一種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)不斷廣播信息數(shù)據(jù)包，待同步節(jié)點(diǎn)不斷接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信息，在每次接收到信息時(shí)記錄待同步節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，并且計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度；待同步節(jié)點(diǎn)利用收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)鐘的頻率偏斜；待同步節(jié)點(diǎn)計(jì)算出時(shí)鐘頻率偏斜后給信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信息；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送的請(qǐng)求信息后，隨機(jī)等待一段時(shí)間給待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)響應(yīng)信息；待同步節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的響應(yīng)信息時(shí)記錄本地時(shí)間，并計(jì)算方法計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度，最后通過收集的數(shù)據(jù)計(jì)算最終的時(shí)鐘相位偏差。本發(fā)明能減少節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)時(shí)間同步的負(fù)面影響，從而提高時(shí)間同步精度。
【專利說明】
一種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò) 時(shí)間同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣泛，不僅在工農(nóng)業(yè)等方面有非常廣闊的前 景，而且還能應(yīng)用于化學(xué)或生物指示的環(huán)境監(jiān)控、災(zāi)難預(yù)防和水下勘測(cè)等方面。時(shí)間同步是 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵問題之一，不同的傳感器節(jié)點(diǎn)需要協(xié)同工作，對(duì)于大多數(shù)無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)所要執(zhí)行的任務(wù)而言非常重要，這些任務(wù)包括目標(biāo)追蹤、監(jiān)視、生物勘測(cè)、分布式波束 形成等。
[0003] 針對(duì)水下節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性的特點(diǎn)，Chirdchoo N等人提出了MU-Sync同步方法，將 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)簇，簇首和簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)采取發(fā)送-接收方式進(jìn)行信息的交互，通過多次 信息的交互計(jì)算出待同步節(jié)點(diǎn)的頻率偏斜和相位偏差。但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)較快移動(dòng)時(shí)導(dǎo)致往返傳 播延遲不同、影響同步精度;并且在實(shí)際應(yīng)用中該算法需要較多的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)均勻部署，提高 了傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署成本，部署方案容易受水下環(huán)境的影響，缺乏靈活性和適應(yīng)性。
[0004] 針對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)受洋流影響的特點(diǎn)，Li Z等人提出了E2DTS算法，使用移動(dòng)自主式水 下潛器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并且AUV和傳感器節(jié)點(diǎn)之間 采用單發(fā)送方式和發(fā)送-接收的方式進(jìn)行通信，通過這種方式節(jié)省了能量的消耗，但是該算 法假設(shè)在同步過程中節(jié)點(diǎn)受海流影響為恒速運(yùn)動(dòng)，限制了該方法的同步精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高時(shí)間同步精度的，多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò) 時(shí)間同步方法。
[0006] -種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，包括以下步驟，
[0007]步驟一:信標(biāo)節(jié)點(diǎn)不斷廣播信息數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的時(shí)間；
[0008] 步驟二:待同步節(jié)點(diǎn)不斷接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信息，在每次接收到信息時(shí)記錄待 同步節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，并且利用基于多普勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間 的相對(duì)速度；
[0009] 步驟三:待同步節(jié)點(diǎn)判斷收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信息數(shù)目，若信息數(shù)目大于N則進(jìn)入 到下一步;否則，則返回上一步；
[0010] 步驟四：待同步節(jié)點(diǎn)利用收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)鐘的頻率偏斜；
[0011]步驟五:待同步節(jié)點(diǎn)計(jì)算出時(shí)鐘頻率偏斜后給信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信息，信息 中包含著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求信息的時(shí)間T1;
[0012]步驟六:信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送的請(qǐng)求信息后，隨機(jī)等待一段時(shí)間給待同 步節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)響應(yīng)信息，響應(yīng)信息中包含著待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求信息時(shí)間!^、信標(biāo)節(jié)點(diǎn) 接收信息時(shí)間t4P發(fā)送信息時(shí)間t3;
[0013] 步驟七:待同步節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的響應(yīng)信息時(shí)記錄本地時(shí)間，并利用基于 多普勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度，最后通過收集的數(shù)據(jù)計(jì) 算最終的時(shí)鐘相位偏差。
