【技术实现步骤摘要】
一种随机部署水下无线传感网络的时间同步方法及系统
[0001]本专利技术涉及水声通信领域,特别涉及一种随机部署水下无线传感网络的时间同步方法及系统。
技术介绍
[0002]水下传感器网络(Underwater Wireless Sensor Network,UWSN)协同工作的前提条件是各节点拥有共同的时间基准。然而,各节点时钟的初始读数设置存在误差,时钟频率也会略有不同。受老化、压强、温度等因素的影响,时钟晶振的振动频率也随时间发生漂移。因此,时钟的不稳定性要求网络中的节点要进行定期的时间同步。时间同步技术通过读取节点时钟读数,并将其传播给其他节点,实现节点之间的时间信息交换,进而估计、校准各节点的时钟参数,使得各节点的时钟读数尽可能保持一致。对于UWSN,时钟读数信息的传递延迟高、即时性差,节点不能直接根据收到的时钟读数来校准自身时钟,因此时间同步技术难度高。此外,水下施工、维护难度大,节点在水下难以更换电池或充电,导致其能源受限。
[0003]经典的时间同步方案共有三种:接收端
‑
接收端同步(Receiver
‑
Receiver Synchronization,RRS)、发送端
‑
接收端同步(Sender
‑
Receiver Synchronization,SRS)和仅接收端同步(Receiver
‑
Only Synchronization,ROS)。大多数现有的时间同步方法都是在这三种时间同步方案的基础上,进一步 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种随机部署水下无线传感网络的时间同步方法,所述方法包括:设计交替广播时间同步ABS方法,并采用该方法通过随机部署水下无线传感网络的各节点轮流以广播的方式向其他节点发送时钟读数信息;针对交替广播时间同步ABS方法,建立其时间信息交换的数学模型;该数学模型将各节点信息传播时延建模为传播时延与随机时延的叠加,其中传播时延是非随机的未知参数且各节点之间的传播时延不同,随机时延为服从指数分布的随机变量;根据数学模型进行时钟参数的最优线性无偏估计,实现各节点每一轮广播时间同步。2.根据权利要求1所述的随机部署水下无线传感网络的时间同步方法,其特征在于,所述交替广播时间同步ABS方法,包括:节点0~M轮流广播N次时钟读数信息,其中节点0为拥有标准时钟的参考节点,节点1至M为待同步节点,第i轮广播过程具体包括:步骤1)节点0广播当下的标准时钟读数以及在第i
‑
1轮产生的未广播的时钟读数
……
和步骤2)节点1至M收到节点0的广播之后,分别记录下此时本地时钟的时钟读数,对于节点m∈{1,2,
…
,M},,其时钟读数记为步骤3)节点1至M按照时间顺序依次广播时间信息,对于节点m∈{1,2,
…
,M},,所广播的时间信息包含此时本地时钟的时钟读数之前记录的第i轮产生的未广播的时钟读数
……
和以及第i
‑
1轮产生的未广播的时钟读数
……
和步骤4)节点0和节点1至M中的非广播节点在接收到节点m的广播时,分别基于各自本地时钟记录下此时的时钟读数,各节点读数依次记为时钟记录下此时的时钟读数,各节点读数依次记为步骤5)重复步骤3)
‑
步骤4)至M个节点均完成广播,实现时间同步过程,并进入下一轮广播。3.根据权利要求2所述的随机部署水下无线传感网络的时间同步方法,其特征在于,所述步骤2)中,第i轮广播中节点m接收到节点0的广播信息时,本地时钟读数与广播信息中包含时钟读数之差计算式为:其中i从1到N遍历;φ
m
为节点m的时钟偏差;d
(0,m)
、d
(0,2)
和d
(1,2)
表示第m个节点与参考节点之间的传播时延;为独立同分布于指数分布的随机时延,其均值λ是未知的。4.根据权利要求3所述的随机部署水下无线传感网络的时间同步方法,其特征在于,所述步骤3)和步骤4)中,第i轮广播中节点l接收到节点j的广播信息时,本地时钟读数与广播信息中包含的时钟读数之差计算式为:
其中φ0表示参考节点的时钟偏差,即两个节点间的传播时延认为与信息传播方向无关,即d
(j,l)
=d
(l,j)
。5.根据权利要求1
‑
4之一所述的随机部署水下无线传感网络的时间同步方法,其特征在于,所述交替广播时间同步ABS方法中,网络中各节点要求满足条件:每个节点均在其他节点的广播范围内;对于不满足该条件的网络,先通过分簇的方式推广至全网时间同步,使得簇内的节点保证相互的广播覆盖,然后各簇按照簇内的节点数目实施交替广播时间同步ABS方法实现全网时间同步。6.根据权利要求5所述的随机部署水下无线传感网络的时间同步方法,其特征在于,所述根据数学模型进行时钟参数的最优线性无偏估计,具体包括:步骤1.梳理数学模型中的未知参数,形成未知参数向量,具体包括:对于M个待同步节点的情况,未知参数Φ为和λ构成的维向量,即:步骤2.将时钟读数之差表示为顺序统计量的形式:N轮广播中,节点l接收到节点j的广播信息时的本地时钟读数与节点j所广播时钟读数之差为如下向量形式:则N轮广播中产生的所有时钟读数差数据为如下向量形式:式中,表示由M(M+1)个不同的二元有序数对(i,j)
M
作为分量的有序组,其表达式为:即对中任意两个不同的二元有序数对(x,y)
M
和(k,l)
M
,若x<k,或者x=k且y<l,则(x,y)
M
对应的分量序号小于(k,l)
M
对应的分量序号;表示的第n个分量;步骤3.计算第i轮广播时钟读数差向量的期望E[s]:其中,Q由M(M+1)个子矩阵构成;构成;其中,表示由个不...
【专利技术属性】
技术研发人员:毛琳琳,鄢社锋,
申请(专利权)人:中国科学院声学研究所,
类型:发明
国别省市:
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