稀疏锚节点下基于洋流运动的水下传感器网络定位算法研究

Underwater wireless sensor network (UWSN) can offer significant advantages and benefits in a wide spectrum of applications such as mineral exploration of seabed, underwater environmental observation and marine military activities. Different from the terrestrial wireless sensor network, UWSN has many unique features. For example, the anchors are sparsely distributed, the nodes have limited energy storage and nodes' locations change continuously. The traditional localization schemes mostly assume the anchors are deployed adequately or the nodes are static. Hence they can't be applied in underwater environment directly. Therefore, it is necessary to study and explore the localization problem in underwater mobile sensor network further. This research proposal mainly includes three parts: (1) We analyze the movement characters of typical current, define some key parameters for reflecting external factors, and then construct a novel node movement model for estimating the node movement. (2) According to the intermittent localization failure problem brought by the sparse and dynamic anchors, the proposal discusses the localization strategy under different number of anchors, extracts the embedded position information with little anchor information, and then designs an efficient localization algorithm based on the movement model.(3) Considering the acoustic communication characters and energy limitation problem of nodes, we analyze the optimal localization strategy and study the energy optimization mechanism to minimize the communication cost while keeping the localization accuracy. The research achievements of the proposal have great theoretical and practical significance for the underwater mobile sensor network.

水下传感器网络在海底矿产勘探、水下环境监测以及海洋军事活动等方面具有重要应用。水下环境中锚节点稀疏分布，节点具有移动性且能量受限，而传统算法大都要求充足锚节点部署，或假设节点静止不动，因此不能直接应用到水下。水下传感器网络移动节点的定位问题有待深入探索和研究。本课题主要研究：（1)分析典型洋流运动的特点与规律，定义反映外部干扰因素的关键模型参数，研究并建立一个新型节点移动模型，以估计节点运动状态。（2）针对水下锚节点移动且稀疏分布所导致的定位失败问题，分类讨论不同锚节点数量下的定位策略，深度挖掘有限锚节点信息下所隐含的位置信息并结合移动模型设计高效定位算法。（3）针对水下传感器网络通信特点与能量受限问题，探讨最优定位策略并研究能量优化机制，在保证定位精度的同时最小化通信耗费，以延长网络生存期。课题的研究成果对水下移动传感器网络具有重要理论意义，对于实际应用也有重大工程价值。

随着我国海洋产业的不断发展，水下传感器网络在海洋环境监测以及海洋军事活动探索等方面发挥着越来越重要的作用。本课题主要研究了移动环境下的水下传感器网络节点定位问题,主要分为以下四个部分：(1)课题首先分析典型洋流运动的特点与规律，定义模型关键参数反映外部干扰因素，建立了一个新型的节点移动模型，用于估计节点运动状态。相比传统圆盘运动模型，该模型具有较高的预测精度。（2）针对锚节点稀疏分布所导致的定位失败问题，利用接收到的少量锚节点信息深度挖掘所隐含的节点位置信息，在考虑不充分的锚点覆盖以及网络丢包情况下，将移动节点定位系统建模为带乘性噪声的多通道非线性系统，并在所建立模型的基础上提出一种改进的卡尔曼滤波算法以提高定位精度。最后，通过仿真研究验证所提出算法的精度并评估不同参数对系统性能的影响。(3)针对稀疏锚节点下的海面节点，利用海面环境相对空阔的特点，充分挖掘节点所收到信号强度的相似性实现定位。在定位过程中，首先估计任意一对节点间的相对距离，然后利用MDS技术得到整个网络相对位置关系图。最后给定若干个锚节点，完成节点的物理定位。上述设计通过28个节点组成的规则和非规则两种网络验证，实验结果表明该方法的定位精度较经典定位算法有了较大提高。（4）针对水下传感网络通信特点与能量受限问题，在水声通信、定位频率以及网络丢包三方面完善定位算法并研究能量优化策略。此外，针对传感节点监测的数据，设计了海洋监测数据可视化控件并应用。综上所述，该课题分别在节点移动模型、移动节点定位、海面节点定位、算法优化策略等四个方面取得了一定的研究进展，在国内外学术会议和期刊上发表论文12篇，其中SCI检索5篇，EI检索5篇，出版专著3部，授权发明专利2项。