[0014] 本發(fā)明一種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，還可以包括：
[0015] 1、利用基于多普勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法計(jì)算待同步節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的 相對(duì)速度v滿足下式：
[0017]其中，Ttp是發(fā)射數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，Trp是接收數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，c是聲音在水下的傳播速度。
[0018] 2、時(shí)鐘的頻率偏斜計(jì)算過程為：
[0019] 建立待同步節(jié)點(diǎn)的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間如下函數(shù)關(guān)系：
[0020] T[ i] = 9*(t[ i]+td[i ] )+β
[0021] 其中，i表示第i次信息的傳播且1￡[2，1!]，訃1]是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)第1次發(fā)送信息的時(shí) 間，T[i]是待同步節(jié)點(diǎn)接收到第i次信息時(shí)的本地時(shí)間，td[i]是第i次信息的傳播延遲，Θ是 時(shí)鐘頻率偏斜，β是時(shí)鐘的初始相位偏差；
[0022] 建立信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待同步節(jié)點(diǎn)之間的距離與節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)距離關(guān)系：
[0025]其中，Di用第i -1次數(shù)據(jù)包的傳播距離[ i ]與Τ [ i -1 ]時(shí)間段內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待 同步的距離變化值表示，Vs代表水聲的傳播速度，Vl表示接收到第i-Ι次信息時(shí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與 待同步節(jié)點(diǎn)的相對(duì)速度；
[0026] 求得頻率偏斜為：
[i]-T[i-l] = θ( Atd[i]+At[i])〇
[0029] 3、時(shí)鐘相位偏差的求取過程為：
[0030] 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)用B表示，待同步節(jié)點(diǎn)用0表示，用Pom)表示節(jié)點(diǎn)0在1'1時(shí)刻的位置，Pb (t2)表示節(jié)點(diǎn)8在。時(shí)刻的位置，傳播延遲是由于節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)0之間的距離引起的，dcmm， t2)為節(jié)點(diǎn)0在1'1時(shí)刻和節(jié)點(diǎn)8在。時(shí)刻之間的距離，dQB(t 3，T4)為節(jié)點(diǎn)B在t3時(shí)刻和節(jié)點(diǎn)0在T4 時(shí)刻之間的距離，由此可以得：
[0033]根據(jù)兩次信息傳播過程中相對(duì)距離的變化關(guān)系得：
[0035] 其中，V1表示接收到應(yīng)答信息時(shí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待同步節(jié)點(diǎn)的相對(duì)速度；
[0036] 得到時(shí)鐘相位偏差為：
[0038] 有益效果：
[0039] 本發(fā)明通過利用基于多普勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法在每次接收信息時(shí)計(jì)算出 節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度，能減少節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)時(shí)間同步的負(fù)面影響，從而提高時(shí)間同步精度。本 發(fā)明針對(duì)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)影響時(shí)間同步精度的問題，利用多普勒原理在每次接收 信標(biāo)信息時(shí)計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待同步節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度，進(jìn)而計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待同步 節(jié)點(diǎn)之間的距離變化，能比較準(zhǔn)確計(jì)算出信息在傳播過程中所花費(fèi)的時(shí)間，更好的適應(yīng)復(fù) 雜多變的水下環(huán)境。
【附圖說明】
[0040] 圖1多普勒輔助時(shí)間同步流程圖。
[0041 ]圖2接收方測(cè)量數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度示意圖。
[0042]圖3計(jì)算頻率偏斜時(shí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待同步節(jié)點(diǎn)的信息交互關(guān)系圖。
[0043]圖4計(jì)算相位偏差時(shí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待同步節(jié)點(diǎn)的信息交互關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0045] 本發(fā)明的目的在于提出一種多普勒輔助時(shí)間同步方法，針對(duì)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 移動(dòng)影響時(shí)間同步精度的問題，利用多普勒原理在每次接收信標(biāo)信息時(shí)計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和 待同步節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度，進(jìn)而計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待同步節(jié)點(diǎn)之間的距離變化，能比較 準(zhǔn)確計(jì)算出信息在傳播過程中所花費(fèi)的時(shí)間，更好的適應(yīng)復(fù)雜多變的水下環(huán)境。
[0046] 結(jié)合圖1本發(fā)明的具體過程：
[0047] (1)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)不斷廣播信息數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的時(shí)間。
