单位会员成果速递 | 河海大学韩光洁团队提出HAMA方法让水下网络数据收集更可靠
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作者:秘书处
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发布时间: 2020-05-12
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针对现有基于AUV的数据收集方法中没有考虑AUV失效的局限性，河海大学的韩光洁和他的同事们提出了HAMA（High-Availability data collection scheme based on Multi-AUVs，基于多AUV的高可用性数据收集方案）。
面对当下陆地资源的日益紧缺，资源开发的重点已逐渐从陆地转向海洋，水下无线传感器网络（UWSNs）正成为一个新的研究热点。UWSNs在海洋环境监测、近海勘探、辅助航行、海啸预警以及海洋军事等领域具有广阔的应用前景。UWSNs通过部署水下传感器节点，组成网络，将数据(视频、图像、温度、密度等等)以逐跳的方式传到水面中继站，最后通过卫星或者互联网到达地面基站。因为水下传感器的网络布局模式，会使数据转发与传达过程中消耗大量能量。因此，设计一种高效的路由协议非常关键。
（图片来源于网络）
研究表明，自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）辅助收集的方式是基于短距离通信传输数据，节点将数据传递给其附近的AUV，降低了节点之间相互传输数据造成的大量消耗，从而有效降低了网络能耗、延长了网络的使用寿命。尽管AUVs的应用已经推进了UWSNs，但在将其用于数据收集方面仍存在一些挑战。复杂多变的水下环境、网络传输的不稳定都使得AUVs出现故障不可避免。
针对现有基于AUV的数据收集方法中没有考虑AUV失效的局限性，河海大学的韩光洁和他的同事们提出了HAMA（High-Availability data collection scheme based on Multi-AUVs，基于多AUV的高可用性数据收集方案）。该方案假设AUV有一定概率失效，AUV失效表示AUV出现故障或者是由于其他原因而不能收集数据。每个传感器（称为节点）在收集数据时都是静止不动的。多个AUV按照预定轨迹在网络中移动并收集来自节点的数据，靠近AUV轨迹的节点感知数据，收集其他节点的数据，将数据发送到AUV。在AUV失效的时候，失效AUV的数据收集工作由其他AUV承担，保证在AUV失效的时候网络正常运行。目前，该研究成果于2020年5月正式发表在了IEEE Transactions on Mobile Computing 上。
（图片来源于网络）
在HAMA中，AUV能够调整它们的巡航轨迹，缓解与AUV接近节点的压力，避免节点停止工作。同时，如一个节点在向AUV发送数据时发现AUV已发生故障，则它使用多跳通信方法通知其他节点。然后，功能良好的AUV将取代故障AUV来收集数据。目前，多组仿真测试表明，与其他方案相比，采用HAMA可以延长网络的生存期，降低并平衡节点的能量消耗，提高数据包的交付率。
与其他方法相比，HAMA在水下数据收集方面有了显著的改进。但随着AUV的增多，也导致了其他水下传输问题的出现。由于不靠近AUV计划路径的节点必须将其数据中继到与AUV足够接近的其他节点以传输数据，这就加大了一些节点的运输负担，负担达到一定程度上，节点会失效，从而导致数据丢失。此外，水中声信号的传播速度只有1500m/s，而陆上的电磁波通信速率有3*10^8m/s，水声通信延迟高、质量差导致了AUV之间同步困难。韩教授和他的团队计划在之后的研究中找到解决问题的办法。
