一種適應(yīng)移動(dòng)性的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法領(lǐng)域，其特征是能夠較好的適應(yīng)節(jié)點(diǎn) 固有的移動(dòng)性，即采用多普勒頻移估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度時(shí)，考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性及時(shí)鐘 偏斜的影響，并通過建立數(shù)學(xué)模型來獲取聯(lián)合多普勒縮放因子與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性多普勒縮放因 子及時(shí)鐘偏斜多普勒縮放因子之間的關(guān)系，W獲得節(jié)點(diǎn)間的準(zhǔn)確相對移動(dòng)速度，從而得到 節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)距離及傳播時(shí)延，提高節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的精度。
【背景技術(shù)】
[0002] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有聲學(xué)通信與計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的水下監(jiān)測網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)，其部署在海洋等水下環(huán)境，在實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境的污染監(jiān)控，水下生物樣本采集，自然 災(zāi)害預(yù)防，輔助導(dǎo)航等方面具備廣闊的應(yīng)用前景。時(shí)間同步作為水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要基 礎(chǔ)和支撐技術(shù)，對水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用至關(guān)重要。
[0003] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間同步算法的基礎(chǔ)為節(jié)點(diǎn)間的同步過程，而計(jì)算并補(bǔ)償節(jié) 點(diǎn)間的傳播時(shí)延為同步過程中最為重要的環(huán)節(jié)。目前已有的時(shí)間同步算法忽略了水聲傳感 器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)固有的移動(dòng)性（如圖1所示），其假設(shè)傳播時(shí)延的對稱性（即Ti[i] = T2[i])， 使用往返時(shí)延的一半來表示傳播時(shí)延（如圖2所示）。送種假設(shè)在節(jié)點(diǎn)保持相對靜止場景， 既簡單又有效，然而在實(shí)際的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳播時(shí)延的對稱性會(huì)被節(jié)點(diǎn)固有的移動(dòng) 性所破壞。
[0004] 由于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離較遠(yuǎn)及傳播時(shí)延較大，再考慮回復(fù)報(bào) 文的準(zhǔn)備時(shí)間，MC層等待及接入時(shí)間，物理層收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間，節(jié)點(diǎn)接收處理時(shí)間，節(jié)點(diǎn)間報(bào) 文交互時(shí)間等（即T4[i]-t2[i]，如圖2所示），在此時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的相對距離可變化幾米 甚至幾十米，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)幾毫砂甚至十幾毫砂的誤差，其必須得到補(bǔ)償。
[0005] 節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)將產(chǎn)生多普勒頻移，而多普勒頻移可通過物理層測量獲得，貝U 可采用多普勒頻移來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度，進(jìn)而推算相對移動(dòng)距離及傳播時(shí)延，提 高時(shí)間同步的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的：
[0007] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，且其能夠通過物理層 測量獲得。采用多普勒頻移計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度，進(jìn)而推算相對移動(dòng)距離及傳播時(shí) 延，能夠有效地提高時(shí)間同步的精度。
[0008] 本發(fā)明通過分析多普勒頻移、節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度及時(shí)鐘偏斜之間的關(guān)系，優(yōu) 化計(jì)算傳播時(shí)延的方法W提高時(shí)間同步的精度。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0010] 節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步通過計(jì)算傳播時(shí)延來獲得，只要能夠獲得節(jié)點(diǎn)間傳播時(shí)延的變 化，就可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確時(shí)間同步。節(jié)點(diǎn)間傳播時(shí)延的變化源于參考報(bào)文交互過程中節(jié)點(diǎn)相對移 動(dòng)了一定的距離，該距離可通過相對移動(dòng)速度計(jì)算出，而相對移動(dòng)速度則可通過測量多普 勒頻移來估算，因此只要能獲得多普勒頻移即可精確地計(jì)算傳播時(shí)延，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的時(shí) 間同步。實(shí)際上接收節(jié)點(diǎn)處估算的多普勒頻移是節(jié)點(diǎn)間相對移動(dòng)和時(shí)鐘偏斜共同作用的結(jié) 果，為了能夠準(zhǔn)確獲得節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度，需提取出由于節(jié)點(diǎn)間移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒頻 移（如圖3所示）。
[0011] 本發(fā)明提出了節(jié)點(diǎn)間的多普勒頻移是由節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)和時(shí)鐘偏斜共同造成， 采用多普勒頻移估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度時(shí)需考慮時(shí)鐘偏差影響的設(shè)計(jì)思想，并給出一 種通過建立數(shù)學(xué)模型來獲取聯(lián)合多普勒效應(yīng)縮放因子與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性多普勒縮放因子及時(shí) 鐘偏斜多普勒縮放因子之間的關(guān)系，進(jìn)而估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度的方案。
[0012] 本發(fā)明的有益效果：
[0013] 1)時(shí)鐘偏斜及節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)共同影響節(jié)點(diǎn)間的多普勒頻移。本發(fā)明提出了多 普勒頻移是由節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)和時(shí)鐘偏斜共同影響的設(shè)計(jì)思想，剔除時(shí)鐘偏斜影響，能 夠準(zhǔn)確計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間相對移動(dòng)速度，進(jìn)而有效地提高時(shí)間同步的精度。
