水下传感网动态覆盖策略及其抗毁机制的研究

Network coverage is an importance performance indicator for steady operating of sensor networks, and Underwater Sensor Network is incomplete data and network segmentation for its atrocious working environment, so the existing centralized non-persistent deployments does not meet the need of sensing network coverage. This program intends to study dynamic coverage and connectivity issue with invulnerability mechanism for Underwater Sensor Networks, which will find applications in river, lake and more water environment monitoring. Specifically, the project focuses on the following in details: 1.Based on the random damage, organization damage and the selected damage models of networks, we deeply research the coverage control strategy for Underwater Sensor Networks in which the importance degree of sensor network is the core, and we analyze the invulnerability of the network coverage strategy; 2. On the basis of dynamic coverage strategy, the coverage control strategy and network repairing mechanism for 3D Underwater Sensor Networks will be studied, and the strategy will be extended to improve the invulnerability. 4. The application demonstration project of water environment surveillance network will be developed, which verifies and assesses the validity of the deployment strategy and optimal coverage algorithm proposed in this program. Our project outcomes will provide effective theoretical basis and data support for the deployment of underwater sensor networks.

网络覆盖是传感网稳定工作的重要性能指标，水下传感网由于其工作环境恶劣使得网络处于分割和数据不完备的状态，现有的集中式非持续性部署已经无法满足传感网覆盖要求。本项目拟以湖泊、河流等水体的环境监测为研究背景，研究水下传感器网中具有抗毁性的动态覆盖和连通问题。重点对如下内容进行研究：1.针对网络随机受损、被选择性受损和组织受损模型，分别建立以区域重要度为核心的水下传感网水面、水体和水底动态覆盖控制策略并分析其抗毁性；2.在动态覆盖策略的基础上，进而研究受损时水下三维传感网动态覆盖策略的修复机制，以冗余部署和长程边连接为基础探索提高抗毁性的方法；3.以小型湖泊为载体，研发水环境监测网络，以验证和评估所设计的节点部署策略及覆盖优化控制方法的有效性。项目成果有望为水下传感网的部署提供有效的理论依据和数据支撑。

水下传感器网络抗毁机制研究是传感器网络的一项重要研究课题,而哈密顿性是衡量网络结构性能的指标之一，如果在多播算法中使用哈密顿路径，可以减轻传统路由算法所带来的的拥塞和死锁。本项目针对通用网络结构研究网络的哈密顿性，提出基于基本元的网络结构满足递归性、连通性和边割集的最小边数大于等于4三个条件，则网络结构存在哈密顿性。如果网络结构中存在度小于等于2的节点，则该结构不存在哈密顿性，同时证明网络结构中边割集的最小边数小于等于2，则网络结构不具有哈密顿性。. 在哈密顿研究的基础上，提出具有容错哈密顿圈的网络中基于PMC诊断模型的方法来检测和定位故障服务器。在存在哈密顿性的网络结构中，按照哈密顿圈对各个节点依次测试，若测试到故障节点，在拓扑中删除此节点构成容错哈密顿圈继续进行检测。当故障节点数超过容错节点上限时，使用概率诊断方法去确定故障节点，提高测试效率。. 最后针对水环境监测网络随机部署时水面节点分布不均匀问题，提出一种基于极坐标的覆盖优化算法。算法分解为径向优化和圆周方向的优化两部分，对二维水平面的网络节点位置进行优化提高网络的覆盖率。具体策略为，径向优化时节点仅可以沿原点到节点的连线移动，计算节点相对每个邻居节点的虚拟半径大小，虚拟半径的矢量和为节点沿半径实际移动的距离；圆周方向优化时，节点仅可沿极坐标系中节点所在的圆环移动，计算节点相对每个邻居节点的虚拟角度的大小，虚拟角度的矢量和为节点沿圆周方向实际移动的角度。按照节点ID顺序依次迭代优化，并通过节点极坐标位置中半径值的限制，简单有效的将节点控制在部署区域内，尽可能减少节点间的重叠区域，优化网络的覆盖率。. 以河南大学校内湖泊为载体，研发水环境监测网络，以验证和评估网络性能研究及覆盖优化控制方法的有效性。发表SCI论文7篇、EI论文10篇、中文期刊论文3篇，国家发明专利3项、学术专著1部，项目成果达到预期目标，项目成果有望为水下传感网和网络性能研究提供有效的理论依据和数据支撑。