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成果汇总

资助

2014年1月 - 2017年12月，国家自然科学基金面上项目，“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”(#61379128)

简介

课题组针对项目研究目标，开展了六个方面的研究工作：海洋传感器网络模拟、仿真和实验平台系统综述；海洋传感器网络结点和监测应用系统的设计、实现、海试以及海洋传感器网络数据和服务标准及云平台构架研究；移动轨迹分析建模和海洋传感器网络数据收集策略研究；海洋传感器网络同步算法和部署策略研究；惯性传感器信号应用研究；声学传感器信号应用研究。具体研究内容概括如下：

海洋传感器网络结点和监测应用系统的设计、实现、海试以及海洋传感器网络数据和服务标准及云平台构架研究

海洋传感器网络结点和监测应用系统的设计、实现、海试以及海洋传感器网络数据和服务标准及云平台构架研究。课题组设计和实现了海洋传感器网络结点及监测系统，完成了在青岛近海海上的受限漂流实验、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和结点大范围自由漂浮移动轨迹记录实验。在海洋基础上，课题组针对海洋传感器网络监测系统的数据和服务的统一接口访问问题，作为第一单位制定了国家标准《基于传感器的产品监测软件集成接口规范》（GB/T 33137-2016，2017年5月1日实施）；作为第二单位完成了由海洋局技术中心作为第一单位领导的国际标准(IEEE P2402)的制定工作，该标准于2017年2月14日发布；并提出了复杂虚拟仪器系统云服务集成架构，相关成果CPCA: The Cloud Platform of Complex Virtual Instruments System Architecture发表于SCI收录JCR Q1区期刊IEEE Access(IF 3.244)。在完成海洋传感器网络监测数据的云存储后，课题组针对监测数据的分类问题，提出了基于近似极值点方法的快速OVR-ESVM（AEML-ESVM）分类算法，相关成果发表于SCI收录JCR Q1区期刊IEEE Access（IF =3.244）。海洋传感器网络结点研究的相关成果发表在ISTP检索的国际学术会议International Conference on Applied Mechanics, Mechatronics and Intelligent Systems上。

[ocean_trace.zip]

海洋传感器网络模拟、仿真和实验平台系统综述

海洋传感器网络模拟、仿真和实验平台系统综述。课题组首先对海洋传感器网络模拟、仿真和实验平台系统开展了深入的研究工作，总结了海洋传感器网络构建模拟、仿真或实验平台的主要困难，提出了海洋传感器网络测试平台的7项设计标准，分类整理、介绍和对比了目前为止17个测试平台的主要特点及优缺点。相关研究成果“Simulation and Experimentation Platforms for Underwater Acoustic Sensor Networks: Advancements and Challenges”发表在SCI 1区期刊ACM Computing Surveys上。

移动轨迹分析建模和海洋传感器网络数据收集策略研究

移动轨迹分析建模和海洋传感器网络数据收集策略研究。课题组对渔业船舶移动轨迹数据开展了分析建模工作，揭示了渔业船舶移动轨迹所隐含的捕捞热点区域以及捕捞热点区域之间的航路信息。相关成果发表在国际学术会议IEEE/MTS Techo-Ocean 2016 (EI/ISTP检索)和IEEE/MTS Oceans 2017（EI源会议）。进而，课题组基于渔业船舶移动轨迹数据，分析了使用渔业船舶采用容迟技术收集海洋传感器网络监测数据的可行性、路由策略，相关成果研究发表在国际学术期刊International Journal of Distributed Sensor Networks（SCI/EI检索）。针对使用容迟技术收集海洋传感器网络监测系统数据问题，课题组进一步研究容迟网络路由的主动冗余消除策略，发表在8th International Conference on Mobile Multimedia Communications (EI检索）国际学术会议。

海洋传感器网络同步算法和部署策略研究

海洋传感器网络同步算法和部署策略研究。课题组针对海洋传感器网络时间同步算法展开研究工作，提出了在多时间基准结点条件下，进行全网络同步的同步消息传递机制和同步算法，相关研究成果发表在第20届IEEE International Conference on Parallel and Distributed Systems (ICPADS)国际学术会议，该会议为计算机学会推荐学术会议的C类会议。在此基础上，课题组进一步开展了多源信标同步条件下的海洋三维入侵监测的传感器网络部署策略研究，确定了基于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，相关研究成果发表在12th International Conference on Mobile Ad-Hoc and Sensor Networks (MSN)国际学术会议（EI检索）。