[0014] 2)建立數(shù)學(xué)模型區(qū)分節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)及時(shí)鐘偏斜對多普勒頻移的影響。本發(fā)明 通過建立數(shù)學(xué)模型來獲取聯(lián)合多普勒效應(yīng)縮放因子與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性多普勒縮放因子及時(shí)鐘 偏斜多普勒縮放因子之間的關(guān)系，進(jìn)而估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度，能夠有效地提高時(shí)間 同步的精度。
【附圖說明】
[0015] 圖1節(jié)點(diǎn)間相對運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖
[0016] 圖2時(shí)間數(shù)據(jù)采集示意圖
[0017] 圖3節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)及時(shí)鐘偏斜影響時(shí)間同步流程圖
[0018] 圖1中，101為一般節(jié)點(diǎn)運(yùn)行軌跡，102為參考節(jié)點(diǎn)運(yùn)行軌跡，103為參考報(bào)文。
[0019] 圖2中，201為一般節(jié)點(diǎn)，202為參考節(jié)點(diǎn)，203為時(shí)間軸。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面給出一種通過建立數(shù)學(xué)模型來獲取聯(lián)合多普勒效應(yīng)縮放因子與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性 多普勒縮放因子及時(shí)鐘偏斜多普勒縮放因子之間的關(guān)系，進(jìn)而估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度 的方案。
[0021] 本發(fā)明不僅限于該數(shù)學(xué)模型方案，凡是在進(jìn)行水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步研究 時(shí)，利用本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想，即考慮了時(shí)鐘偏斜對采用多普勒頻移估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng) 速度的影響，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【具體實(shí)施方式】 [0022] 描述如下：
[002引定義V是節(jié)點(diǎn)A對節(jié)點(diǎn)B的相對移動(dòng)速度，水聲環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)間信號(hào)傳輸一般為多 徑傳播，假設(shè)對于第m條路徑，由于節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒縮放因子為，
[0024] a" = v/c (1-1)
[0025] 其中，c為聲音的傳播速度。
[0026] 考慮在接收節(jié)點(diǎn)B處收到的信號(hào)是由沿著多條物理路徑到達(dá)的信號(hào)之和，則可得 到接收節(jié)點(diǎn)B處的信號(hào)波形表達(dá)式為，
[0027]
(1-2)
[0028] 其中Np表示物理路徑的數(shù)量，Ap表示信號(hào)幅度，τ p表示路徑的時(shí)延。
[0029] 假設(shè)采樣頻率fg固定，則輸入波形可被離散化為公式（1-3)，
[0030]
(1-3)
[0031] 對于從節(jié)點(diǎn)A處到節(jié)點(diǎn)B處的參考報(bào)文，假設(shè)時(shí)鐘偏斜為Θ，則接收點(diǎn)B處的采樣 頻率為0fs，波形可離散表示為，
[0034] 接收節(jié)點(diǎn)A處測量到的聯(lián)合多普勒縮放因子是節(jié)點(diǎn)間的移動(dòng)性和時(shí)鐘偏斜共同 作用的結(jié)果，對于從節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)A的參考報(bào)文，在節(jié)點(diǎn)A處的波形為
[0036] 令（1+ α m)日=1+ α BA,則 α Π1 二（1+ α BA) / 日 _1。[0037] 從公式（1-4)及公式（1-5)能夠計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度為， (1-5)
[0035]
[0038]
(1-6)
[0039] 根據(jù)本發(fā)明提供的上述多普勒頻移所估算的相對移動(dòng)速度能夠計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的 相對移動(dòng)距離及傳播時(shí)延，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的精確時(shí)間同步。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適應(yīng)移動(dòng)性的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于：基于多普勒頻移估 計(jì)節(jié)點(diǎn)間相對移動(dòng)速度時(shí)，區(qū)分節(jié)點(diǎn)相對移動(dòng)性及時(shí)鐘偏斜的影響，以獲得節(jié)點(diǎn)間的精確 移動(dòng)速度，進(jìn)而得到節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)距離及傳播時(shí)延，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的精確時(shí)間同步。2. 如權(quán)利要求1所述的適應(yīng)移動(dòng)性的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，本發(fā)明通過建立 數(shù)學(xué)模型來獲取聯(lián)合多普勒縮放因子與單個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性多普勒縮放因子及時(shí)鐘偏斜多普 勒縮放因子之間的關(guān)系，以區(qū)分節(jié)點(diǎn)相對移動(dòng)性及時(shí)鐘偏斜，進(jìn)而獲得節(jié)點(diǎn)間的精確移動(dòng) 速度、節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)距離及傳播時(shí)間，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的精確時(shí)間同步。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適應(yīng)移動(dòng)性的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法。本發(fā)明屬于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法領(lǐng)域，其特征是能夠較好的適應(yīng)節(jié)點(diǎn)固有的移動(dòng)性，即采用多普勒頻移估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)速度時(shí)，考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性及時(shí)鐘偏斜的影響，并通過建立數(shù)學(xué)模型來獲取聯(lián)合多普勒縮放因子與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性多普勒縮放因子及時(shí)鐘偏斜多普勒縮放因子之間的關(guān)系，以獲得節(jié)點(diǎn)間的準(zhǔn)確相對移動(dòng)速度，從而得到節(jié)點(diǎn)間的相對移動(dòng)距離及傳播時(shí)延，提高節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的精度。
【IPC分類】H04W84/18, H04L7/00, H04B13/02, H04J3/06
【公開號(hào)】CN105490755
【申請?zhí)枴緾N201410553082
【發(fā)明人】劉軍, 韓計(jì)海
【申請人】寧波中國科學(xué)院信息技術(shù)應(yīng)用研究院, 寧波中科集成電路設(shè)計(jì)中心有限公司
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2014年10月10日