一种能量均衡的水下无线传感器网络覆盖空洞修补方法

针对现有水下无线传感器网络空洞修补方法需要空洞边界探测、通信和计算开销大、覆盖率和能量均衡性差、水下环境模型过于理想化等问题,考虑水底地形复杂,且通常存在较大障碍物等环境因素,建立了基于能量的节点之间、区域边界、零能量空洞、低能量覆盖洞、水底地形及障碍物作用力等多维度的虚拟力模型,提出了基于上述虚拟力模型和能量均衡的空洞修补算法。该算法不需要精确的空洞边界探测,对水下复杂地形和不同环境具有良好的适应性和鲁棒性。此外,提出的对低能量节点、低能量覆盖洞冗余修补的策略,显著提高了修补后网络能量分布的均衡性,减少了因低能量节点的能量很快耗尽而出现新的覆盖空洞的频率,减少了空洞修补频次,降低了网络维护成本。

LSDR-ALOHA-Q:基于强化学习适用于大范围远距离的水下无线传感器网络MAC协议

随着对海洋开发需求的日益增长,水下无线传感器网络成为研究的热点。但由于水下环境信道可用带宽有限,传输速度和传播速度都慢,多普勒效应和多径效应严重等众多不利因素,导致水下网络性能低下。这主要是因为缺少在大范围远距离的水下网络中表现良好的媒体访问控制协议(MAC协议)。提出的LSDR-ALOHA-Q协议以ALOHA-Q协议为基础,该协议采用加入强化学习的方法,以提高信道利用率,同时结合强化学习使得该协议能够适应多变和复杂的水下环境。提出的LSDR-ALOHA-Q协议包括对时隙和帧结构的改造,使其更适合于大范围网络,通过优化时隙数,主动寻找空间复用的机会来增加信道利用率,同时通过提出一个新的退避算法来避免因为优化时隙数量而带来的Q-learning可能无法收敛的问题,即可能存在节点一直无法找到无冲突发送时间的问题。仿真表明当LSDR-ALOHA-Q协议被应用到大规模远距离的网络时可以显著提升信道利用率,同时降低冲突率和平均端到端时延。

水下无线传感器网络抗恶意干扰技术应用及研究进展

水下无线传感器网络(UWSNs)越来越广泛地应用于海洋开发等领域,但其水声通信信道的开放性导致UWSNs容易受到水下的各类恶意干扰,各类通信抗干扰技术可有效提高UWSNs的通信可靠性。文中首先介绍了通信抗干扰技术的发展历程及其国内外发展现状,并对通信抗干扰技术的发展规律进行分析;其次分析了UWSNs中通信抗干扰的关键技术以及技术需求,最后对UWSNs通信抗干扰技术的发展应用进行了展望。

基于模糊逻辑的水下光传感器网络机会式路由协议

水下无线光传感器网络相比传统声传感器网络具有高带宽、低时延等显著优势,是实现水空跨域通信中水下数据高速实时传输的研究热点。但由于水下光节点的传输易受阻挡且节点需要指向对准等问题,传统水下传感器网络路由协议不可避免地会出现路由空洞和冗余数据传输情况。针对上述问题,文中提出了一种基于模糊逻辑的水下无线光传感器网络机会式路由协议。首先,提出基于模糊逻辑系统的水下光信道链路评价算法,结合水下复杂通信环境建模,设计了路由度量指标的多因素融合评估;然后,基于实时链路评估数据设计节点,数据转发概率和数据包保持时间的动态设定机制;最后,提出基于概率性的冗余抑制转发算法。仿真结果表明,在典型海洋通信环境下,所提路由协议可有效提高传输效率及减少端到端时延,具有良好的网络动态适应性。

