具有时空动态性的水下传感器网络高效组网与可靠数据收集技术研究

The low acoustic propagation speed, complex ocean environment and node mobility result in the temporal-spatial dynamics in acoustic propagation delay, packet receiving ratio and the node connectivity, leading to performance degradation in media access control, multi-hop forwarding and connectivity coverage of sensor nodes. These issues have arisen significant challenges for efficient networking and reliable data gathering in underwater acoustic sensor networks. To address these challenges introduced by the temporal-spatial dynamics, this project proposal studies: 1) collision principle and performance of media access control under temporal-spatial dynamical propagation delay, 2) opportunistic routing and forwarding under temporal-spatial dynamic receiving ratio, as well as 3) temporal-spatial dynamical relaying and connectivity coverage using underwater autonomous vehicle (UAV), by exploiting the network characteristics and the requirement of data gathering. Then, we develop media access control with low collision probability, routing and forwarding with high throughput, and UAV relaying with strong connectivity coverage, to reach efficient networking and data gathering technologies for underwater acoustic sensor networks. In addition, we will establish a testbed to validate the proposed theories and techniques.

水声载波传播的低速率、海洋环境的复杂多变、节点的移动造成水下传感器网络的传播时延、接收概率、链路连通性在时间和空间上均呈现动态变化特性，引起媒介接入控制、多跳转发性能的下降，并降低网络连通性覆盖，对水下传感器网络高效组网和可靠数据收集带来极大的挑战。本项目针对水声网络时空动态性的特点，结合数据收集的应用需求和水下自主巡航器的机动可操作性，研究:1)传播时延时空动态变化的媒介接入碰撞机理和性能表现,2)时空动态变化的水声机会路由转发与数据转发,3) 引入水下自主巡航器作为中继节点，研究时空变化的数据中继与连通性覆盖，我们的目标是提出低碰撞概率的媒介接入控制协议、高吞吐量的路由转发策略和强联通覆盖的水下自主巡航器中继方法，实现水下传感器网络的高效组网和可靠数据收集，并搭建实验验证系统。

水声载波传播的低速率、海洋环境的复杂多变、节点的移动造成水下传感器网络的传播时延、接收概率、链路连通性在时间和空间上均呈现动态变化特性，引起媒介接入控制、多跳转发性能的下降，并降低网络连通性覆盖，对水下传感器网络高效组网和可靠数据收集带来极大的挑战。本项目针对水声网络时空动态性的特点，结合数据收集的应用需求和水下自主巡航器的机动可操作性，分析了水声时延的多尺度特性及其对水声媒介接入控制的影响；研究了长传播时延下时空耦合的水声媒介共享机理以及传输调度方法；提出基于距离向量的水声机会路由协议，利用节点接收性能的时空动态特性提高路由的稳定性和可靠性；提出声电协同的跨介质跨界面组网架构和传输方法，通过无线电链路资源和水声链路资源的置换，提高异构水下传感器网络数据传输的吞吐量和可靠性；分析水声中继的能耗和中断概率，提出以最小化中断概率和最小化节点能耗为目标对AUV巡航路径规划方法。项目同时搭建了水声组网系统，在实验室水池、校园湖、珠江水域、千岛湖水声试验场等多次完成试验。.项目共发表包括IEEE TCOM、IEEE Network、IEEE TVT、IEEE IoT、IEEE JSAC等SCI期刊论文18篇；发表包括 IEEE ICC 和 IEEE Globecom 在内的旗舰会议论文11篇；申请或获授权国家发明专利18件，申请PCT专利2件；获ACM WUWNET 2018最佳Demo奖。