本项目使用概率图模型作为分析无线传感器网络时空相关性的主要工具，指导无线传感器网络的设计与优化。我们主要利用概率图模型中的主题模型来分析无线传感器网络监测区域中的隐事件源分布，形成拓扑子图来显著减少活跃节点的数量，达到高效节能的目标。 项目的主要研究内容包括： 1. 基于主题模型的无线传感器网络时空相关性建模 2. 主题模型参数的高精度推导研究 3. 面向大数据应用场景的主题建模研究 4. 基于主题模型的无线传感器网络节能方案在水质监测中的应用 本项目的研究证实主题模型能够有效的对无线传感器网络时空相关性进行建模，在此基础上可以利用概率图模型中的动态条件随机场等方法根据拓扑子图的观测数据进行数据推理，还原整个监测区域的状态，达到与整个网络所有节点同时工作时相似的监测精度，从而可以通过减少整个监测区域需要部署的传感器节点数量或者延长节点的睡眠时间等措施来减少活跃节点的数量，达到高效节能的目标。在大量的实验中我们发现，在类似于大规模水质监测这类应用场景中，需要观测的系统存在高度动态性、高度复杂性等特点。如果采用过于简单的主题模型则无法有效地对真实系统进行建模，从而导致较高的推导错误率，在节能的同时将严重影响数据推理与还原的精度。因此，在水质监测等大规模真实系统的主题建模应用中，必须从模型的复杂性和推理精度两个层面同时提高模型的性能，才能保证较高的数据推理精度，最终实现传感器网络高效节能的目标。我们将这两个实际问题转化主题模型参数的高精度推导研究和面向大数据应用场景的主题建模研究两个科学问题，开展了大量相关研究，取得了一系列研究成果。

无线传感器网络观测数据的时空相关性揭示了无线传感器网络部署环境的动态性与不确定性，对指导和优化无线传感器网络的节能设计有重要意义。本项目以概率图模型为主要工具，分析和建模无线传感器网络中普遍存在的时空相关性，在此基础上研究高效的节能策略，主要包括：研究传感器节点的时空相关性双聚类方法，同时从时间和空间两个维度将观测数据进行聚类分析；基于时空相关性聚类结果，研究相应的拓扑控制策略来降低活跃节点的数量，达到显著节能的效果；利用动态条件随机场对观测数据的时空相关性进行建模，研究相应的参数估计方法，通过对活跃节点的观测来精确推断其他节点的状态。本项目的预期成果拟在保证实际应用性能的前提下，有效的降低必需的活跃节点数量，达到无线传感器网络显著节能的目标。

在无线传感器网络布置中继节点可有效延长网络生存时间、增强网络的连通性或容错性，本项目以减少所需的中继节点数目为切入点，探索能进一步减少网络成本、适用范围广且实用性强的中继节点布置方案，使之基本满足在无线传感器网络中的理论和应用的需要。以几何理论为基础，提出一种适用于传感器节点三维分布的簇内中继节点布置算法；以经典的欧几里德Steiner树问题为基础，提出一种单层网络中的中继节点布置算法；以几何覆盖原理为基础，提出一种分层网络中的中继节点布置算法，在选定中继节点时统一考虑中继节点的覆盖性以及中继节点之间的连通性；以分层网络中的中继节点布置问题为基础，提出一种分层网络中的最小成本中继节点布置算法，综合考虑中继节点的成本和能量的成本。为了扩大适用范围和增强实用性，进一步将仅满足连通性的中继节点布置算法扩展到满足容错性以及存在基站等情况。

为了延长网络生存时间或保证网络的连通性，可以在无线传感器网络中布置少量专门用于路由数据的中继节点。本项目以几何理论为基础，系统深入地研究了无线传感器网络中的中继节点布置问题，主要研究内容和研究结果包括： (1) 研究了不同网络模型和优化目标下的簇内中继节点布置问题，由于作为簇头的中继节点的功能类似于一个独立网络中的基站，因此无线传感器网络中的基站布置算法也可用于求解类似的簇内中继节点布置问题。(i) 假设传感器节点可以自动调整其无线发送功率，提出了一种基于最速下降法的中继节点布置算法，使得传感器节点发送数据所消耗的总功耗最小。在该算法中，先选择基站的一个初始位置，然后沿着负梯度方向，通过不断迭代求出总功耗的极小值点。实验结果表明，该算法可以得到使得传感器节点总功耗最小的中继节点位置。(ii) 假设传感器节点可以自动调整其无线发送功率，提出了一种基于贪婪搜索的中继节点布置算法，最大化了所有传感器节点的最短生存时间。首先证明了对于一个三维无线传感器网络，中继节点的最优位置最多只取决于所有传感器节点中的某四个节点，然后通过贪婪搜索得到这四个节点。相比现有算法，该算法可以适用于三维空间。(iii) 假设传感器节点具有固定的无线发送功率和通信范围，提出了一种基于平面分割的中继节点布置算法，使得传感器节点用于传输数据的总功耗最小。通过所有传感器节点的通信圆来分割二维平面，可以得到有限多个具有不同总功耗的中继节点位置，从而将中继节点位置在二维平面的无限搜索空间缩小为有限多个搜索空间。实验结果表明，该算法可以得到使得传感器节点总功耗最小的中继节点位置。 (2) 研究了单层网络中满足连通性的中继节点布置问题，提出了一种基于合并连通片的近似算法，以最小化使得网络连通所需的中继节点数目。在该算法迭代求解过程的每步中，先基于Voronoi图求出各个连通片的外围节点，然后尝试布置最小数目的中继节点，以连接其中两个连通片或三个连通片中的外围节点，形成新的连通片，重复该迭代过程直至所有节点连通。实验结果表明该算法得到的平均中继节点数目约为现有算法的90%。 通过本项目的研究，推动了无线传感器网络中继节点布置问题的研究，促进了项目组团队的成长，已发表和录用了5篇相关论文，其中3篇被SCI收录，5篇被EI收录，此外还有4篇论文已投稿，已培养了1名硕士研究生毕业，现有5名在读硕士研究生正在研究此方向。 2100433B

无线传感器高精度定位技术在物联网领域具有十分广泛的应用前景，是当前物联网领域研究的重点和难点问题。本项目提出了基于TOF/TOA/TDOA的移动无线传感器网络定位与时钟同步算法，从理论上解决移动无线传感器网络的高精度定位与时钟同步问题。算法主要包括基于TDOA的时钟同步与定位算法、基于快速多基站TOF测量的定位算法、融合TOF/TDOA的定位算法、基站坐标自动标定算法、基于NLOS指数和基站分组的TDOA定位算法。所有的算法都进行了仿真验证。本项目基于DW1000超宽带芯片（符合IEEE802.15-2011标准），设计了高精度室内定位系统，本项目中所提出的算法全部在该定位系统中进行了设计实现，并开展了测试和验证，通过实测统计分析，基站之间的时钟同步精度达到0.3ns，TDOA定位精度达到30cm，TOF定位精度达到15cm，基站坐标自动标定的精度达到5cm。本项目的研究成果具有广泛的实际应用价值。TDOA的定位与时钟同步不需要外部的时钟源，使用普通的晶振就能够在UWB定位系统中达到30cm的定位精度和0.3ns的时钟同步精度。基站坐标的自动标定能够极大的减小定位系统实际部署时的工作量和成本，对于无线传感器定位系统的实际部署具有极大的工程实际意义。