一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法技术

本发明专利技术公开了一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法。信标节点不断广播信息数据包，待同步节点不断接收信标节点广播的信息，在每次接收到信息时记录待同步节点的本地时间，并且计算与信标节点之间的相对速度；待同步节点利用收集到的数据计算时钟的频率偏斜；待同步节点计算出时钟频率偏斜后给信标节点发送一个请求信息；信标节点收到待同步节点发送的请求信息后，随机等待一段时间给待同步节点发送一个响应信息；待同步节点接收信标节点发送的响应信息时记录本地时间，并计算方法计算与信标节点之间的相对速度，最后通过收集的数据计算最终的时钟相位偏差。本发明专利技术能减少节点移动对时间同步的负面影响，从而提高时间同步精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水下无线传感器网络领域，尤其涉及一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法。
技术介绍
水下无线传感器网络的应用前景非常广泛，不仅在工农业等方面有非常广阔的前景，而且还能应用于化学或生物指示的环境监控、灾难预防和水下勘测等方面。时间同步是传感器网络中的关键问题之一，不同的传感器节点需要协同工作，对于大多数无线传感器网络所要执行的任务而言非常重要，这些任务包括目标追踪、监视、生物勘测、分布式波束形成等。针对水下节点具有移动性的特点，Chirdchoo N等人提出了MU-Sync同步方法，将整个网络划分为多个簇，簇首和簇内的节点采取发送-接收方式进行信息的交互，通过多次信息的交互计算出待同步节点的频率偏斜和相位偏差。但是当节点较快移动时导致往返传播延迟不同、影响同步精度；并且在实际应用中该算法需要较多的信标节点均匀部署，提高了传感器网络的部署成本，部署方案容易受水下环境的影响，缺乏灵活性和适应性。针对节点移动受洋流影响的特点，Li Z等人提出了E2DTS算法，使用移动自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)作为信标节点，并且AUV和传感器节点之间采用单发送方式和发送-接收的方式进行通信，通过这种方式节省了能量的消耗，但是该算法假设在同步过程中节点受海流影响为恒速运动，限制了该方法的同步精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够提高时间同步精度的，多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法。一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法，包括以下步骤，步骤一：信标节点不断广播信息数据包，数据包中包含信标节点发送信息的时间；步骤二：待同步节点不断接收信标节点广播的信息，在每次接收到信息时记录待同步节点的本地时间，并且利用基于多普勒原理的相对速度计算方法计算与信标节点之间的相对速度；步骤三：待同步节点判断收到信标节点广播的信息数目，若信息数目大于N则进入到下一步；否则，则返回上一步；步骤四：待同步节点利用收集到的数据计算时钟的频率偏斜；步骤五：待同步节点计算出时钟频率偏斜后给信标节点发送一个请求信息，信息中包含着信标节点发送请求信息的时间T1；步骤六：信标节点收到待同步节点发送的请求信息后，随机等待一段时间给待同步节点发送一个响应信息，响应信息中包含着待同步节点发送请求信息时间T1、信标节点接收信息时间t2和发送信息时间t3；步骤七：待同步节点接收信标节点发送的响应信息时记录本地时间，并利用基于多普勒原理的相对速度计算方法计算与信标节点之间的相对速度，最后通过收集的数据计算最终的时钟相位偏差。本专利技术一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法，还可以包括：1、利用基于多普勒原理的相对速度计算方法计算待同步节点与信标节点之间的相对速度v满足下式： v c = T t p T r p - 1 ]]>其中，Ttp是发射数据帧长度，Trp是接收数据帧长度，c是声音在水下的传播速度。2、时钟的频率偏斜计算过程为：建立待同步节点的时间与标准时间如下函数关系：T[i]＝θ*(t[i]+td[i])+β其中，i表示第i次信息的传播且i∈[2,n]，t[i]是信标节点第i次发送信息的时间，T[i]是待同步节点接收到第i次信息时的本地时间，td[i]是第i次信息的传播延迟，θ是时钟频率偏斜，β是时钟的初始相位偏差；建立信标节点和待同步节点之间的距离与节点的移动距离关系： D i = D i - 1 + ∫ T [ i - 1 ] T [ i ] v i d t ]]> t d [ i ] = D i v s ]]>其中，Di用第i-1次数据包的传播距离Di-1及T[i]与T[i-1]时间段内信标节点和待同步的距离变化值表示，vs代表水声的传播速度，vi表示接收到第i-1次信息时信标节点与待同步节点的相对速度；求得频率偏斜为： θ ^ = 1 n - 1 Σ i = 2 n θ i ]]>其中，T[i]-T[i-1]＝θ(Δtd[i]+Δt[i])。