基于虚拟力的水下传感器监控反潜策略研究

近年来无人潜航器对海上重要目标的威胁逐渐增大,体积小、噪声低、行动隐蔽的特点使其很难被发现。为此提出了一个基于虚拟力的传感器监控网络构建算法,通过将三维地形分割,得到面积最小的垂直切面。在该切面上部署传感器,定义了传感器所受重力、互相之间斥力以及边界斥力,在合力的作用下达到平衡状态时完成传感器部署。理论分析和仿真验证表明,提出的算法对复杂地形适应性强,能够根据覆盖率要求得到对应的传感器部署策略,与传统方法相比更灵活,且通过与VFOPCA算法比较,其能耗更低收敛更快。该研究对监控无人潜航器的侵入有指导借鉴意义。

基于蚁群算法的水下传感器网络生存期延长策略研究

随着海洋强国战略的推进和实施,水下传感器网络广泛应用于海洋资源探测、污染监测、辅助导航和水下军事侦察等领域,具有十分重要的意义。由于水下传感器所携电池充电或更换困难,如何减小传输能耗、在传感器能量受限的情况下提升网络生存期是亟须解决的关键问题之一。据此,提出了一种动态蚁群路由算法,考虑了每次传输后的节点剩余能量,作为路径优化的条件之一,基于蚁群算法在每次传输中选择最优路径,并在每次传输完成后更新路由表,让更多的节点参与信息传输,以提高节点的利用率。仿真结果表明:动态蚁群路由算法同时兼顾了能耗平衡和最小传输能耗,大大提高了网络生存期。分析结果对水下传感器网络的路由协议设计有一定的参考意义。

基于因子图模型的水下传感器网络时间同步方法

为了降低水下传感器时间同步周期长、提高同步效率,本文提出了一种基于因子图模型的水下位置、声速、时延测量值的参数融合方法。该方法在求解系统钟差边缘概率密度函数后,对该函数进行二进制化简,从而快速解算各传感器钟差,实现网络的动态时间统一。试验结果证明:在其动态时间同步准确度高于8×10^(-4) s的前提下,其同步周期仅为现有方法的1/2,并可以在一个周期内完成对整个网络的授时,计算量降低。

二维水下传感器网络的多重贪心算法

水下传感器网络是一种特殊的传感器网络。在水声通信的基础上构建一个简单、高效的水下传感器网络还是一个新兴的研究领域。对水下传感器网络网络拓扑结构进行分析,并根据二维水下传感器网络的特点,以减少网络功耗为目的,提出了一种新的路由算法-多重贪心算法以获得最优路径。

水下传感器网络目标跟踪时的非短视比特优化分配算法

由于水下传感器网络(Underwater Sensor Network,USN)的能量、带宽有限,传输原始量测数据前需要进行量化处理。面向目标跟踪,在传输比特数据量的约束下,提出了非短视量化比特分配算法。首先,推导了量化量测下的条件后验克拉美罗下界,并将其设为优化目标,建立了比特分配优化模型。在此基础上,提出了一种双层近似动态规划的算法来实现比特分配的优化,在所设时间窗内利用第一层近似动态规划分配各个时刻的比特,并利用第二层近似动态规划在各分支上实现水下传感器节点的比特分配,进一步提升了计算效率。仿真结果表明,所提算法在满足实时性的要求下具有更稳定的跟踪性能。

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.

刚性驱动水下传感器节点自组织布置

水下传感器网络可用于海洋资源勘测、污染监测和战术监视等领域,已成为无线传感器网络的研究热点.在开放式动态的水下环境中传感器节点如何自主调整部署位置以达到高的网络覆盖度和连通性,从而保证最优的监测质量是一个关键问题.该文引入刚性理论,定义了节点域的"刚性-覆盖值"作为水下传感器节点所处位置的评价指标,并基于此设计了刚性驱动的节点移动策略,从而构建了完整的节点自组织布置方法.理论分析和仿真实验结果表明该水下传感器节点自组织布置方法可以使网络演化出优良的覆盖度和连通性,并且具有分布式可实现、收敛速度快、鲁棒性强的优点.

