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水声传感器网络信号到达时间差目标定位的最小二乘法估计性能

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兵工学报 2020年第3期41卷 542-551页

作者：王领申晓红康玉柱花飞王海燕西北工业大学航海学院陕西西安710072 陕西科技大学电子信息与人工智能学院陕西西安710021

为解决水声传感器网络中测量误差和传感器节点位置误差同时存在时的目标定位问题,提出一种双误差模型下基于加权整体最小二乘方法。建立双误差条件下的信号到达时间差目标定位模型,采用加权整体最小二乘法对该模型进行求解,并推导权值... 详细信息

为解决水声传感器网络中测量误差和传感器节点位置误差同时存在时的目标定位问题,提出一种双误差模型下基于加权整体最小二乘方法。建立双误差条件下的信号到达时间差目标定位模型,采用加权整体最小二乘法对该模型进行求解,并推导权值的表达式。所提算法模型与实际符合性更好,且利用了测量误差方差和传感器节点位置误差方差的先验信息,以迭代方法得到最终的目标位置估计值。在模拟测量误差和传感器节点位置误差同时存在情况下对该方法进行仿真与水池试验验证,结果表明所提基于加权整体最小二乘的目标定位方法具有良好的定位性能。

关键词：水声传感器网络目标定位信号到达时间差加权整体最小二乘法 Chan算法估计性能

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水声传感器网络定位技术的优化策略研究

水声传感器网络定位技术的优化策略研究

作者：赵晓旭河北师范大学

学位级别：硕士

随着世界各国海洋资源的开发利用，水声传感器网络(UnderwaterAcousticSensorNetworks,UASNs)被广泛地应用于多领域中，并逐步成为海洋科学中的一个热点问题。应用于水下的前提是传感器节点的实时监测和位置确定，而低误差定位技术作为U... 详细信息

随着世界各国海洋资源的开发利用，水声传感器网络(UnderwaterAcousticSensorNetworks,UASNs)被广泛地应用于多领域中，并逐步成为海洋科学中的一个热点问题。应用于水下的前提是传感器节点的实时监测和位置确定，而低误差定位技术作为UASNs的关键而备受重视。本文深度剖析UASNs模型，针对不同定位场景下的定位原理及方法、性能指标等问题展开研究分析，旨在优化UASNs的定位技术。　　对于UASNs定位系统而言，规划移动的自主水下航行器(AutonomousUnderwaterVehicle,AUV)产生少量的虚拟锚节点构建参考节点阵列，结合AUV的观测值和声学测距设备的测量值，利用水声信号的传播时延构造测距方程，估计水下未知节点的坐标信息。本论文定位优化策略的研究内容有如下2个方面:　　一、针对UASNs中AUV移动路径长、节点定位覆盖率低的问题，提出一种基于三角拓扑的AUV辅助定位的路径规划算法(PathPlanningAlgorithmBasedonTriangularTopology,PPTT)。首先模拟水下环境，借助RWM模型，搭建AUV辅助定位模型，规划AUV移动路径;然后提出虚拟锚节点的节能机制，提出三角拓扑的AUV路径规划算法，并从理论上证明了路径的合理性;最后改进节点升级机制，将满足置信度值的节点升级为参考节点完成下一轮定位。仿真实验结果证明PPTT算法在移动路径长度、定位覆盖率、定位误差方面优势明显，可降低整个网络的通信开销。　　二、针对UASNs中声线弯曲造成定位误差大的问题，提出了一种迭代适应点分层的声线修正算法((IterativeAdaptivePointsLayering,IAPL),将声速剖面筛选分层修正声线。首先搭建水声定位模型，通过拟合目标海域的监测数据，得到声速高次函数;其次探究声线弯曲时目标位置与掠射角的关联性，由此构造出声线插值函数并求解路径参数;最后提出划分原则，精简声速剖面分层。仿真实验结果表明IAPL算法定位误差较低，在分层精简率、计算量方面优势明显，能够最大程度保留声速剖面的原始特征，减少分层数量，提高计算效率。

关键词：水声传感器网络定位优化策略路径规划声速剖面节点定位

水声传感器网络中基于能耗优化的分簇路由研究

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水声传感器网络中基于能耗优化的分簇路由研究

作者：付娟中南民族大学

学位级别：硕士

水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)作为开发利用海洋资源的水下通信关键技术,逐渐成为无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)领域的研究重点。UASNs是WSNs在水下环境中的部署应用,由若干水声传感器... 详细信息