基于改进的鲸鱼优化迭代算法的水下传感器网络节点定位方法

针对水下无线传感器网络中锚节点较少、迭代误差大导致节点定位精度低的问题,文章提出了一种基于改进的鲸鱼优化-牛顿迭代的水下三维节点定位算法(Improved Whale Optimization-Newton Iteration,IWONI)。该算法首先使用牛顿迭代算法对节点距离远近关系建立对应法则,并利用目标位置估计值和修正因子为改进的鲸鱼优化算法提供动态搜索区域;其次,建立以测量误差为权重的适应度函数作为判断基准,采用改进的鲸鱼优化算法进行迭代求解,以获得最优解;最后,利用定位方程得到网络节点位置。为了验证IWONI算法的性能,将IWONI算法与时间差定位算法(TDOA-CHAN、TDOA-Taylor)、测距定位算法(最小二乘法、高斯牛顿迭代法)和牛顿迭代算法进行定位误差、收敛性能和定位成功率对比实验,并验证了节点数量对定位精度的影响。实验结果表明:(1)IWONI算法的定位误差和收敛速度明显优于其他对比算法。(2)IWONI算法在测量噪声大时的定位成功率高达92%,明显优于其他对比算法。(3)在通信半径不变的情况下,选择5~7个传感器节点可以在IWONI算法中实现定位精度与成本开销的平衡。

基于移动信标的水下无线传感器网络定位算法

针对现有水下无线传感器网络定位算法定位精度不足且无法适应水下多变的网络拓扑的问题,提出一种基于移动信标的水下无线传感器网络定位算法。首先通过RSSI测距定位和DV-Hop算法获取未知节点的大致分布情况,其次以未知节点定位覆盖率作为目标函数,采用经过自适应惯性权重和柯西-t扰动策略优化的改进秃鹰搜索算法迭代求解信标节点移动的最优位置,最后信标节点移动到最优位置再对未知节点进行重新定位。仿真结果表明,与对比算法相比,移动信标节点定位算法能有效提高未知节点定位精度,在网络拓扑变化时也能保持较高的定位精度且定位效果稳定。

水下无线传感器网络安全研究综述

水下无线传感器网络(UWSNs)广泛应用于如灾害预警、资源勘探等各种领域,然而易受到恶意攻击,迫切需要发展能够适应其通信带宽窄、传播时延长、时空不确定性严重等特性的安全机制。首先,该文从水下无线传感器网络的特性及安全需求入手,对其面临的安全威胁进行了分析。然后,对水下无线传感器网络中的加密、认证、信任管理、入侵检测、安全定位、安全同步和安全路由各类安全机制进行了综述。最后,对水下无线传感器网络安全研究中面临的缺少实际测试及相关数据集等挑战以及利用网络特性发展安全机制的未来研究方向进行了探讨。

基于能量预警的管道自适应水下无线传感器网络路由协议研究

水下无线传感器网络通信受环境影响,造成网络的能耗大、数据传递率低、时延大,提出了AE-VBF路由协议。该协议在VBF协议基础上进行了优化,选择候选节点时引入能量预警值并改进转发因子,考虑了节点的能量信息和位置信息,同时引入了路由管道半径算法。通过仿真分析,AE-VBF协议随着网络密度的增加,以较小的数据包传递率的降低为代价,减少了网络的能量消耗,均衡了网络的整体能耗。

一种水下无线传感器网络的密钥提取方法

由于水下无线传感器节点是由电池供电,所以节点的内存、计算能力十分有限。传统方案是利用复杂的计算来保障安全的加密算法,这将会提高能耗,大大缩短传感器的使用时长,并不适用于水下无线传感器网络。为了增长传感器的使用时长,同时保证通信数据的安全传输,提出一种以水下声信道特征作为加密随机源的物理层安全方案。方案通过合法双方互发信道探测序列,提取信道状态信息,并基于该特性采用改进的CQG算法生成密钥。实验结果表明,与传统CQG算法相比,上述方案在密钥不一致率略微降低的情况下,能够有效提高密钥生成效率。