鱼群启发的水下传感器节点布置

水下传感器网络(Underwater sensor networks,UWSNs)可用于海洋资源勘测、污染监控和辅助导航等领域,已成为无线传感器网络方向的研究热点.在开放式复杂的水下环境中监测目标具有高动态和不确定的特点,节点如何根据环境和目标的变化自主调整位置,以达到对监测目标的优化覆盖是一个关键问题.本文描述了水下传感器节点布置问题,定义了性能评价指标"事件集覆盖效能",并提出了一种鱼群启发的水下传感器节点布置算法,通过模拟鱼群行为,并结合拥挤度控制,使节点自主趋向并覆盖事件,同时实现节点分布密度与事件分布密度相匹配.大量对比仿真实验结果表明该算法可以有效解决水下传感器节点布置问题,并具有复杂度低、计算量小、收敛速度快和分布式可实现的优点.

基于骨架提取的水下传感器网络刚性定位判别研究

水下传感器网络可用于海洋资源勘测、污染监测和战术监视等领域,已成为无线传感器网络方向的研究热点.在水下三维空间中如何对位置未知的节点进行可定位性判别,并实施有效定位,从而为水下监测应用提供位置信息是一个基础的关键问题.该文引入刚性图理论,提出了一种基于骨架提取的水下传感器网络刚性定位判别方法.该方法首先将水下传感器网络构建为无向图,然后通过"伪节点剔除"和"割边剔除"等策略提取具有全局刚性的子图,即网络的骨架,从而完成网络及节点可定位性的判别,最后利用层次分析法对可定位节点进行"定位可信度"综合排序,为定位计算提供指导和依据.大量仿真实验结果表明该方法在不同网络规模、节点密度和网络连通性情况下均具有较高的判别成功率和有效性.

水下传感器网络安全研究

水下传感器网络是一种新型的水下网络系统.文中分析研究了水下传感器网络面临的安全威胁、攻击和安全问题,结合水下环境和水下传感器网络特点,分析了严重威胁水下传感器网络的攻击.由于水下传感器网络和水声信道的特性,水下传感器网络易受各种恶意的攻击,特别是低成本的拒绝服务攻击会严重破坏网络的服务.现有的陆地传感器网络的安全策略不能直接移植应用到水下传感器网络,并且这些安全策略都是针对某一协议层,由于分层策略的缺点和限制,分层的安全策略不能有效防护混合攻击和跨层攻击,水下传感器网络应采用跨层安全体系结构.

基于水下传感器网络的目标跟踪技术研究现状与展望

水下目标跟踪在海洋资源的开发利用以及国家安全的防御等方面都具有广泛的应用价值和重要的战略意义.基于水下传感器网络(Underwater sensor networks,USNs)的目标跟踪技术凭借其覆盖范围广、观测时间长和实时融合等优势已经成为一个新的研究热点.本文针对基于USNs的目标跟踪关键技术的基本思想、研究进展、应用及局限性进行了综述,主要从以下几个角度对其展开论述:USNs的建设现状、系统组成及其分类、目标跟踪系统模型、单目标跟踪技术、多目标跟踪技术以及能效优化措施.最后,本文不仅指出了基于USNs的目标跟踪研究目前存在的主要挑战,并对该领域的未来发展方向进行了展望.

CT-TDMA:水下传感器网络高效TDMA协议

针对水下无线传感器网络(UWSN,underwater sensor networks)提出以发送端为中心以连续时间为计量单位的冲突状态模型——局部冲突状态图及其分布式构建算法,并在此基础上设计了基于启发式规则的水下传感器网络TDMA协议(CT-TDMA,continuous time based TDMA)。CT-TDMA利用UWSN中同一接收节点与不同发送节点之间链路时延的差异性,减少在目的端的接收帧之间的空闲时间,从而提高网络流量;基于启发式规则的分配算法,能有效缩短连续时间轴上的时刻分配所花费的时间。模拟实验证明:CT-TDMA与以ST-MAC为代表的按时隙分配的TDMA方案相比,网络流量提高了20%,数据分组的端到端时延降低了18%;与由全局知识所计算出的最优分配策略相比,网络流量达到了80%,端到端时延仅延长了12%。