惯性传感器信号应用研究

惯性传感器信号应用研究。在海洋传感器节点的惯性导航传感器数据的分析过程中，课题组发现了海洋节点的摇摆造成了陀螺仪传感器的监测值小于实际转向值、节点的突发震动会造成陀螺仪传感器的监测值以及发现了惯性传感器的监测数据具备反映行为深层特性的可能等和惯性传感器信号相关的规律。利用该部分规律，课题组提出了融合惯性导航和无线信号的高精度室内行人定位与追踪算法、基于加速度计信号的智能手机用户身份认证和动作识别算法、面向用户的步行行为采用一对WIFI设备捕获的无线信号进行身份识别的算法。相关研究成果分别发表在第39届IEEE Conference on Local Computer Networks (LCN)国际学术会议(EI/ISTP)、第33 ACM Conference Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems (CHI)国际学术会议(EI)、Sensors国际学术期刊(SCI 二区，影响因子2.677)、第13届 EAI international conference on Mobile and Ubiquitous Systems: Computing, Networking and Services (Mobiquitous)国际学术会议(EI). 其中，CHI为计算机学会国际学术会议推荐列表的A类会议，LCN、Mobiquitous为计算机学会国际学术会议推荐列表的C类会议。并且，针对上述成果，课题组获得已授权的中国发明专利两项。

声学传感器信号应用研究

声学传感器信号应用研究。课题组在研究海洋传感器结点声通信的过程中，发现声信号序列具备揭示一定动作的频率特殊性的可能。在此基础上，课题组提出了将用户的响指动作作为身份识别和认证的新特征，以及击键声音信号特征与动力学特征结合的用户身份识别与认证算法，相关研究成果发表在第11届Chinese Conference Biometric Recognition (CCBR)学术会议(EI检索)和第12届 International Conference on Mobile Ad-Hoc and Sensor Networks (MSN)国际学术会议(EI检索)上。

