基于移动建模的水下传感器网络时间同步理论与算法研究

Time synchronization is the fundamental problem for collaboration among sensor nodes in distributed sensor networks. Acoustic communication and restricted mobility of the nodes are two major features of underwater sensor networks, limiting the applicability of time synchronization algorithms of terrestrial sensor networks for underwater sensor networks. Previous underwater synchronization algorithms have three flaws as follows: 1) none of the proposed node mobility assumptions has been validated by the trace data of offshore experiments, though a lot of assumptions being proposed; 2) some algorithms require complex deployment conditions; 3) the specialty of multiple base stations in deployment has not been exploited effectively. This project begins with the deployment of offshore testbed and constructs mathematical model on the mobility of the whole network through analyzing the trace data of the testbed. Guided by the mobility model, the project will conduct research on point-to-point synchronization algorithms aiming to achieve high precision and low cost, and on fusion algorithms of synchronization messages from multiple sources which are the time reference nodes distributed in the deployment area. And the distribution strategy of the time reference nodes will also be considered. The project research focuses on revealing the basic moving pattern of restricted nodes and its effect on the link propagation delay in underwater networks, and on taking advantage of the specialty of multiple base stations to improve the synchronization performance of the whole network, which will make a nontrival difference to both research and practice of underwater acoustic sensor networks.

时间同步是分布式传感器网络协同工作的基础。由于水下传感器网络具有水声通信和结点受限移动的特点，使得陆地传感器网络时间同步算法不能应用于水下网络。现有水下网络同步算法有以下三个主要缺点：1）虽然提出了多种结点移动性假设，但均未由海上实验数据验证；2）部分算法对部署条件要求高；3）未能有效利用水下网络多基站部署的特点。项目拟从部署海上实验平台入手，收集Trace数据进行水下传感器网络的移动建模；在移动模型基础上研究点到点的高精度低开销的同步算法，并研究多个时间基准结点条件下的多源同步消息融合算法以及相关的基准结点优化部署策略；最后通过部署水下传感器网络监测系统，实现算法性能的实践评估和应用示范作用。项目研究旨在揭示水下结点受限移动的基本规律及其对链路传播延迟的影响，利用多基站部署的特点提高整个网络的同步性能，对水下传感器网络的研究与实践均具有重要意义。

移动轨迹分析建模和水下传感器网络时间同步是海洋传感器网络研究和应用系统研发的关键问题。项目组开展了以下六个方面的研究：. 1）综述海洋传感器网络测试系统主要进展，包括总结海洋传感器网络测试系统的主要挑战，提出测试系统的7项设计标准，分类整理、对比17个测试平台的特点及优缺点。. 2）设计和实现了海洋传感器网络结点及监测应用系统，完成在青岛近海的受限漂流实验、海洋传感器搭载实验、姿态检测实验、联合调试实验以及远海传感器网络系统部署（含漂流轨迹记录实验，移动轨迹数据公开提供）。针对海洋传感器网络应用系统的数据、服务的标准展开研究，提出复杂虚拟仪器系统云架构，制订并发布了国际标准IEEE Standard 2402和国家标准GB/T 33137-2016。. 3）分析建模渔业船舶移动轨迹数据，揭示了隐含的捕捞热点区以及区域间的航路，分析和设计了使用渔业船舶容迟网络的船联网收集海洋传感器网络监测数据的可行性和路由策略。. 4）提出了在多时间基准结点条件下，进行全网络同步的消息传输和同步计算机制；确定了采用传感器结点链的海洋传感器网络监测系统的优化部署条件。. 5）通过海洋传感器结点的惯性导航数据分析，发现结点摇摆造成陀螺仪监测值小于实际转角值、突发震动造成监测值扰动以及惯性数据反映动作深层特性等规律，提出融合惯性导航和无线信号的高精度行人定位与追踪算法、基于加速度的智能手机用户身份认证和动作识别算法、基于用户步行仅采用一对WIFI设备的Passive身份识别算法。. 6）通过海洋传感器结点声通信的分析，揭示了声序列具备反映动作特殊性的可能；提出了响指动作进行身份识别和认证算法以及击键声音与动力学特征结合的身份识别与认证算法。. 上述成果发表学术论文16篇，包括ACM Computing Surveys、IEEE Access、Sensors等学术期刊和CHI、Oceans、ICPADS、LCN、Mobiquitous等学术会议。其中，SCI 检索5篇，EI 检索9篇，ISTP检索1篇。SCI/ISTP统计引用合计17篇次，Google学术统计引用合计51篇次。制订和发布国际标准和国内标准各1项。申请并授权发明专利2项。