[0048] (2)待同步節(jié)點(diǎn)不斷接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信息，在每次接收到信息時(shí)記錄待同步 節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，并且利用基于多普勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相 對(duì)速度，經(jīng)過一次信息傳播后待同步節(jié)點(diǎn)可以收集到的數(shù)據(jù)有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間、普通 節(jié)點(diǎn)接收信息時(shí)的本地時(shí)間和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待同步節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度。
[0049] (3)待同步節(jié)點(diǎn)判斷收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信息數(shù)目，若信息數(shù)目大于Ν(Ν的默認(rèn)值 為25)則進(jìn)入到下一步;若信息數(shù)目小于Ν，則返回上一步。
[0050] (4)待同步節(jié)點(diǎn)利用收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)鐘的頻率偏斜(clock skew)。
[0051] (5)待同步節(jié)點(diǎn)計(jì)算出時(shí)鐘頻率偏斜后給信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信息，信息中包 含著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的時(shí)間。
[0052] (6)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息后，隨機(jī)等待一段時(shí)間給待同步節(jié)點(diǎn)發(fā) 送一個(gè)響應(yīng)信息，信息中包含著待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求信息時(shí)間、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收信息和發(fā)送 信息時(shí)間。
[0053] (7)待同步節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的響應(yīng)信息時(shí)記錄本地時(shí)間，并利用基于多普 勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度，最后通過收集的數(shù)據(jù)計(jì)算最 終的時(shí)鐘相位偏差。
[0054] 本發(fā)明公開了一種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，屬于水下無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于:所述方法是在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中按以下步驟實(shí)現(xiàn):1)計(jì)算時(shí) 鐘頻率偏斜(clock skew)階段，AUV作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并且定期發(fā)送參考報(bào)文，待同步節(jié)點(diǎn)接 收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)記錄本地時(shí)間，利用多普勒原理計(jì)算出與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速 度，通過這些數(shù)據(jù)計(jì)算出時(shí)鐘頻率偏斜。2)計(jì)算時(shí)鐘相位偏差(c 1 ock offset)階段，待同步 節(jié)點(diǎn)計(jì)算出頻率偏斜后，發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信息，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到信息后并發(fā)送應(yīng)答信息，待同步 節(jié)點(diǎn)收到應(yīng)答信息后，記錄接收時(shí)間并利用多普勒原理計(jì)算出相對(duì)速度，根據(jù)收集的數(shù)據(jù) 計(jì)算時(shí)鐘相位偏差(clock offset)。
[0055] -種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法：
[0056] (1)基于多普勒原理相對(duì)速度計(jì)算方法：
[0057] 在水下通信中，發(fā)送方和接收方之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致接收方在接收信息時(shí)數(shù)據(jù)幀 的長(zhǎng)度發(fā)生變化，通過多普勒原理可以測(cè)得變后數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，從而計(jì)算出發(fā)送方和接收 方之間的相對(duì)速度。
[0058] (2)計(jì)算時(shí)鐘頻率偏斜(clock skew)步驟：
[0059] 使用移動(dòng)的AUV作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，AUV可以從GPS或北斗獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間并且定期發(fā)送 參考信息，信息中包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)的時(shí)間。待同步節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息， 記錄接收到信息時(shí)待同步節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，并且利用（1)中方法計(jì)算出相對(duì)速度，待同步節(jié) 點(diǎn)接收到一定數(shù)量的信息后，可以求出時(shí)鐘頻率偏斜(clock skew)。
[0060] (3)計(jì)算時(shí)鐘相位偏差(clock offset)步驟：
[0061 ]待同步節(jié)點(diǎn)計(jì)算出頻率偏斜后，隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間發(fā)送請(qǐng)求信息，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到 信息后，記錄信息接收的時(shí)間，隔一段時(shí)間發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信息，應(yīng)答信息包含了待同步節(jié)點(diǎn) 發(fā)送信息的時(shí)間和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的時(shí)間，待同步節(jié)點(diǎn)收到應(yīng)答信息后，記錄接收時(shí)間 并且利用（1)中方法計(jì)算出相對(duì)速度，根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)計(jì)算出時(shí)鐘相位偏差（clock offset)〇
[0062] 采用AUV作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并且利用多普勒原理計(jì)算出節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度，通過以 上這些措施提高時(shí)間同步的精度。
[0063] 本發(fā)明描述了一種多普勒輔助時(shí)間同步方法，該方法過程如下：