水下无线传感器网络协作式节点定位方法

针对无线传感器网络信标节点受水下条件限制不能布置很多的问题,利用非信标节点参与定位是提高定位精度的一种途径。协作式定位算法就是通过测量所有相邻节点间的信号传输往返时延来计算距离,利用信标节点和未知节点间的距离确定自身初始区域,并利用相邻2个未知节点间的距离来缩小这个区域,用迭代方式提高节点的定位精度。该算法无须额外的硬件支持,仿真结果显示:即使只有很少的信标节点,算法的定位精度也可以超过传统的只用信标节点的定位方式。

水下无线传感器网络

水下无线传感器网络是一种包括声、磁场、静电场等的物理网络,它在海洋数据采集、污染预测、远洋开采、海洋监测等方面取得了广泛的应用,将在未来的海军作战中发挥重要的优势。描述了水下无线传感器网络的研究现状,给出了几种典型的水下无线传感器网络的体系结构,并针对水下应用的特点,分析了水下无线传感器网络设计中面临的节点定位、传感器网络能量、目标定位等诸多难题,最后根据应用需求提出了水下无线传感器网络研究的重点。

无线传感器水下监测网络稀疏采样和近似重构

无线传感器网络在水下生态环境的监测方面有着广泛的应用,但是常常会碰到能量缺乏和生命周期较短的问题。为了克服这些问题,基于压缩感知理论,提出了一种网络节点调度和稀疏采样的优化方法,与传统的无线传感器网络节点调度方法不同,它采用随机概率采样模型,只对整个网络的一个子集进行采样,这是一种"物理静止,逻辑动态"的随机调度方案,节省了有限的带宽和能量。同时该方法在节点调度过程中,引入了状态转换图,对节点的状态进行分类控制,增加了网络覆盖要求和最小观测数等约束条件,使得设计的稀疏选择矩阵更为合理。同时研究了在满足最小l1范数的条件下,基于组合算法对稀疏信号进行重构的方法。实验的结果表明,与传统的无线传感器水下监测网络相比,基于上述节点调度方法所构建的无线传感器水下监测网络,具有较低的能耗和较长的网络生存时间,并且能对稀疏采样后的信号以较大的概率进行近似重构,使得重构信号逼近原始监测信号。

无线传感器网络节点协作的节能路由传输

针对无线传感器网络(WSN)中数据传输低能耗的需求,提出了一种节点协作的节能路由传输(ECGR)算法.该算法由以下2个方面构成:在物理层,WSN根据数据包循环冗余校验功能获得能够正确解包的节点,然后利用竞争选取算法推举出簇头节点,并通过与簇头节点进行信息交换,形成协作节点簇,从而进行协作发射信号,最终实现多节点分集增益;在网络层,协作节点簇利用基于地理位置信息路由算法,促使数据包始终向目的节点路由,避免了数据包路由向其他方向扩散.与其他同类算法相比,ECGR算法不仅增加了节点簇的传输距离,而且降低了网络整体能耗,并将能耗平衡分布于诸多节点,进而延长了网络寿命.仿真实验表明,当节点密度为0.03时,历经400次仿真,ECGR算法的节点存活率比基于地理位置的路由算法提高了70%.

一种在线迭代的水下随机传感器阵列生成算法

水下攻防对抗体系逐渐向无人化、网络化发展。为降低水声通信对水下传感器网探测能力的制约,首先分析了水下通信方式的应用特点,提出了水下随机传感器分布式阵列通信方式应用方案。然后结合凝聚式分类技术,建立距离矩阵和通信关系矩阵,提出了一种基于通信距离的在线迭代阵列生成算法,并给出了算法流程和计算实例。最后通过仿真试验验证了算法的有效性,并与规则阵列进行了对比分析。

