基于水平集的围猎式水下传感器节点布置研究

水下传感器网络作为一种探索和开发海洋的新方法,在人类不易接触的水下区域的探测和监测中发挥着重要作用,是无线传感器网络领域研究的热点.在水下空间中传感器节点如何自主调整位置实现对“兴趣域”的覆盖和监视是一个重要课题.该文引入水平集理论LSM,提出了一种基于水平集的围猎式水下传感器节点布置方法.在该方法中网关节点根据传感器节点的位置信息和可能感知到的兴趣域信息,以能量泛函计算兴趣域边缘参数,传感器节点以此参数为根据,完成趋向兴趣域边缘的迁移;大量节点的迁移可逐步演化成对兴趣域的围猎式布置.同时,该文建立了结构相似度SSIM和网络能耗均衡度两个性能评价指标,以评估该文方法在实现兴趣域驱动的水下节点布置的综合性能.大量仿真实验结果表明,该方法在不同节点规模、节点密度和兴趣域形状情况下均可实现对兴趣域边缘的动态地、围猎式地覆盖,从而达到对兴趣域的有效跟踪和监视.     

节能无线传感网络系统设计

Wireless sensor networks have already enabled numerous embedded wireless applications such as military, environmental monitoring, intelligent building, etc. Because micro-sensor nodes are supposed to operate for months or even years with very limited battery power source, it is a challenge for researchers to obtain long operating hour without scarifying original system performances. In this paper, the energy consumption sources of the wireless sensor networks are firstly analyzed, with the digital processing and radio transceiver units being emphasized. Then, we introduce the design scheme of our energy-aware wireless sensor network (GAINS). In GAINS, techniques to conserve the energy are exploited including the energy optimization node, software and energy-efficient communication protocol. The design architecture of our ultra low power wireless sensor network (WO-LPP) is specially presented.     

逆向捕获时间差的Voronoi声源定位机制

提出一种逆向捕获时间差的声源定位协议,可以使传感器网络在大部分时间里处于射频休眠状态,因此具有显著的节能效果;在利用时间差数据求解声源位置时,引入Voronoi图理论对搜索空间进行裁剪,以提高算法搜索求解的效率和成功率。理论分析和实验结果表明该声源定位机制具有明显的能量有效性、定位解算的精确性、快速收敛性和顽健性,适用于能量受限无线传感器网络中动态声源的实时精确定位。     

基于骨架提取的水下传感器网络刚性定位判别研究

水下传感器网络可用于海洋资源勘测、污染监测和战术监视等领域,已成为无线传感器网络方向的研究热点.在水下三维空间中如何对位置未知的节点进行可定位性判别,并实施有效定位,从而为水下监测应用提供位置信息是一个基础的关键问题.该文引入刚性图理论,提出了一种基于骨架提取的水下传感器网络刚性定位判别方法.该方法首先将水下传感器网络构建为无向图,然后通过“伪节点剔除”和“割边剔除”等策略提取具有全局刚性的子图,即网络的骨架,从而完成网络及节点可定位性的判别,最后利用层次分析法对可定位节点进行“定位可信度”综合排序,为定位计算提供指导和依据.大量仿真实验结果表明该方法在不同网络规模、节点密度和网络连通性情况下均具有较高的判别成功率和有效性.     

刚性驱动水下传感器节点自组织布置

水下传感器网络可用于海洋资源勘测、污染监测和战术监视等领域,已成为无线传感器网络的研究热点.在开放式动态的水下环境中传感器节点如何自主调整部署位置以达到高的网络覆盖度和连通性,从而保证最优的监测质量是一个关键问题.该文引入刚性理论,定义了节点域的“刚性-覆盖值”作为水下传感器节点所处位置的评价指标,并基于此设计了刚性驱动的节点移动策略,从而构建了完整的节点自组织布置方法.理论分析和仿真实验结果表明该水下传感器节点自组织布置方法可以使网络演化出优良的覆盖度和连通性,并且具有分布式可实现、收敛速度快、鲁棒性强的优点.     

线性传感器网络时间同步协议

由于存在着高同步误差和高功耗的特点,尤其当网络拓扑为多跳线状时,经典的双向报文交换同步机制不适合于无线传感器网络中的一些应用.提出了TPLSN时间同步协议.两个组件,包括:改进的双向报文交换同步机制和时钟飘移补偿机制是TPLSN成功之关键.进一步讨论了TPLSN同步误差随跳数增长的现象.在一个与Mica2兼容的测试床上对TPLSN进行了性能评估.距离时间基准节点9跳的节点的同步误差小于20μs,同步误差随跳数的增长率小于1μs/跳,同步误差随重同步周期的增长率为0.017μs/s.此外,同步一个n跳的线状网络只需要2n个报文,这也是所有基于双向报文交换同步机制的同步协议最小所需的报文数.理论分析表明:近似精度、双向报文交换的不对称性和相对时钟飘移因素对两个相邻节点之间的同步误差有很大的影响.进而,线状网络的时钟序对同步误差的累积至关重要.     

实时工业物联网的功率域非正交多址接入基站选址算法

针对工业物联网（IoT）中接入延迟较大的问题,提出一种实时工业IoT的功率域非正交多址接入（PDNOMA）基站选址算法。该算法在PD-NOMA技术的基础上,以数据收集基站的位置为优化手段,通过最大限度地实现用户功率分复用来实现接入延迟的最小化。首先,证明对任意两用户若实现它们的并行传输,则合格的基站可解码区域必为圆,因此,所有的两用户组合可得到基站可解码区域的集合,且集合中区域间的每个最小相交区域必为凸区域,从而可知这些最小相交区域必定包含数据收集基站的最优位置。然后,对于每一个最小相交区域,以基站放置在该区域的网络生成图的最小链划分数作为接入延迟的度量标准。最后,通过最小链划分数的比较得出基站的最优位置。实验结果表明,解码阈值为2用户数为30时,所提算法的平均接入延迟降低为经典时分多路方式的36.7%,并且随着解码阈值的降低和信道衰减因子的增加,接入延迟可获得近似线性的降低。所提算法对海量超可靠低延迟通信从接入层角度提供了参考。     

双向报文交换同步的原子性约束与解决

针对经典的双向报文交换同步因存在原子性约束致使应用范围受限的问题,对双向报文变换机制提出了两处改进:对非同步期内由时钟飘移导致的误差进行补偿;对非同步期内由节点时间突变导致的误差进行补偿,从而突破了原子性约束,并结合实际的桥梁健康监测项目背景,针对线状拓扑的无线传感器网络,基于上述两处改进提出了线状传感器网络时间同等协议(TPLSN)。在全局可达智能接点(GAINs)上的实验表明,单跳同步精度可达10μs左右,同步误差随跳数的增长率为1μs/跳;同步一个长度为n的线状网络只需2n个报文,该值也是全程采用双向报文交换同步机制最少需要的报文数。     

无线传感器网络时间同步协议的改进策略

鉴于NTP和无线传感器网络时间同步协议的相似性,提出把NTP中的时间过滤、时间选择和时间组合算法简化后应用于无线传感器网络时间同步协议中以提高同步精度的策略.作为例证,将时间组合算法简化后引入BTS协议中.模拟的结果表明:在由81个Mica2节点组成的8跳网络内,除抗拒节点的同步误差保持不变外,其余节点的同步误差减小至改进前的67.70%～91.58%;具有相同跳距的节点的平均同步误差随跳距的增加率由19.8减小至15.5μs/跳;同时没有额外的报文开销.理论分析表明:同步精度的提高得益于应用时间组合算法所导致的节点时间偏移量均方差的减小.