一种高效覆盖的水下传感器网络部署策略

传感器节点的部署直接关系到水下传感器网络的成本和性能。考虑到传感器节点间具有很强的协同能力,该文提出一种基于检测融合的部署策略。采用Neyman-Pearson准则融合单元网格内所有传感器节点的检测信息,实现正方形和正三角形两种单元网格的高效覆盖,进而分别给出针对两种单元网格的监测区域网格划分方法,从而确定监测区域需要的传感器节点数量以及放置的具体位置。通过仿真实验验证了该部署策略的有效性。结果表明,与不采用检测融合时相比,降低了传感器节点冗余度。使用相同数量的传感器节点,新的部署策略能够在保证一定感知质量的基础之上获得更大的覆盖范围。

基于分层的水下传感器网络路由策略

提出一种基于分层的水下传感器网络路由协议(layered-DBR,layered-depth based routing)。节点进行一次信息广播后,只允许指定深度范围内的节点进行消息接收,以达到控制网络副本的目的,最终建立与网络冗余相关的网络分层模型。在分层网络中,节点首先需要计算消息转发前后的相对深度距离与相对剩余能量,进而计算出消息的转发概率。同时,建立一种消息队列管理机制,该队列同时具有消息转发管理和历史记录管理的功能,并给出消息的入列和出列方法。仿真实验表明,layered-DBR能够有效地控制网络冗余,与DBR和Flooding算法相比,layered-DBR能有效地减少网络能耗,延长网络寿命。

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。

多普勒辅助水下传感器网络时间同步机制研究

研究了水下传感器网络(UWSN)时间同步算法。针对水下环境中声信号传播时延长、节点移动性等特点给时间同步带来的问题,基于多普勒原理提出了一种分布式时间同步算法(NU-Sync),通过计算相对速度解决由节点移动导致传播时延不确定的问题,利用自主式水下潜器作为信标节点,通过不断广播时间信息的方式计算时钟频率偏斜,节省网络的能量消耗。仿真实验表明,与现有算法相比,NU-Sync能够实现较高的同步精度。

水下传感器网络移动节点定位问题研究

针对水下传感网中研究较少的移动节点定位问题,基于传统定位中常用的Chan算法,提出了一种改进的M-Chan算法。该算法通过曲线拟合进行运动轨迹预测,并利用节点的移动特性修正估计位置,从而提高了水下移动节点的定位精度。仿真结果表明,在不同的移动速度、通信半径、锚节点密度情况下,改进算法与传统的Chan算法相比,精度提高5%～10%。

基于水平集的围猎式水下传感器节点布置研究

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.

大规模水下传感器网络时间同步研究

该文针对大规模水下传感器网络,对信标节点覆盖内的节点,设计了基于静态信标节点的时间同步算法;对信标节点覆盖范围外的节点,设计了动态节点辅助的时间同步算法。减少了节点移动对同步精度的影响。同时,根据水下声速变化规律,设计了水下传感器网络分层时间同步机制,有效克服了已有算法在处理大规模水下传感器网络时间同步问题上的不足。仿真结果表明,该方法的同步效果明显好于现有的算法。

事件驱动的水下传感器网络部署研究

考虑到水下传感器能力受限的特点,提出了一种针对不确定事件监测的水下传感器网络部署方法。初始部署阶段采用随机深度调节的方法让节点均匀分布,以捕捉到更多的事件。重部署阶段节点则根据探测到的事件信息,基于虚拟力的方法进行移动,并且通过引入分簇控制的思想,将节点移动范围限制在各个簇内,从而降低了重构的规模,保证了网络的连通性。仿真结果表明:该算法可以在满足覆盖性能的同时,有效缩短节点的移动距离。