一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法
技术领域
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] -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，
[0007]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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011]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;
[0012]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!^、信标节点 接收信息时间t4P发送信息时间t3;
[0013] 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。
[0014] 本发明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：
[0015] 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：
[0017]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。
[0018] 2、时钟的频率偏斜计算过程为：
[0019] 建立待同步节点的时间与标准时间如下函数关系：
[0020] T[ i] = 9*(t[ i]+td[i ] )+β
[0021] 其中，i表示第i次信息的传播且1￡[2，1!]，讣1]是信标节点第1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；
[0022] 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：
[0025]其中，Di用第i -1次数据包的传播距离[ i ]与Τ [ 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，Vl表示接收到第i-Ι次信息时信标节点与 待同步节点的相对速度；
[0026] 求得频率偏斜为：
[i]-T[i-l] = θ( Atd[i]+At[i])〇
[0029] 3、时钟相位偏差的求取过程为：
[0030] 信标节点用B表示，待同步节点用0表示，用Pom)表示节点0在1'1时刻的位置，Pb (t2)表示节点8在。时刻的位置，传播延迟是由于节点B和节点0之间的距离引起的，dcmm， t2)为节点0在1'1时刻和节点8在。时刻之间的距离，dQB(t 3，T4)为节点B在t3时刻和节点0在T4 时刻之间的距离，由此可以得：
[0033]根据两次信息传播过程中相对距离的变化关系得：
[0035] 其中，V1表示接收到应答信息时信标节点与待同步节点的相对速度；
[0036] 得到时钟相位偏差为：
[0038] 有益效果：
[0039] 本发明通过利用基于多普勒原理的相对速度计算方法在每次接收信息时计算出 节点之间的相对速度，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。本 发明针对水下传感器网络节点移动影响时间同步精度的问题，利用多普勒原理在每次接收 信标信息时计算出信标节点和待同步节点之间的相对速度，进而计算出信标节点和待同步 节点之间的距离变化，能比较准确计算出信息在传播过程中所花费的时间，更好的适应复 杂多变的水下环境。
【附图说明】
[0040] 图1多普勒辅助时间同步流程图。
[0041 ]图2接收方测量数据帧长度示意图。
[0042]图3计算频率偏斜时信标节点与待同步节点的信息交互关系图。
[0043]图4计算相位偏差时信标节点与待同步节点的信息交互关系图。
【具体实施方式】
[0044]下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0045] 本发明的目的在于提出一种多普勒辅助时间同步方法，针对水下传感器网络节点 移动影响时间同步精度的问题，利用多普勒原理在每次接收信标信息时计算出信标节点和 待同步节点之间的相对速度，进而计算出信标节点和待同步节点之间的距离变化，能比较 准确计算出信息在传播过程中所花费的时间，更好的适应复杂多变的水下环境。
[0046] 结合图1本发明的具体过程：
[0047] (1)信标节点不断广播信息数据包，数据包中包含着信标节点发送信息的时间。
[0048] (2)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，经过一次信息传播后待同步节点可以收集到的数据有信标节点发送的时间、普通 节点接收信息时的本地时间和信标节点与待同步节点之间的相对速度。
[0049] (3)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Ν(Ν的默认值 为25)则进入到下一步;若信息数目小于Ν，则返回上一步。
[0050] (4)待同步节点利用收集到的数据计算时钟的频率偏斜(clock skew)。
[0051] (5)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 含着信标节点发送信息的时间。
[0052] (6)信标节点收到待同步节点发送的信息后，随机等待一段时间给待同步节点发 送一个响应信息，信息中包含着待同步节点发送请求信息时间、信标节点接收信息和发送 信息时间。
[0053] (7)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。
[0054] 本发明公开了一种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法，属于水下无线传感 器网络技术领域。其特征在于:所述方法是在水下传感器网络中按以下步骤实现:1)计算时 钟频率偏斜(clock skew)阶段，AUV作为信标节点，并且定期发送参考报文，待同步节点接 收信标节点发送的信息时记录本地时间，利用多普勒原理计算出与信标节点之间的相对速 度，通过这些数据计算出时钟频率偏斜。2)计算时钟相位偏差(c 1 ock offset)阶段，待同步 节点计算出频率偏斜后，发送一个请求信息，信标节点收到信息后并发送应答信息，待同步 节点收到应答信息后，记录接收时间并利用多普勒原理计算出相对速度，根据收集的数据 计算时钟相位偏差(clock offset)。
[0055] -种多普勒辅助水下传感器网络时间同步方法：
[0056] (1)基于多普勒原理相对速度计算方法：
[0057] 在水下通信中，发送方和接收方之间的相对运动导致接收方在接收信息时数据帧 的长度发生变化，通过多普勒原理可以测得变后数据帧的长度，从而计算出发送方和接收 方之间的相对速度。
[0058] (2)计算时钟频率偏斜(clock skew)步骤：
[0059] 使用移动的AUV作为信标节点，AUV可以从GPS或北斗获得标准时间并且定期发送 参考信息，信息中包含信标节点发送信息时的时间。待同步节点接收信标节点发送的信息， 记录接收到信息时待同步节点的本地时间，并且利用（1)中方法计算出相对速度，待同步节 点接收到一定数量的信息后，可以求出时钟频率偏斜(clock skew)。
