缆索锚定型水下传感网高效实用的能量空洞避免机制与关键技术

Underwater sensor networks is an important means and tool for the future marine environment surveillance, and it is great scientific, economic and military significance to study it. However, the energy hole problem caused by the inherent network architecture of sensor networks is the biggest bottleneck that restricts the lifetime of underwater sensor networks. It has not been effectively solved in the long term, and thus seriously affects the deployment and application of underwater sensor network. Based on the application scenario of cable anchored underwater sensor network, this project proposes to control node position rotation with zero energy consumption by cable expansion implemented on anchoring device, so as to study efficient and practical energy hole avoidance mechanism and its key technologies. The research contents include (1) Evolution pattern and process of energy holes in three-dimensional dynamic underwater sensor network; (2) Energy holes avoidance mechanism and algorithms based on the node rotation with zero energy consuming consumption; (3) Network connectivity maintenance and topology reconstruction oriented to node rotation; (4) Building the verification platform for energy holes evolution and holes avoidance technology. This project breaks through the bondage of traditional network architecture, and is expected to fix the energy hole problem of underwater sensor network from the root, and provide theoretical basis and technical guarantee for its long time deployment and application.

水下传感网络是未来海洋立体环境监测的重要手段和工具，对其进行研究具有重要的科学、经济和军事意义。然而，传感器网络天生的网络架构造成的能量空洞问题是制约水下传感网工作寿命的最大瓶颈，长期未能得到有效解决，严重影响着水下传感器网络的部署与应用。本项目基于缆索锚定型水下传感网应用场景，提出基于锚定装置控制缆索伸缩以实现感知节点零能耗位置轮换，研究高效实用的能量空洞避免机制及其关键技术。具体研究内容包括（1）三维动态水下传感网能量空洞演化过程、规律与现象；（2）基于节点位置零能耗轮换的能量空洞避免机制和算法；（3）面向节点轮换的网络连通性维持与拓扑重构技术；（4）构建能耗演化仿真与空洞避免技术验证平台。本项目突破传统无线传感网架构的束缚，有望从根源上避免水下传感网的能量空洞现象，为其长时效部署和应用提供理论基础与技术保证。

水声传感网络的网络化、实时化和全天候工作能力在未来海洋立体环境监测有着重要用途。然而，由于其天生的系统架构造成数据收集过程中产生的能量空洞问题是制约水下传感网工作寿命的最大瓶颈。虽然目前已有若干研究，但是并没能从根本上解决这一问题。本课题本项目基于缆索锚定型水下传感网应用场景，提出利用锚定装置控制缆索伸缩以实现节点位置轮换，研究高效实用的能量空洞避免机制及其关键技术。具体研究内容包括（1）三维动态水下传感网能量空洞演化规律与过程；（2）基于节点深度轮换的能量空洞避免机制和算法；（3）面向节点轮换的网络连通性维持与拓扑重构技术；（4）构建能耗演化仿真与空洞避免技术验证平台。项目针对上述内容取得如下成果：通过数学建模分析和仿真验证，对水下三维传感器网络能耗规律进行建模，研究获得了理想分布情况下的能耗分布规律；针对水声传感器网络的能量空洞解决方法，考虑水声节点基于缆索锚定的部署方式，提出了三种基于节点位置调整的空洞避免模式，模式借助于缆索的外力和流水浮力作用，来调整节点的部署位置，解决了特定情况下的能耗空洞问题，提高了系统的工作寿命；针对网络拓扑控制的关键问题，项目提出了一种基于剖面的屏障部署方案来检测动态水域中的目标，有效降低部署代价；研究了基于惯导的无GPS定位情况下的位置获取方法，设计了两个高效的基于惯导数据的节点位置深度学习定位导航算法，解决了水下传感器网络无位置获取条件下的节点位置定位问题；针对现有的水下传感器网络AUV辅助的数据收集方案存在的问题，提出了一种基于费马螺旋（FS-PPS）的AUV辅助数据收集方法，可以有效缩短数据收集路径长度。为了验证项目所设计的方法和理论模型，项目组针对水下网络仿真平台搭建，开发了基于web的可视化能耗空洞演化与空洞避免方法验证软件。