基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步方法技术

本发明专利技术涉及一种基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步方法，包括：中心节点发送同步信号，并记录发送时间；普通节点若接收到中心节点发送的同步信号，回复同步应答信号；中心节点收到同步应答信号后，记录该信号的接收时间，并根据同步信号的发送时间以及同步应答信号的接收时间计算中心节点与普通节点之间的延时；对多次计算得到的延时取平均值；将中心节点与各个普通节点之间的延时平均值写入TIME报文，将TIME报文发送时间作为中心节点的基准时间；普通节点接收到TIME报文后，记录接收该报文的时间，读取中心节点与该普通节点之间的延时平均值，根据延时平均值与所记录的接收TIME报文的时间计算该普通节点的基准时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声网络领域，具体地说，本专利技术涉及一种基于集中式拓扑结构的水 下通信网的同步方法。
技术介绍
海洋占据了地球表面70%以上的面积，平均深度达4km，蕴藏着丰富的油气、动力 矿产等资源。同时，海洋是全球运输的主要通道，是全球环境的调节器，也是多种自然灾害 的发源地和发生地。因此，海洋是维持人类社会可持续发展的重要战略空间，对人类的发展 和社会进步起到重要作用。各海洋国家都相继投入了大量的财力开展对海洋的观测和开 发，以期在海洋资源控制中占领主动地位。 相比较于空气中无线通信环境，水声信道是一个时变的时延和多普勒双扩散 信道，信道条件非常恶劣。水中的声速一般在1500m/S左右，与无线电波的传播速度 3. 0X108m/s相比差了 5个数量级。此外，声速还受温度、盐度和压力等多方面因素的影响， 并且与载体的运动速度、水面的起伏速度等可比拟，因此多途效应、多普勒频移和信道的时 变性更加明显且复杂。水声通信的恶劣环境和节点功能的限制影响到水声网络协议的设 计，并且需要根据不同的应用场景开发更加优化的网络协议。 水声通信网的基本拓扑结构有集中式、分布式。集中式属于主从式结构，分布式属 于对等式结构。 如图1所示，在集中式网络中，所有的网络节点通过一个中心节点进行通信，这一 中心节点被称为主节点，有时也被称为网络的集线器，网络中的其余节点则被称为从节点。 这种拓扑结构适合于深海水声网络。在采用集中式拓扑结构的深海水声网络中，将带有水 声通信机和射频通信机的水面浮标作为中心节点，由该节点与其他水下节点进行通信。此 类拓扑结构的主要优点是：结构简单，便于维护，易于优化；主要缺点是：对中心节点依赖 性过大，如果中心节点出现故障，整个网络将陷入瘫痪。此外，由于单个通信机的传输距离 有限，网络不能大面积覆盖。 分布式拓扑结构，又成为全连接对等拓扑，是指网络中的每一个节点都可以直接 与其他任何一个节点进行通信，如图2所示。这种拓扑结构的优点是采用分散控制，局部故 障不会影响整个网络的运行，具有很高的可靠性；节点间两两可通，不需要路由选择，网络 延迟也较小。缺点在于，与远距离节点进行通信时需要很大的功率；此外，近距离处的相邻 节点将对正在与远距离节点通信的节点造成远近效应问题。和集中式拓扑一样，这种网 络也会受到单个通信机传输距离限制，不能大面积覆盖。 鉴于集中式拓扑结构的特点，本申请中所涉及的水下通信网络采用集中式拓扑结 构。 在水声通信网络中，节点之间的同步是网络能够正常工作的前提，在现有技术中， 节点同步主要通过节点间的信息交互实现，即计算出一对节点间的传播延时，从而对节点 进行同步。 下面结合图3,对现有技术中的节点同步方法进行描述。 节点A在ts时刻，发送路由广播分组给节点B。节点B接收到路由广播分组后经 过一段处理时间h后向节点A发送路由回复分组，路由回复分组中记录了节点B的处理时 间h，即应答延时。节点A在时刻&收到路由回复分组。假设路由广播分组、路由回复分 组传播时间相等，可以计算出A、B之间的传播延时为： TAB= (tr-ts-t〇)/2 在计算出A、B间的传播延时后，结合节点自身的时钟就可以实现节点A、B的同步。 现有技术中的上述同步方法在集中式水下通信网中的中心节点发送路由广播分 组后，多个普通节点可能同时回复路由回复分组，路由回复分组在中心节点处容易发生碰 撞，从而导致中心节点与发生碰撞的普通节点不能同步。并且，此同步方法采用节点广播分 组实现，分组在物理层以数据的形式发送接收，需要调制和解调，消耗节点的能量较多，同 时不易准确地估计接收节点B的处理时间h，导致同步的误差较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的水下通信网的节点同步方法容易发生碰撞， 影响同步效果的缺陷，从而提供准确、高效的水下通信网的同步方法。 