基于信号不规则性的水声传感器网络关键技术的研究

Underwater acoustic sensor networks (UASN) have broad prospects in the field of underwater monitoring applications, and they are significantly different with wireless sensor networks in land scenes. The prominent feature of UASN is signal irregularity. For the typical characteristics of UASN, the research of key techniques based on signal irregularity in UASN is proposed. The communication range and sensing range in different directions are anomalous due to signal irregularity, which makes most of the existing research is difficult to apply for UASN directly or the performance of techniques is weakened obviously. Therefore, signal irregularity should be the premise for the research of key techniques in UASN. The modeling method will be studied, and a formal UASN model according to signal irregularity will be established as well, to describe, analyze and verify the model theoretically. Based on the formal network model, the techniques of node deployment, node localization, topology control and routing will be studied. It is hoped that the inherent requirements and restrictions of key techniques on signal irregularity can be explored,and the key techniques conformed to underwater environments should be designed. Thus, the network communication solutions applicable for UASN can be proposed.

水声传感器网络在水下监测领域中有着广阔的应用前景,与陆地场景中的无线传感器网络差异显著，其突出特点即信号不规则性。针对水声传感器网络的典型特征，提出了基于信号不规则性的水声传感器网络关键技术的研究。信号不规则性导致节点的通信范围和感知范围在不同方位上呈现出不规律现象，使得现有的大部分研究成果难以直接适用于水声传感器网络,或显著地削弱了各种技术本应具有的性能，因此信号不规则性应成为水声传感器网络各项关键技术研究所不容忽视的前提。本课题研究水声传感器网络的建模方法，建立满足不规则信号特征的网络形式化模型，从理论上完整和正确地描述、分析及验证该模型的性质，在此模型下围绕水声传感器网络中的节点部署技术、节点定位技术、拓扑控制技术、路由技术等关键技术开展研究，期望发掘不规则信号对各项关键技术的内在要求和约束，设计符合水下环境的各项关键技术，从而提出适用于水声传感器网络的组网通信方案。

针对水声传感器网络的典型特征，提出了基于信号不规则性的水声传感器网络关键技术的研究。信号不规则性导致节点的通信范围和感知范围在不同方位上呈现出不规律现象，使得现有的大部分研究成果难以直接适用于水声传感器网络,或显著地削弱了各种技术本应具有的性能，因此信号不规则性应成为水声传感器网络各项关键技术研究所不容忽视的前提。.首先对水下信号不规则特征进行调研、归类与抽象，结合水声传感器网络环境分析引起信号不规则现象的各种因素，并判断在典型水下环境中各种不规则特征出现的可能性。经过对各种不规则现象产生因素的抽取与集成，最终构建为一个信号不规则形式化模型。.其次，基于信号不规则所产生的通信链接不对称、感知区域不确定等问题，研究利用全方位邻居节点信息来确保形成符合要求（连通度、覆盖度及其他目标）的网络结构的节点部署技术。.第三，针对不规则信号引发的定位误差增大问题，以及UASN中信标节点和未知节点都易发生偏移等特点，设计出具备误差自校正能力的UASN定位算法。.第四，研究和建立基于信号不规则性的概率通信和概率感知的拓扑控制可演化模型。研究符合 (KC,α)-连通和(KS,β)-覆盖的拓扑控制技术。.第五，为解决信号不规则带来的路由失效以及频繁重建等问题，结合UASN特点定义网络健壮性指标，然后研究具备健壮性特征的UASN路由技术。.最后，设计并开发了一种水下传感器节点，基于该节点实现了一个模拟水域场景的水下传感器网络原型系统，在该原型系统上实现了兴趣数据测量、节点定位、拓扑控制以及数据路由等模块，并完成了模块的分析与测试工作。