水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)作为开发利用海洋资源的水下通信关键技术,逐渐成为无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)领域的研究重点。UASNs是WSNs在水下环境中的部署应用,由若干水声传感器节点以及水面基站(Sink)等设备共同组成。不同于一般陆地部署的WSNs,UASNs利用声信号进行通信,存在传播时延高、可用带宽低、网络能耗高等问题。水声传感器节点的运行和工作通常由自带电源或自身电能储备进行供电,由于其工作环境处于水下,电源更新或电能补充存在一定困难。因此,UASNs的能耗优化问题已经成为该领域的研究重点。UASNs的能耗主要来源于数据的传输,因而优化数据传输路径能够有效降低网络能耗。研究和实践表明,分簇能有效延长网络生命周期。分簇将UASNs中传感器节点分为簇头节点和非簇头节点,其中非簇头节点负责信息的收集并向对应簇头节点发送数据,簇头节点负责将簇内数据汇总并发送给Sink。分簇的方式缩短了非簇头节点的传输距离,利用簇头融合簇内数据减少了数据传输量,有效提高了网络的能量效率。目前基于分簇的路由方法虽一定程度上延长了网络寿命,然而部分节点可能因数据传输任务过重导致能耗过大而失效,引起“热点”问题,能耗较高和能耗不均的问题依旧存在。因此,设计一种优化的基于分簇的路由方法对于延长UASNs生命周期、提高UASNs能量利用率有重要意义。为进一步提高UASNs的能耗效率,本文提出了一种基于粒子群优化算法的非均匀分簇方法(Unequal Clustering method based on Particle Swarm Optimization,UCPSO)。UCPSO方法以分簇为基础,根据网络能量消耗和节点剩余能量构造适应值函数,利用粒子群算法进行迭代更新,在不断的迭代过程中,根据适应值选出最优簇头。考虑簇头至Sink节点整条路径能耗以及所需跳数,以确定每个簇头至Sink的最优传输路径。同时,为了平衡簇头的能耗,引入非均匀分簇的思想,根据簇头剩余能量、簇头到Sink节点的距离以及簇头在簇间转发数据的次数动态调节簇的大小,通过均衡簇头节点能耗有效缓解了UASNs的“热点”问题,进一步降低了UASNs的能量消耗。利用MATLAB进行仿真实验,通过与LEACH、EULC和IPSO等相关方法进行比较分析,验证了UCPSO方法在降低网络能耗和延长网络生命周期上更有优势。

关键词：水声传感器网络能耗优化分簇路由粒子群优化算法

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水声传感器网络中数据收集方案研究

水声传感器网络中数据收集方案研究

作者：陈佳男海南大学

学位级别：硕士

近年来,水声传感器网络在各种场景中获得了广泛的研究。水声传感器网络是结合了微机械传感器技术和无线技术,具有智能传感、计算和通信的网络。它的核心功能之一就是为相关操作收集数据。然而,大型湖泊、海洋等水下环境复杂,各种影响因... 详细信息

近年来,水声传感器网络在各种场景中获得了广泛的研究。水声传感器网络是结合了微机械传感器技术和无线技术,具有智能传感、计算和通信的网络。它的核心功能之一就是为相关操作收集数据。然而,大型湖泊、海洋等水下环境复杂,各种影响因素使数据收集工作面临挑战。如海洋温跃层的存在影响水声传感器网络中各水下传感器节点的通信范围。水声通信通过声波传输数据,能量消耗高,且传输距离有限,一般情况下,水下节点通过多跳来延长传输的距离,但是这样又会增加节点能量的消耗。水声传感器网络的大部分节点被部署在水下,各节点补能也困难。随着自主水下航行器和水下滑翔机技术的发展,很多研究方法使用它们进行数据收集。然而,自主水下航行器虽可协助数据收集,减少水下节点能耗,但它的续航时间较短,在大规模网络数据收集中,水声传感器网络寿命较短。水下滑翔机协助数据收集的很多方法也没有考虑滑翔机的通信范围、能量消耗等问题。此外,水下图像数据是数据收集中的重要对象,现有的使用自主水下航行器或者水下滑翔机收集数据的方法较少考虑数据(包括图像数据)从产生到收集的及时性,即数据收集延迟。针对上述问题,本论文提出一种水声传感器网络分层数据收集方案,具体内容如下:(1)本文基于VQ-VAE-2(Vector Quantized-Variational Auto Encoder-2)提出两种图像压缩算法NVQ(No top-decoder Vector Quantized)和VQI(Vector Quantized Index)。通过卷积网络对大信息量的原始图像进行编码压缩、传输、重构和生成,NVQ模型缩小底部量化的特征,再与顶部量化结果合并量化,VQI对底部量化结果下标进行了再次量化,大大减小了数据量。NVQ和VQI继承了VQ-VAE-2的优点,图片具有较好保真度,并且大大降低传输的数据量,提高了图片数据的传输速度,减少了传输能耗,降低了数据收集延迟。(2)本文提出基于CCPPOA(Complete Coverage Path-planning Obstacle-avoidance)算法的分层数据收集架构,并采用了图像压缩算法压缩数据。在本文方案中,将海域分为上层、温跃层和下层,水下滑翔机在海域的不同层的通信范围不同,由通信范围确定滑翔机的滑翔角度和初始导航点。水下滑翔机在温跃层通过CCPPOA算法构建全覆盖路径收集数据,水下滑翔机主要靠调节自身净浮力行进,能量消耗较小,在温跃层中,传感器节点只需单跳传输数据给水下滑翔机,而无需使用多跳,这有助于减少节点的能耗。在上层和下层中,节点通过休眠调度多跳机制,将数据传输给水下滑翔机,水下滑翔机在上层和下层中只完成一次上浮和下潜的动作,这大大减少了滑翔机的滑翔路径长度,降低了数据收集延迟。