3、时钟相位偏差的求取过程为：信标节点用B表示，待同步节点用O表示，用PO(T1)表示节点O在T1时刻的位置，PB(t2)表示节点B在t2时刻的位置，传播延迟是由于节点B和节点O之间的距离引起的，dOB(T1,t2)为节点O在T1时刻和节点B在t2时刻之间的距离，dOB(t3,T4)为节点B在t3时刻和节点O在T4时刻之间的距离，由此可以得： || P O ( T 1 ) - P B ( t 2 ) || v s = d O B ( T 1 , t 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：信标节点不断广播信息数据包，数据包中包含信标节点发送信息的时间；步骤二：待同步节点不断接收信标节点广播的信息，在每次接收到信息时记录待同步节点的本地时间，并且利用基于多普勒原理的相对速度计算方法计算与信标节点之间的相对速度；步骤三：待同步节点判断收到信标节点广播的信息数目，若信息数目大于N则进入到下一步；否则，则返回上一步；步骤四：待同步节点利用收集到的数据计算时钟的频率偏斜；步骤五：待同步节点计算出时钟频率偏斜后给信标节点发送一个请求信息，信息中包含着信标节点发送请求信息的时间T1；步骤六：信标节点收到待同步节点发送的请求信息后，随机等待一段时间给待同步节点发送一个响应信息，响应信息中包含着待同步节点发送请求信息时间T1、信标节点接收信息时间t2和发送信息时间t3；步骤七：待同步节点接收信标节点发送的响应信息时记录本地时间，并利用基于多普勒原理的相对速度计算方法计算与信标节点之间的相对速度，最后通过收集的数据计算最终的时钟相位偏差。

【技术特征摘要】
1.一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：信标节点不断广播信息数据包，数据包中包含信标节点发送信息的时间；步骤二：待同步节点不断接收信标节点广播的信息，在每次接收到信息时记录待同步节点的本地时间，并且利用基于多普勒原理的相对速度计算方法计算与信标节点之间的相对速度；步骤三：待同步节点判断收到信标节点广播的信息数目，若信息数目大于N则进入到下一步；否则，则返回上一步；步骤四：待同步节点利用收集到的数据计算时钟的频率偏斜；步骤五：待同步节点计算出时钟频率偏斜后给信标节点发送一个请求信息，信息中包含着信标节点发送请求信息的时间T1；步骤六：信标节点收到待同步节点发送的请求信息后，随机等待一段时间给待同步节点发送一个响应信息，响应信息中包含着待同步节点发送请求信息时间T1、信标节点接收信息时间t2和发送信息时间t3；步骤七：待同步节点接收信标节点发送的响应信息时记录本地时间，并利用基于多普勒原理的相对速度计算方法计算与信标节点之间的相对速度，最后通过收集的数据计算最终的时钟相位偏差。2.根据权利要求1所述的一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法，其特征在于：利用基于多普勒原理的相对速度计算方法计算待同步节点与信标节点之间的相对速度v满足下式： v c = T t p T r p - 1 ]]>其中，Ttp是发射数据帧长度，Trp是接收数据帧长度，c是声音在水下的传播速度。3.根据权利要求1所述的一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法，其特征在于：所述的时钟的频率偏斜计算过程为：建立待同步节点的时间与标准时间如下函数关系：T[i]＝θ*(t[i]+td[i])+β其中，i表示第i次信息的传播且i∈[2,n]，t[i]是信标节点第i次发送信息的时间，T[i]是待同步节点接收到第i次信息时的本地时间，td[i]是第i次信息的传播延迟，θ是时钟频率偏斜，β是时钟的初始相位偏差；建立信标节点和待同步节点之间的距离与节点的移动距离关系： D i = D i - 1 + ∫ T [ i - 1 ] T [ i ] v i d t ]]> t d [ i ] = D i v s ]]>其中，Di用第i-1次数据包的传播距离Di-1及T[i]与T[i-1]时间段内信标节点和待同步的距离变化值表示，vs代表水声的传播速度，vi表示接收到第i-1次信息时信标节点与待同步节点的相对速度；求得频率偏斜为： θ ^ = 1 n - 1 Σ i = 2 n θ i ]]>其中，T[i]-T[i-1]＝θ(Δtd[i]+Δt[i])。4.根据权利要求1所述的一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法，其特征在于：所述的时钟相位偏差的求取过程为：信标节点用B表示，待同步节点用O表示，用PO(T1)表示节点O在T1时刻的位置，PB(t2)表示节点B在t2时刻的位置，传播延迟是由于节点B和节点O之间的距离引起的，dOB(T1,t2)为节点O在T1时刻和节点B在t2时刻之间的距离，dOB(t3,T4)为节点B在t3时刻和节点O在T4时刻之间的距离，由此可以得： | | P O ( T 1 ) - P B ( t 2 ) | | v s = ...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晓宁，王卓，朱晓龙，张文，蔡绍滨，曲立平，孟宇龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23