为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步 方法，所述集中式拓扑结构的水下通信网包括中心节点以及通过所述中心节点通信的普通 节点，该方法包括： 步骤1)、所述中心节点发送同步信号，并记录所述同步信号的发送时间； 步骤2)、所述普通节点若接收到所述中心节点发送的同步信号，回复同步应答信 号；所述普通节点若接收到其他普通节点发送的同步应答信号，则不做出响应； 步骤3)、所述中心节点收到某一普通节点回复的所述同步应答信号后，记录该信 号的接收时间，并根据步骤1)中所记录的同步信号的发送时间以及本步骤中所记录的同步 应答信号的接收时间计算所述中心节点与该普通节点之间的延时； 步骤4)、重复步骤1) 一步骤3)多次，对多次计算得到的延时取平均值，得到所述 中心节点与各个普通节点之间的延时平均值； 步骤5)、将所述中心节点与各个普通节点之间的延时平均值写入TIME报文，所述 中心节点发送所述TIME报文并记录其发送时间，将所述发送时间作为所述中心节点的基 准时间； 步骤6)、所述普通节点接收到TIME报文后，记录接收该报文的时间，然后从所述 TIME报文中读取所述中心节点与该普通节点之间的延时平均值，根据所述延时平均值与所 记录的接收TIME报文的时间计算该普通节点的基准时间； 步骤7)、根据步骤5)得到的所述中心节点的基准时间以及步骤6)得到的所述普 通节点的基准时间实现所述中心节点与普通节点间的同步。 上述技术方案中，所述中心节点发送的同步信号与各个普通节点回复的同步应答 信号之间互不干扰。 上述技术方案中，所述同步信号与所述同步应答信号采用相互正交的信号实现， 或采用不同频带内的线性调频信号实现。 上述技术方案中，所述TME报文包括三种类型的字段，其中的type字段包括4个 比特，用于表示报文类型；src字段包括4个比特，用于表示中心节点的源地址；节点号与节 点延时字段，该字段包括两部分，第一部分有4个比特，用于表示节点号，第二部分有12个 比特，用于表示发送TME报文的节点与节点号所表示的节点之间的平均延时。 本专利技术的优点在于： 本专利技术的节点同步方法中各节点分配一个互不干扰的正交信号，这样避免了多个 节点的同步应答信号在中心节点处发生碰撞，使集中式通信网中的每个节点均能跟中心节 点同步。并且，这些同步信号不用调制解调，节点对同步信号的处理时间接近于零，这样即 节约了节点的能量又减小了节点间延时的计算误差，使同步更准确。 【附图说明】 图1是集中式网络拓扑结构示意图； 图2是分布式网络拓扑结构示意图； 图3是现有技术中的节点同步方法的示意图； 图4是本专利技术的节点同步方法的示意图。 【具体实施方式】 本专利技术的同步方法应用于基于集中式拓扑结构的水下通信网，为了便于理解，在 对本专利技术的同步方法做详细说明前，首先对所述的基于集中式拓扑结构的水下通信网加以 说明。 所述的基于集中式拓扑结构的水下通信网具有以下特点：网络规模小，拓扑结构 相对固定；具有集中式拓扑结构，网络中的普通节点均与中心节点进行通信。 下面结合附图和具体实施例对本专利技术的同步方法进行说明。 在一个实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步方法，所述集中式拓扑结构的水下通信网包括中心节点以及通过所述中心节点通信的普通节点，该方法包括：步骤1）、所述中心节点发送同步信号，并记录所述同步信号的发送时间；步骤2）、所述普通节点若接收到所述中心节点发送的同步信号，回复同步应答信号；所述普通节点若接收到其他普通节点发送的同步应答信号，则不做出响应；步骤3）、所述中心节点收到某一普通节点回复的所述同步应答信号后，记录该信号的接收时间，并根据步骤1）中所记录的同步信号的发送时间以及本步骤中所记录的同步应答信号的接收时间计算所述中心节点与该普通节点之间的延时；步骤4）、重复步骤1）—步骤3）多次，对多次计算得到的延时取平均值，得到所述中心节点与各个普通节点之间的延时平均值；步骤5）、将所述中心节点与各个普通节点之间的延时平均值写入TIME报文，所述中心节点发送所述TIME报文并记录其发送时间，将所述发送时间作为所述中心节点的基准时间；步骤6）、所述普通节点接收到TIME报文后，记录接收该报文的时间，然后从所述TIME报文中读取所述中心节点与该普通节点之间的延时平均值，根据所述延时平均值与所记录的接收TIME报文的时间计算该普通节点的基准时间；步骤7）、根据步骤5）得到的所述中心节点的基准时间以及步骤6）得到的所述普通节点的基准时间实现所述中心节点与普通节点间的同步。...

【技术特征摘要】
1. 一种基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步方法，所述集中式拓扑结构的水下通 信网包括中也节点W及通过所述中也节点通信的普通节点，该方法包括： 步骤1)、所述中也节点发送同步信号，并记录所述同步信号的发送时间； 步骤2)、所述普通节点若接收到所述中也节点发送的同步信号，回复同步应答信号； 所述普通节点若接收到其他普通节点发送的同步应答信号，则不做出响应； 步骤3)、所述中也节点收到某一普通节点回复的所述同步应答信号后，记录该信号的 接收时间，并根据步骤1)中所记录的同步信号的发送时间W及本步骤中所记录的同步应答 信号的接收时间计算所述中也节点与该普通节点之间的延时； 步骤4)、重复步骤1) 一步骤3)多次，对多次计算得到的延时取平均值，得到所述中也 节点与各个普通节点之间的延时平均值； 步骤5)、将所述中也节点与各个普通节点之间的延时平均值写入TIME报文，所述中也 节点发送所述TIME报文并记录其发送时间，将所述发送时间作为所述中也节点的基准时 间； 步骤6)、所述普通节点接收到TIME报文后，记录接收该报文的时间，然后从所述TIME 报文中读取所述中也节点与该普通节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，李宇，张扬帆，张春华，黄海宁，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11