三维水声传感器网络中移动受限与自由移动节点的部署策略研究

Underwater Acoustic Sensor Networks (UASNs) are underwater monitoring systems consisting of sensor nodes with acoustic communication and computing capability. Node deployment problem is to study how to deploy sensor nodes to make the network with the topological structure of some characteristics. It is the basis for ensuring the quality of UASNs monitoring and subsequent network communication protocol design. And good node deployment scheme can reduce the cost of network construction. Therefore, this project will research the node deployment issues of 3D underwater acoustic sensor network for the actual underwater application environment. Firstly, we will design the improved estimation model of acoustic velocity and the estimation scheme of acoustic propagation delay to improve the accuracy of ranging, thereby further improving the accuracy of node deployment. For the two cases of limited mobility and free movement of nodes, this project will design node deployment algorithm based on binary tree and regular tetrahedron respectively. Finally, the above related algorithms and schemes will be validated on the Aqua-Sim underwater sensor network simulator and the evaluation parameters are given. Results of this project will clarify the design direction of 3D UASNs node deployment problem in the future.

水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks, UASNs)是由具有声学通信与计算能力的传感器节点构成的水下监测系统。节点部署问题就是研究如何部署传感器节点，以使网络形成具有某种特性的拓扑结构。它是保证UASNs监测质量以及后续网络通信协议设计的基础，并且好的节点部署方案能够减少网络建设的成本。因此本项目将针对实际水下应用环境，探索和研究三维水下传感器网络中的节点部署问题。我们将首先设计优化的声速估计模型和水声传播时延估计方案来提高传感器节点的测距精度，从而进一步提高基于测距信息的节点部署的精度。针对节点移动能力受限和节点可自由移动两种情况，本项目将分别设计基于二叉树的节点部署算法和正四面体部署算法。最后，上述相关算法将在Aqua-Sim水声传感网仿真器上进行实验验证，并给出评价参数。本项目研究结果将阐明未来三维UASNs节点部署问题的设计方向。

作为无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)的新兴应用以及海洋监测任务的理想媒介——水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Network, UASN)已成为当前WSN领域新的研究热点。水声传感器网络是由具有声学通信与计算能力的传感器节点构成的分布式无线网络。当要组建一个水声传感器网络时，节点部署是第一个要考虑解决的问题，是保证水声传感器网络监测质量以及后续网络通信协议设计的基础。. 本项目对三维水下传感器网络中的节点部署问题进行深入研究。在实际水下应用环境中，声速随海水深度、温度、盐度是不断变化的，声单向传播时延估计精度不高。而这两个问题会对基于测距信息的节点部署精度产生影响，因此本项目基于概率理论设计了优化的声速估计模型和基于移动节点航向信息的水声传播时延估计方案。本项目的研究重点是节点移动能力受限和节点可自由移动两种情况下的节点部署问题。在实际水声传感器网络中，锚节点的部署密度往往是非常稀疏的，很多优秀的陆上无线传感网通信协议或节点定位方法会失效。针对第一种情况，本项目设计一种特殊的双锚节点部署方式，并采用双三角射影法对未知节点进行定位。该方法最大优势就是可以大大增加可定位节点个数，定位率几乎可以到达100%。针对第二种情况，本项目设计基于螺旋线的节点三维移动和部署策略。该方法将传感器节点部署、路径规划及定位问题进行统筹考虑，大大降低了随机部署方法的定位误差。上述相关算法均进行实验验证，并给出评价参数。. 本项目相关研究成果发表在IEEE Access, Sensor Review, Chinese Journal of Electronics, International Journal of System Assurance Engineering and Management, 信息安全研究等国际重要学术会议及期刊上。本项目研究结果将为未来三维UASNs节点部署问题提供新的设计方向。