[0060] (3)计算时钟相位偏差(clock offset)步骤：
[0061 ]待同步节点计算出频率偏斜后，随机选择一个时间发送请求信息，信标节点收到 信息后，记录信息接收的时间，隔一段时间发送一个应答信息，应答信息包含了待同步节点 发送信息的时间和信标节点发送信息的时间，待同步节点收到应答信息后，记录接收时间 并且利用（1)中方法计算出相对速度，根据所收集的数据计算出时钟相位偏差（clock offset)〇
[0062] 采用AUV作为信标节点，并且利用多普勒原理计算出节点之间的相对速度，通过以 上这些措施提高时间同步的精度。
[0063] 本发明描述了一种多普勒辅助时间同步方法，该方法过程如下：
[0064] (1)如图3所示，信标节点不断广播信息数据包，数据包中包含着信标节点发送信 息的时间t。
[0065] (2)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T，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，经过一次信息传播后待同步节点可以收集到的数据有信标节点发送的时间t、普 通节点接收信息时的本地时间T和信标节点与待同步节点之间的相对速度V。
[0066]基于多普勒原理相对速度计算方法描述：
[0067]在水下环境中，由多普勒效应所形成的频率变化叫多普勒频移，它与相对速度成 正比，表达式为：
[0069] 其中，ftp是发射信号的频率，frp是接收信号的频率，v是接收方和发送方之间的相 对速度，c是声音在水下的传播速度。
[0070] 根据周期与频率的关系，公式(1)可化简为：
[0072] 其中，Ttp是发射数据帧长度，Trp是接收数据帧长度。
[0073]
，发射信息数据帧长度已知，只需要测量出接收信 息数据帧的长度后，即可求出A。为此接收端用一个与发射波形信号中已知波形相匹配的 滤波器来检测，接收信息经过匹配滤波器输出时会出现两个峰值，测量两个峰值之间的长 度就可得到Trp，接收方的测量示意图如图2所示。求出△后根据公式v= △ *c可以计算出相 对速度。
[0074] (3)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(N的默认值 为25)则进入到下一步;若信息数目小于N，则返回上一步。
[0075] (4)待同步节点利用收集到的数据计算时钟的频率偏斜(clock skew)，计算过程 如下：
[0076] 待同步节点的时间与标准时间存在如下函数关系：
[0077] T[i] = 9*(t[i]+td[i])+P (3)
[0078] 其中，i表示第i次信息的传播且1￡[2，1!]，讣1]是信标节点第1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。
[0079]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存在如下函数关系：
[0082]其中，Di用第i -1次数据包的传播距离[ i ]与Τ [ 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，Vl表示接收到第i-Ι次信息时信标节点与 待同步节点的相对速度。对上述公式进行变形可得：
[0086] 从公式(7)中可以得知每相邻两组数据可以求出一个Θ值，因此η(η>1)组数据能求 出n-1个值，最终的频率偏斜用求均值的方法得：
[0087] (5)图4表示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 息中包含信标节点发送信息的时间Tu
[0088] (6)信标节点收到待同步节点发送的信息后，随机等待一段时间给待同步节点发 送一个响应信息，信息中包含着待同步节点发送请求信息时间 Tl、信标节点接收信息时间t2 和发送信息时间t3。
[0089 ] (7)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T 4，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V1，最后通过收集的数据计 算时钟相位偏差，具体计算过程如下所示：
[0090]规定信标节点用Β表示，待同步节点用0表示，用Ρο(Τι)和Ρβ(?2)表示节点0和节点Β 分别在h时刻和t2时刻的位置，传播延迟是由于Β和0之间的距离引起的，定义(^⑴山)为 节点0在1' 1时刻和节点8在12时刻之间的距离，dQB(t3，T4)为节点B在t 3时刻和节点0在T4时刻 之间的距离，由此可以得到以下公式：
[0093]根据两次信息传播过程中相对距离的变化关系得：
[0095]其中，^表示接收到应答信息时信标节点与待同步节点的相对速度，对公式（10) 进行整理得：
[0097] 通过公式（11)求出最终的时钟相位偏差(clock offset)。
[0098] 经过上述几个步骤可以计算出时钟的频率偏斜和相位偏差，从而校准待同步节点 的时间。
[0099] 本发明在整个同步过程中利用AUV作为信标节点，在整个同步过程中利用基于多 普勒原理的方法估计节点之间的相对速度，由此能比较精确的得出信息在传播过程中所需 要的时间，对最终计算频率偏斜与相位偏差有很大的帮助。
【主权项】
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!^、信标节点接收 信息时间t#P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：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] = 0*(t[i]+td[i])+P 其中，i表示第i次信息的传播且1^[2，11]，矸1]是信标节点第1次发送信息的时间，了 [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：其中，D1用第i-Ι次数据包的传播距离Dh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，Vl表示接收到第i-Ι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： [i-lj = 9( AtdLiJ+AtLiJjo4.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0表示，用Po(T1)表示节点0在1'1时刻的位置，P B(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0之间的距离引起的，d〇B (Ti，t2)为节 点〇在1'1时刻和节点8在丨2时刻之间的距离，dQB(t3，T4)为节点B在t 3时刻和节点0在T4时刻之 丨、司白ABE亩ι±π?^πη;丨泡.根据两次信息传播过程中相对距离的变化关系得：其中，V1表示接收到应答信息时信标节点与待同步节点的相对速度； 得到时钟相位偏差为：
【文档编号】H04W56/00GK106028437SQ201610289417
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】冯晓宁, 王卓, 朱晓龙, 张文, 蔡绍滨, 曲立平, 孟宇龙
【申请人】哈尔滨工程大学