。本发明的基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，能够实现更高的网络覆盖度，更高的数据包投递率，更短的传输时延和更低的能量消耗。它能够高效地处理网络空洞问题，体现了健壮性。