[0064] (1)如圖3所示，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)不斷廣播信息數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信 息的時(shí)間t。
[0065] (2)待同步節(jié)點(diǎn)不斷接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信息，在每次接收到信息時(shí)記錄待同步 節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間T，并且利用基于多普勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的 相對(duì)速度，經(jīng)過一次信息傳播后待同步節(jié)點(diǎn)可以收集到的數(shù)據(jù)有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間t、普 通節(jié)點(diǎn)接收信息時(shí)的本地時(shí)間T和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待同步節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度V。
[0066]基于多普勒原理相對(duì)速度計(jì)算方法描述：
[0067]在水下環(huán)境中，由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫多普勒頻移，它與相對(duì)速度成 正比，表達(dá)式為：
[0069] 其中，ftp是發(fā)射信號(hào)的頻率，frp是接收信號(hào)的頻率，v是接收方和發(fā)送方之間的相 對(duì)速度，c是聲音在水下的傳播速度。
[0070] 根據(jù)周期與頻率的關(guān)系，公式(1)可化簡(jiǎn)為：
[0072] 其中，Ttp是發(fā)射數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，Trp是接收數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度。
[0073]
，發(fā)射信息數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度已知，只需要測(cè)量出接收信 息數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度后，即可求出A。為此接收端用一個(gè)與發(fā)射波形信號(hào)中已知波形相匹配的 濾波器來檢測(cè)，接收信息經(jīng)過匹配濾波器輸出時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，測(cè)量?jī)蓚€(gè)峰值之間的長(zhǎng) 度就可得到Trp，接收方的測(cè)量示意圖如圖2所示。求出△后根據(jù)公式v= △ *c可以計(jì)算出相 對(duì)速度。
[0074] (3)待同步節(jié)點(diǎn)判斷收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信息數(shù)目，若信息數(shù)目大于N(N的默認(rèn)值 為25)則進(jìn)入到下一步;若信息數(shù)目小于N，則返回上一步。
[0075] (4)待同步節(jié)點(diǎn)利用收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)鐘的頻率偏斜(clock skew)，計(jì)算過程 如下：
[0076] 待同步節(jié)點(diǎn)的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間存在如下函數(shù)關(guān)系：
[0077] T[i] = 9*(t[i]+td[i])+P (3)
[0078] 其中，i表示第i次信息的傳播且1￡[2，1!]，訃1]是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)第1次發(fā)送信息的時(shí) 間，T[i]是待同步節(jié)點(diǎn)接收到第i次信息時(shí)的本地時(shí)間，td[i]是第i次信息的傳播延遲，Θ是 時(shí)鐘頻率偏斜，β是時(shí)鐘的初始相位偏差。
[0079]信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待同步節(jié)點(diǎn)之間的距離與節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)距離關(guān)系存在如下函數(shù)關(guān)系：
[0082]其中，Di用第i -1次數(shù)據(jù)包的傳播距離[ i ]與Τ [ i -1 ]時(shí)間段內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待 同步的距離變化值表示，Vs代表水聲的傳播速度，Vl表示接收到第i-Ι次信息時(shí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與 待同步節(jié)點(diǎn)的相對(duì)速度。對(duì)上述公式進(jìn)行變形可得：
[0086] 從公式(7)中可以得知每相鄰兩組數(shù)據(jù)可以求出一個(gè)Θ值，因此η(η>1)組數(shù)據(jù)能求 出n-1個(gè)值，最終的頻率偏斜用求均值的方法得：
[0087] (5)圖4表示待同步節(jié)點(diǎn)計(jì)算出時(shí)鐘頻率偏斜后給信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信息，信 息中包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的時(shí)間Tu
[0088] (6)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息后，隨機(jī)等待一段時(shí)間給待同步節(jié)點(diǎn)發(fā) 送一個(gè)響應(yīng)信息，信息中包含著待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求信息時(shí)間 Tl、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收信息時(shí)間t2 和發(fā)送信息時(shí)間t3。
[0089 ] (7)待同步節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的響應(yīng)信息時(shí)記錄本地時(shí)間T 4，并利用基于多 普勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度V1，最后通過收集的數(shù)據(jù)計(jì) 算時(shí)鐘相位偏差，具體計(jì)算過程如下所示：
[0090]規(guī)定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)用Β表示，待同步節(jié)點(diǎn)用0表示，用Ρο(Τι)和Ρβ(?2)表示節(jié)點(diǎn)0和節(jié)點(diǎn)Β 分別在h時(shí)刻和t2時(shí)刻的位置，傳播延遲是由于Β和0之間的距離引起的，定義(^⑴山)為 節(jié)點(diǎn)0在1' 1時(shí)刻和節(jié)點(diǎn)8在12時(shí)刻之間的距離，dQB(t3，T4)為節(jié)點(diǎn)B在t 3時(shí)刻和節(jié)點(diǎn)0在T4時(shí)刻 之間的距離，由此可以得到以下公式：
[0093]根據(jù)兩次信息傳播過程中相對(duì)距離的變化關(guān)系得：