研究成果

一、发表的学术成果/科研论文

[1] Luo, Hanjiang，Wu, Kaishun，Ruby, Rukhsana，Hong, Feng，Guo, Zhongwen，Ni, Lionel M. Simulation and Experimentation Platforms for Underwater Acoustic Sensor Networks: Advancements and Challenges. ACM Computing Surveys，2017.6，50(2).[PDF]
[2] Xu, Ming，Liu, Fei，Zong, Yuan，Hong, Feng. System Design for Ocean Sensor Data Transmission Based on Inductive Coupling. International Conference on Applied Mechanics, Mechatronics and Intelligent Systems, Nanjing, PEOPLES R CHINA，2015.6.19-2015.6.20[PDF]
[3] Hong, F.; You, S.; Wei, M.; Zhang, Y.; Guo, Z. MGRA: Motion Gesture Recognition via Accelerometer. Sensors 2016, 16, 530.[PDF]
[4] Liu, Chao，Guo, Zhongwen，Feng, Yuan，Hong, Feng，Jing, Wei CPCA: The Cloud Platform of Complex Virtual Instruments System Architecture. IEEE Access，2017，5：4350~4360[PDF]
[5] Sun, Zhongwei，Guo, Zhongwen，Liu, Chao，Wang, Xupeng，Liu, Jing，Liu, Shiyong. Fast Extended One-Versus-Rest Multi-Label Support Vector Machine Using Approximate Extreme Points. IEEE Access，2017.6.7，5 [PDF]
[6] Zong, Yuan，Huang, Haiguang，Hong, Feng，Zhen, Yong，Guo, Zhongwen Recognizing Fishing Activities via VMS Trace Analysis Based on Mathematical Morphology. Techno-Ocean，2016.10.6-2016.10.8[PDF]
[7] Feng Hong，Yong Zhen，Yuan Zong，Yuan Feng，Haiguang Huang，Hao Wang，Zhongwen Guo。 OceanRoads: Fishing Area Separation and Relation Discovery through VMS Trace Analysis。IEEE/MTS Oceans，2017.6.19-2017.6.22.[PDF]
[8] Liu, Chao，Guo, Zhongwen，Hong, Feng，Wu, Kaishun. DCEP: Data Collection Strategy with the Estimated Paths in Ocean Delay Tolerant Network. International Journal of Distributed Sensor Networks，2014.6.1，2014.[PDF]
[9] Xiqing Zhang，Yuan Feng，Feng Hong，Zhongwen Guo. Redundancy Elimination in DTN via ACK Mechanism. 8th International Conference on Mobile Multimedia Communications (Mobimedia 2015)，2015.5.25-2015.5.27[PDF]
[10] Feng Hong，Bozhen Yang，Yuliang Zhang，Ming Xu，Yuan Feng，Zhongwen Guo. Time Synchronization for Underwater Sensor Networks Based on Multi-Source Beacon Fusion, 20th IEEE International Conference on Parallel and Distributed Systems (ICPADS 2014)，2014.12.1-2014.12.4[PDF]
[11] Hanjiang Luo，Kaishun Wu，Feng Hong. Ocean Barrier: A Floating Intrusion Detection Ocean Sensor Networks. 12th International Conference on Mobile Ad-Hoc and Sensor Networks，2016.12.16-2016.12.18[PDF]
[12] Hong, Feng，Zhang, Yongtuo，Zhang, Zhao，Wei, Meiyu，Feng, Yuan，Guo, Zhongwen WaP: Indoor localization and tracking using WiFi-Assisted Particle filter. 39th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks, LCN 2014，Edmonton, AB, Canada，2014.9.8-2014.9.11.[PDF]
[13] Feng Hong，Meiyu Wei，Shujuan You，Yuan Feng，Zhongwen Guo . Waving Authentication: Your Smartphone Authenticate You on Motion Gesture. Proceedings of the 33rd Annual ACM Conference Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems (CHI 2015)，2015.4.18-2015.4.23[PDF]
[14] Feng Hong, Xiang Wang, Yanni Yang, Yuan Zong, Yuliang Zhang, Zhongwen Guo. WFID: Passive Device-free Human Identification. 13th EAI international conference on Mobile and Ubiquitous Systems: Computing, Networking and Services (Mobiquitous 2016), Horishma, Japan. Nov. 2016.[PDF]
[15] Yang, Yanni，Hong, Feng，Zhang, Yongtuo，Guo, Zhongwen. Person authentication using finger snapping —A new biometric trait. Chinese Conference Biometric Recognition (CCBR)，Chengdu，2016.10.14-2016.10.16 [PDF]
[16] Q. Zhou, Y. Yang, F. Hong, Y. Feng and Z. Guo. User Identification and Authentication Using Keystroke Dynamics with Acoustic Signal. 12th International Conference on Mobile Ad-Hoc and Sensor Networks (MSN), Hefei, 2016, pp. 445-449.doi: 10.1109/MSN.2016.082[PDF]

二、国际/国内标准

[17] 基于传感器的产品监测软件集成接口规范（GB/T 33137-2016）[IMG]
[18] IEEE Standard Design Criteria of Complex Virtual Instruments for Ocean observation (IEEE Std 2402)[IMG]

三、专利

[19] 基于智能手机的室内行人定位与跟踪方法 (ZL 2014 1 0438351.0)[IMG]
[20] 一种基于内嵌三维加速计的手持设备的身份认证方法 (ZL 2015 1 0153477.8)[IMG]

