面向海洋监测应用的无线传感器网络体系结构与拓扑控制技术的研究

无线传感器网络在海洋监测领域中有着广阔的应用前景,海洋场景与陆地场景差异显著，并且呈现出复杂多样性，针对该场景本课题调研了海洋场景的典型特征，提出了无线传感器网络体系结构与拓扑控制技术的研究。本课题将从网络体系结构角度出发，施行跨层、分面的多维协同设计理念，结合海洋环境多样性采用自适应的方式进行服务定制，综合运用工程技术和社会科学的方法，探索能区分海洋场景差异的无线传感器网络体系结构，建立相应的网络体系结构理论模型，对其总体性质、自适应能力和服务定制灵活度等进行分析和研究，并从逻辑上验证该模型的正确性；本课题还将从拓扑控制技术展开研究，通过比较和分析典型的传感器网络拓扑控制算法，归纳出面向海洋监测应用的拓扑控制技术的基本特点和需求，建立无线传感器网络拓扑控制通用模型，并侧重研究拓扑的生成、优化、自愈、部署等策略，进而提出切实可行的方案。

首先，本项目调研了海洋场景的典型特征，提出了无线传感器网络体系结构与拓扑控制技术的研究。本项目从网络体系结构角度出发，施行跨层、分面的多维协同设计理念，结合海洋环境多样性采用自适应的方式进行服务定制，综合运用工程技术和社会科学的方法，探索能区分海洋场景差异的无线传感器网络体系结构，建立相应的网络体系结构理论模型，并从逻辑上验证了该模型的正确性；.其次，本项目还从拓扑控制技术展开研究，通过比较和分析典型的传感器网络拓扑控制算法，归纳出面向海洋监测应用的拓扑控制技术的基本特点和需求，建立无线传感器网络拓扑控制通用模型；.第三，针对时延敏感类水下应用，采用AUV节点迁移修复拓扑的策略，提出一种能够降低传输时延和提高能耗效率的拓扑愈合算法；运用博弈理论对QoS拓扑控制问题进行了研究，归纳了QoS目标需求，设计了一种分布式的节点策略调整算法；海洋场景中节点容易发生位移，提出一种锚定节点的球冠状曲面移动模型，设计算法RDA解决了在该特定移动模型下拓扑控制如何同时确保覆盖和连通，并尽可能地降低网络能耗。.第四，提出了适用于海洋场景的传感器网络部署算法，分析了在典型海流运动中海洋传感器节点的迁移规律，并给出了海洋传感器网络的部署方法；还提出了一种最佳簇状的决策方法UDA，把水下空间划分为不同层次，并保持网络的覆盖性和连通性，此外该方法还区分不同层次上节点的数据传输压力，从而可以近似地最大化网络生命期。.第五，提出一种基于信标节点筛选的水下无线传感器网络定位算法，该算法通过三角形内点测试法筛选出合适信标节点群，根据未知节点从信标节点所接收到的RSSI值设置权重，最后利用加权质心法进行未知节点的定位；还设计了一种基于声波时延测距的水下无线传感器网络定位方法，根据测量的信标节点和未知节点间传输时延计算得到未知节点的估测坐标，计算复杂度较低，符合海洋环境中节点的实际计算能力。.最后，设计并开发了一种水面传感器节点，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。.项目成果包括：累计发表相关学术论文共计40篇，其中SCI检索3篇，EI检索20篇，申请国家发明专利4项，实现了模拟水域场景的无线传感器网络原型系统，并完成相应的分析与测试工作。