[0095]其中，^表示接收到應(yīng)答信息時(shí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待同步節(jié)點(diǎn)的相對(duì)速度，對(duì)公式（10) 進(jìn)行整理得：
[0097] 通過公式（11)求出最終的時(shí)鐘相位偏差(clock offset)。
[0098] 經(jīng)過上述幾個(gè)步驟可以計(jì)算出時(shí)鐘的頻率偏斜和相位偏差，從而校準(zhǔn)待同步節(jié)點(diǎn) 的時(shí)間。
[0099] 本發(fā)明在整個(gè)同步過程中利用AUV作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)同步過程中利用基于多 普勒原理的方法估計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度，由此能比較精確的得出信息在傳播過程中所需 要的時(shí)間，對(duì)最終計(jì)算頻率偏斜與相位偏差有很大的幫助。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟一:信標(biāo)節(jié)點(diǎn)不斷廣播信息數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的時(shí)間； 步驟二:待同步節(jié)點(diǎn)不斷接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信息，在每次接收到信息時(shí)記錄待同步 節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，并且利用基于多普勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相 對(duì)速度； 步驟三:待同步節(jié)點(diǎn)判斷收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信息數(shù)目，若信息數(shù)目大于N則進(jìn)入到下 一步;否則，則返回上一步； 步驟四：待同步節(jié)點(diǎn)利用收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)鐘的頻率偏斜； 步驟五:待同步節(jié)點(diǎn)計(jì)算出時(shí)鐘頻率偏斜后給信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信息，信息中包 含著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求信息的時(shí)間T1; 步驟六:信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送的請(qǐng)求信息后，隨機(jī)等待一段時(shí)間給待同步節(jié) 點(diǎn)發(fā)送一個(gè)響應(yīng)信息，響應(yīng)信息中包含著待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求信息時(shí)間!^、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收 信息時(shí)間t#P發(fā)送信息時(shí)間t3; 步驟七:待同步節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的響應(yīng)信息時(shí)記錄本地時(shí)間，并利用基于多普 勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速度，最后通過收集的數(shù)據(jù)計(jì)算最 終的時(shí)鐘相位偏差。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于： 利用基于多普勒原理的相對(duì)速度計(jì)算方法計(jì)算待同步節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)速 度V滿足下式：其中，Ttp是發(fā)射數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，Trp是接收數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，c是聲音在水下的傳播速度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于： 所述的時(shí)鐘的頻率偏斜計(jì)算過程為： 建立待同步節(jié)點(diǎn)的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間如下函數(shù)關(guān)系： T[i] = 0*(t[i]+td[i])+P 其中，i表示第i次信息的傳播且1^[2，11]，矸1]是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)第1次發(fā)送信息的時(shí)間，了 [i]是待同步節(jié)點(diǎn)接收到第i次信息時(shí)的本地時(shí)間，td[i]是第i次信息的傳播延遲，Θ是時(shí)鐘 頻率偏斜，β是時(shí)鐘的初始相位偏差； 建立信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待同步節(jié)點(diǎn)之間的距離與節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)距離關(guān)系：其中，D1用第i-Ι次數(shù)據(jù)包的傳播距離Dh及T[i]與T[i-1]時(shí)間段內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待同步 的距離變化值表示，Vs代表水聲的傳播速度，Vl表示接收到第i-Ι次信息時(shí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待同 步節(jié)點(diǎn)的相對(duì)速度； 求得頻率偏斜為： [i-lj = 9( AtdLiJ+AtLiJjo4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多普勒輔助水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于： 所述的時(shí)鐘相位偏差的求取過程為： 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)用B表示，待同步節(jié)點(diǎn)用0表示，用Po(T1)表示節(jié)點(diǎn)0在1'1時(shí)刻的位置，P B(t2)表 示節(jié)點(diǎn)B在t2時(shí)刻的位置，傳播延遲是由于節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)0之間的距離引起的，d〇B (Ti，t2)為節(jié) 點(diǎn)〇在1'1時(shí)刻和節(jié)點(diǎn)8在丨2時(shí)刻之間的距離，dQB(t3，T4)為節(jié)點(diǎn)B在t 3時(shí)刻和節(jié)點(diǎn)0在T4時(shí)刻之 丨、司白ABE畝ι±π?^πη;丨泡.根據(jù)兩次信息傳播過程中相對(duì)距離的變化關(guān)系得：其中，V1表示接收到應(yīng)答信息時(shí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待同步節(jié)點(diǎn)的相對(duì)速度； 得到時(shí)鐘相位偏差為：
【文檔編號(hào)】H04W56/00GK106028437SQ201610289417
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】馮曉寧, 王卓, 朱曉龍, 張文, 蔡紹濱, 曲立平, 孟宇龍
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)