关键词：水声传感器网络数据收集水下滑翔机图像压缩

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水声传感器网络基于深度信息的安全路由协议

计算机工程与应用 2020年第2期56卷 76-81页

作者：彭春燕杜秀娟青海师范大学计算机学院

水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)具有开放共享、低带宽、长时延等特性,为保证水下节点的通信安全,提出了基于水下节点深度信息的一种新的水声传感器网络安全路由协议。与其他算法相比,所提出的安全路由协议... 详细信息

水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)具有开放共享、低带宽、长时延等特性,为保证水下节点的通信安全,提出了基于水下节点深度信息的一种新的水声传感器网络安全路由协议。与其他算法相比,所提出的安全路由协议相对较为节能,安全性分析表明该算法能够有效保证节点身份、路由和数据等关键信息的私密性,利用NS2网络仿真软件对路由协议的时延、能耗和数据包交付率进行了仿真,仿真结果表明该安全路由协议能适用于水声传感器网络中。

关键词：水声传感器网络网络安全路由协议深度信息

面向水声传感网的自主水下航行器辅助定位动态路径规划

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电子与信息学报 2022年第6期44卷 1927-1936页

作者：黄沛烁王易因关新平黄梦醒海南大学信息与通信工程学院海口570228 上海交通大学自动化系上海200240 系统控制与信息处理教育部重点实验室上海200240

水声传感器网络(UASNs)节点由于洋流等因素长时间作用会出现位置偏移,故需要修正其位置信息。在水声传感器网络节点定位中将自主式水下潜器(AUV)作为移动锚点辅助定位可有效降低定位成本,但在AUV辅助定位过程中AUV的能量利用率仍有待提... 详细信息

水声传感器网络(UASNs)节点由于洋流等因素长时间作用会出现位置偏移,故需要修正其位置信息。在水声传感器网络节点定位中将自主式水下潜器(AUV)作为移动锚点辅助定位可有效降低定位成本,但在AUV辅助定位过程中AUV的能量利用率仍有待提升。为了进一步提高AUV的能量利用率,该文提出一种面向水声传感网的AUV辅助定位动态路径规划方法。该方法中将节点位置修正过程看成节点位置信息熵减少的过程。在AUV动态路径规划时根据定位过程的节点位置信息和预计AUV能耗,规划AUV下一步移动目标位置。使用贪婪算法选取使信息增益期望和移动消耗能量比值最大的位置作为AUV下一步移动目标位置。仿真结果表明,该算法能够在保证节点定位精度的基础上有效提高AUV能量利用率。

关键词：水声传感器网络自主式水下潜器辅助定位路径规划信息熵能量利用率

水声传感器网络中基于虚拟引力势场的路由算法研究

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水声传感器网络中基于虚拟引力势场的路由算法研究

作者：邹宝莹沈阳理工大学

学位级别：硕士

水声传感器网络（Underwater acoustic sensor network,UASN）作为水下物联网感知层的重要组成部分,在海洋工程监测、开发海洋资源、预防自然灾害等多个领域具有广阔的应用前景。UASN在实际应用中需要部署大量节点,并且需要节点间高效... 详细信息