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Simulation and Experimentation Platforms for Underwater Acoustic Sensor Networks: Advancements and Challenges. ACM Computing Surveys，2017.6，50(2).[PDF] [2] Xu, Ming，Liu, Fei，Zong, Yuan，Hong, Feng. System Design for Ocean Sensor Data Transmission Based on Inductive Coupling. International Conference on Applied Mechanics, Mechatronics and Intelligent Systems, Nanjing, PEOPLES R CHINA，2015.6.19-2015.6.20[PDF] [3] Hong, F.; You, S.; Wei, M.; Zhang, Y.; Guo, Z. MGRA: Motion Gesture Recognition via Accelerometer. Sensors 2016, 16, 530.[PDF] [4] Liu, Chao，Guo, Zhongwen，Feng, Yuan，Hong, Feng，Jing, Wei CPCA: The Cloud Platform of Complex Virtual Instruments System Architecture. IEEE Access，2017，5：4350~4360[PDF] [5] Sun, Zhongwei，Guo, Zhongwen，Liu, Chao，Wang, Xupeng，Liu, Jing，Liu, Shiyong. Fast Extended One-Versus-Rest Multi-Label Support Vector Machine Using Approximate Extreme Points. IEEE Access，2017.6.7，5 [PDF] [6] Zong, Yuan，Huang, Haiguang，Hong, Feng，Zhen, Yong，Guo, Zhongwen Recognizing Fishing Activities via VMS Trace Analysis Based on Mathematical Morphology. Techno-Ocean，2016.10.6-2016.10.8[PDF] [7] Feng Hong，Yong Zhen，Yuan Zong，Yuan Feng，Haiguang Huang，Hao Wang，Zhongwen Guo。 OceanRoads: Fishing Area Separation and Relation Discovery through VMS Trace Analysis。IEEE/MTS Oceans，2017.6.19-2017.6.22.[PDF] [8] Liu, Chao，Guo, Zhongwen，Hong, Feng，Wu, Kaishun. DCEP: Data Collection Strategy with the Estimated Paths in Ocean Delay Tolerant Network. International Journal of Distributed Sensor Networks，2014.6.1，2014.[PDF] [9] Xiqing Zhang，Yuan Feng，Feng Hong，Zhongwen Guo. Redundancy Elimination in DTN via ACK Mechanism. 8th International Conference on Mobile Multimedia Communications (Mobimedia 2015)，2015.5.25-2015.5.27[PDF] [10] Feng Hong，Bozhen Yang，Yuliang Zhang，Ming Xu，Yuan Feng，Zhongwen Guo. Time Synchronization for Underwater Sensor Networks Based on Multi-Source Beacon Fusion, 20th IEEE International Conference on Parallel and Distributed Systems (ICPADS 2014)，2014.12.1-2014.12.4[PDF] [11] Hanjiang Luo，Kaishun Wu，Feng Hong. Ocean Barrier: A Floating Intrusion Detection Ocean Sensor Networks. 12th International Conference on Mobile Ad-Hoc and Sensor Networks，2016.12.16-2016.12.18[PDF] [12] Hong, Feng，Zhang, Yongtuo，Zhang, Zhao，Wei, Meiyu，Feng, Yuan，Guo, Zhongwen WaP: Indoor localization and tracking using WiFi-Assisted Particle filter. 39th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks, LCN 2014，Edmonton, AB, Canada，2014.9.8-2014.9.11.[PDF] [13] Feng Hong，Meiyu Wei，Shujuan You，Yuan Feng，Zhongwen Guo . Waving Authentication: Your Smartphone Authenticate You on Motion Gesture. Proceedings of the 33rd Annual ACM Conference Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems (CHI 2015)，2015.4.18-2015.4.23[PDF] [14] Feng Hong, Xiang Wang, Yanni Yang, Yuan Zong, Yuliang Zhang, Zhongwen Guo. WFID: Passive Device-free Human Identification. 13th EAI international conference on Mobile and Ubiquitous Systems: Computing, Networking and Services (Mobiquitous 2016), Horishma, Japan. Nov. 2016.[PDF] [15] Yang, Yanni，Hong, Feng，Zhang, Yongtuo，Guo, Zhongwen. Person authentication using finger snapping —A new biometric trait. Chinese Conference Biometric Recognition (CCBR)，Chengdu，2016.10.14-2016.10.16 [PDF] [16] Q. Zhou, Y. Yang, F. Hong, Y. Feng and Z. Guo. User Identification and Authentication Using Keystroke Dynamics with Acoustic Signal. 12th International Conference on Mobile Ad-Hoc and Sensor Networks (MSN), Hefei, 2016, pp. 445-449.doi: 10.1109/MSN.2016.082[PDF] 二、国际/国内标准 [17] 基于传感器的产品监测软件集成接口规范（GB/T 33137-2016）[IMG] [18] IEEE Standard Design Criteria of Complex Virtual Instruments for Ocean observation (IEEE Std 2402)[IMG] 三、专利 [19] 基于智能手机的室内行人定位与跟踪方法 (ZL 2014 1 0438351.0)[IMG] [20] 一种基于内嵌三维加速计的手持设备的身份认证方法 (ZL 2015 1 0153477.8)[IMG]