基于Parzen窗的水下无线传感器网络目标定位方法

水声通道复杂多变,使得水下无线传感器网络中节点出现失效的情况,影响了多节点的目标定位性能。为解决这一问题,该文提出一种基于Parzen窗的方位交线定位方法。该方法利用Parzen窗分析所有交点的分布特征,估计目标可能出现在某个位置的概率,将概率最大值对应的点作为目标的估计位置。由于概率分布是非线性、多峰值的,采用带有惯性权重的粒子群算法去求解。仿真实验结果表明,所提方法能够在节点失效的情况下获得较高的目标定位性能,具有较好的鲁棒性。

能量有效的无线传感器网络协作压缩感知机制

单一的稀疏基无法适应无线传感器网络节点压缩感知过程的复杂性,该文提出一种适用于无线传感器网络的协作压缩感知策略,根据各自的能量消耗状态,节点之间以协作的方式选择稀疏基,进而,通过冗余字典增大数据表示过程中的稀疏度,并有效地增强传输过程的鲁棒性,达到降低能耗的目的。仿真结果表明该文提出的策略能够有效地延长网络生存时间,同时,数据恢复的准确性得到了极大地改善。

采用RSSI模型的无线传感器网络协作定位算法

由于无线传感器网络定位成本较高,精度不能满足要求以及通信和计算开销过大等问题,提出一种针对定位各阶段实施误差抑制措施的接收信号强度指示(RSSI)测距的协作定位算法。测距阶段通过周期性测量获得模型动态参数,采用相对误差系数对RSSI测距进行校正,定位阶段则基于泰勒级数扩展线性最小二乘方法实现位置估计,采取残差加权法优化位置坐标,减小非视距(NLOS)的不利影响。引入协作定位,将符合要求的节点升级为参考节点参与定位计算,进一步提高定位覆盖率和精度。实验结果表明,所提算法精度接近基于真实坐标的泰勒级数扩展LS算法,相同条件下的精度远高于传统估计算法。节点最大定位误差为0.15,最小定位误差为0.08,网络节点平均定位误差为0.109,能够满足大规模无线传感器网络(WSN)的定位需求。

一种相邻节点协作的无线传感器网络可靠传输方案

针对无线传感器网络中不可靠的通信链路引发传输效率下降的问题,提出了一种基于相邻节点协作的无线传感器网络可靠传输方案(NNCS).该方案利用无线信道的广播特性,通过选择成功监听到数据传输的相邻节点来承担协作传输任务(重传或转发),以降低重传次数,提高传输效率.在方案中,相关节点根据自身传输能力发送数据应答以竞争协作机会,同时通过信道监听避免发生竞争冲突.实验结果表明,较之传统重传方案,NNCS能够以更少的传输消耗达到更高的传输成功率,并有效降低了端到端的传输时延.

基于协作的无线传感器网络休眠调度算法

提出了一种新的保证覆盖的休眠调度协议CPSBC。该协议基于一种协作感知模型(CSM),与传统的圆盘感知模型和概率覆盖模型的不同之处在于,CSM充分利用了多个传感器节点的协作探测特性。基于CPSBC,对网络覆盖具有最小贡献的,同时休眠后并不影响原始覆盖的节点被调度进入休眠。理论证明和仿真试验表明,CPSBC协议能够以较少的能耗来保证原始网络覆盖率,从而达到较好的能量有效性。

无线传感器网络中协作通信的能耗优化方法研究

针对能量受限的无线传感器网络,该文综合考虑了协作节点数量和调制方式对系统能量有效性的影响,提出一种能量最优的综合优化方法。文中首先给出了在Rayleigh衰落信道环境下,协作通信系统采用二相相移键控(BPSK)和M进制正交幅度调制(MQAM)时误码率的闭式表达,同时对协作通信的系统能耗进行了分析。在此基础上,根据能耗最小化原则对协作节点数量和调制方式进行了联合优化。仿真结果表明,与调制方式固定或协作节点数固定的系统相比,该方案能进一步降低协作通信的系统能耗。