水声传感器网络（Underwater acoustic sensor network,UASN）作为水下物联网感知层的重要组成部分,在海洋工程监测、开发海洋资源、预防自然灾害等多个领域具有广阔的应用前景。UASN在实际应用中需要部署大量节点,并且需要节点间高效的信息交互,协同完成具体任务。因此面向UASN的分簇、路由技术成为学术界研究的热点。水声信道长时延、窄带宽、高误码率等特点,使得传统的传感器网络分簇、路由无法直接应用于水下环境。因此针对水声传感器网络展开研究,设计适应水声传感器网络特点的分簇、路由算法具有十分重要的现实意义。本文针对大规模水声传感器网络中节点分布不均匀产生能耗快、负载严重,网络能耗不均的问题,设计了一种基于节点密度非均匀分簇算法（Nonuniform clustering algorithm based on node density,NCAD）。该算法是根据节点密度的不同而分割成不同的簇。首先,结合节点的剩余能量与历史传输成功率设计了一种选举候选簇首节点的阈值函数;其次,候选簇首节点计算出覆盖范围的边长,进而确定通信范围,并在所覆盖的通信范围内进行簇首的选举,并划分簇群;要加入簇的簇内节点会与簇首节点发送信息确认,提高节点入簇成功性。仿真结果表明,与传统的分簇算法相比,本文设计的基于节点密度非均匀分簇算法可以更有效的提升网络寿命和减少网络能耗。本文在簇首节点组成的骨干网络的路由中以可靠性、节能为目标,提出了一种基于虚拟引力势场的路由选择算法（Nonuniform clustering Routing algorithm for virtual gravitational potential field,NC＿RVGPF）。首先,建立三维水下节点传输数据的虚拟引力势场模型;其次,结合节点的传输距离、节点剩余能量等参数设计了虚拟引力势能,通过计算每个中继节点的势能大小,选择出一条平均势能最大的路径为最优路径,用来传输数据,实现链路可靠传输、减少网络整体能耗、提高网络传输质量。仿真结果表明,与经典的适用于水下的路由算法相比,NC＿RVGPF能够使网络中节点间的数据传输率更高、能耗更少,能够更有效的延长网络生命周期。

关键词：水声传感器网络非均匀分簇算法虚拟引力势场势能路由算法

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基于不完美CSI的水声自适应功率分配算法

系统工程与电子技术 2023年第9期45卷 2941-2948页

作者：金志刚尹欢苏毅珊天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072 天津大学国际工程师学院天津300072

水声信道面临带宽资源有限、环境复杂的问题,为提高水下通信速率,基于水声传感器网络的海洋应用提出自适应通信的需求。传统基于简单信噪比指标的自适应资源分配算法无法准确表述衰落信道的统计特征,利用强化学习和卷积神经网络预测信... 详细信息

水声信道面临带宽资源有限、环境复杂的问题,为提高水下通信速率,基于水声传感器网络的海洋应用提出自适应通信的需求。传统基于简单信噪比指标的自适应资源分配算法无法准确表述衰落信道的统计特征,利用强化学习和卷积神经网络预测信道的方法虽然可以提高一定信道状态信息(channel state information,CSI)的准确性,但这种方法需要长期的观测和大量的训练样本,不符合水声环境的实际情况。对比,构建了一种中继放大转发协作正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)通信的模型,解决了由于节点漂浮导致直接通信传输效率变低的问题,并提出一种在时延反馈CSI中基于OFDM的自适应功率比特分配算法,利用条件概率表征不完美的CSI,调整自适应通信参数,进行遍历容量最大化建模。仿真结果表明,该算法实现功率和比特的联合自适应分配,平均传输速率指标优于直接反馈CSI的功率分配算法,虽然略低于采用马尔可夫链预测信道的方法,但结合算法复杂度来看,所提算法更简单,更适合能量有限的水声传感器网络。

关键词：水声传感器网络中继协作正交频分复用通信系统不完美信道状态信息自适应功率比特分配

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应用于海洋物联网的水声通信技术发展综述

哈尔滨工程大学学报 2023年第11期44卷 1937-1949页

作者：瞿逢重付雁冰杨劭坚卓晓晓涂星滨魏艳浙江大学海南研究院海南三亚572025 浙江省海洋观测-成像试验区重点实验室浙江舟山316021 浙江大学海洋感知技术与装备教育部工程研究中心浙江舟山316021 中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050

近年来,为得到多元、综合、实时的海洋信息,海洋物联网已成为世界海洋领域范围内的研究重点,水声通信技术的迅速发展为海洋物联网的应用提供了有力支撑。本文首先从海洋物联网发展角度提出了对水声通信技术的要求,然后对国内外海洋物联... 详细信息

近年来,为得到多元、综合、实时的海洋信息,海洋物联网已成为世界海洋领域范围内的研究重点,水声通信技术的迅速发展为海洋物联网的应用提供了有力支撑。本文首先从海洋物联网发展角度提出了对水声通信技术的要求,然后对国内外海洋物联网中的水声通信技术研究状况进行了概述,并围绕各类科研化、商业化的水声通信机进行分析与探讨,最后对应用于海洋物联网的水声通信技术进行展望。

关键词：海底观测网海洋监测海洋物联网水声通信技术水声通信机水声传感器网络正交频分复用通信速率水声信道