一种适应移动性的水声传感器网络时间同步方法
一种适应移动性的水声传感器网络时间同步方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声传感器网络的时间同步算法领域，其特征是能够较好的适应节点 固有的移动性，即采用多普勒频移估计节点间的相对移动速度时，考虑节点移动性及时钟 偏斜的影响，并通过建立数学模型来获取联合多普勒缩放因子与节点移动性多普勒缩放因 子及时钟偏斜多普勒缩放因子之间的关系，W获得节点间的准确相对移动速度，从而得到 节点间的相对移动距离及传播时延，提高节点间时间同步的精度。
【背景技术】
[0002] 水声传感器网络是由具有声学通信与计算能力的传感器节点构成的水下监测网 络系统，其部署在海洋等水下环境，在实现水下环境的污染监控，水下生物样本采集，自然 灾害预防，辅助导航等方面具备广阔的应用前景。时间同步作为水声传感器网络的重要基 础和支撑技术，对水声传感器网络的设计和应用至关重要。
[0003] 水声传感器网络中，时间同步算法的基础为节点间的同步过程，而计算并补偿节 点间的传播时延为同步过程中最为重要的环节。目前已有的时间同步算法忽略了水声传感 器网络节点固有的移动性（如图1所示），其假设传播时延的对称性（即Ti[i] = T2[i])， 使用往返时延的一半来表示传播时延（如图2所示）。送种假设在节点保持相对静止场景， 既简单又有效，然而在实际的水声传感器网络中，传播时延的对称性会被节点固有的移动 性所破坏。
[0004] 由于水声传感器网络的传感器节点间的距离较远及传播时延较大，再考虑回复报 文的准备时间，MC层等待及接入时间，物理层收发转换时间，节点接收处理时间，节点间报 文交互时间等（即T4[i]-t2[i]，如图2所示），在此时间段内节点间的相对距离可变化几米 甚至几十米，导致计算结果出现几毫砂甚至十几毫砂的误差，其必须得到补偿。
[0005] 节点间的相对移动将产生多普勒频移，而多普勒频移可通过物理层测量获得，贝U 可采用多普勒频移来计算节点间的相对移动速度，进而推算相对移动距离及传播时延，提 高时间同步的精度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的：
[0007] 水声传感器网络中，节点间的相对移动会产生多普勒频移，且其能够通过物理层 测量获得。采用多普勒频移计算节点间的相对移动速度，进而推算相对移动距离及传播时 延，能够有效地提高时间同步的精度。
[0008] 本发明通过分析多普勒频移、节点间的相对移动速度及时钟偏斜之间的关系，优 化计算传播时延的方法W提高时间同步的精度。
[0009] 本发明的技术方案：
[0010] 节点间的时间同步通过计算传播时延来获得，只要能够获得节点间传播时延的变 化，就可实现准确时间同步。节点间传播时延的变化源于参考报文交互过程中节点相对移 动了一定的距离，该距离可通过相对移动速度计算出，而相对移动速度则可通过测量多普 勒频移来估算，因此只要能获得多普勒频移即可精确地计算传播时延，进而实现精确的时 间同步。实际上接收节点处估算的多普勒频移是节点间相对移动和时钟偏斜共同作用的结 果，为了能够准确获得节点间的相对移动速度，需提取出由于节点间移动导致的多普勒频 移（如图3所示）。
[0011] 本发明提出了节点间的多普勒频移是由节点间的相对移动和时钟偏斜共同造成， 采用多普勒频移估计节点间的相对移动速度时需考虑时钟偏差影响的设计思想，并给出一 种通过建立数学模型来获取联合多普勒效应缩放因子与节点移动性多普勒缩放因子及时 钟偏斜多普勒缩放因子之间的关系，进而估计节点间的相对移动速度的方案。
[0012] 本发明的有益效果：
[0013] 1)时钟偏斜及节点间的相对移动共同影响节点间的多普勒频移。本发明提出了多 普勒频移是由节点间的相对移动和时钟偏斜共同影响的设计思想，剔除时钟偏斜影响，能 够准确计算出节点间相对移动速度，进而有效地提高时间同步的精度。
[0014] 2)建立数学模型区分节点间的相对移动及时钟偏斜对多普勒频移的影响。本发明 通过建立数学模型来获取联合多普勒效应缩放因子与节点移动性多普勒缩放因子及时钟 偏斜多普勒缩放因子之间的关系，进而估计节点间的相对移动速度，能够有效地提高时间 同步的精度。
【附图说明】
[0015] 图1节点间相对运动轨迹示意图
[0016] 图2时间数据采集示意图
[0017] 图3节点间的相对移动及时钟偏斜影响时间同步流程图
[0018] 图1中，101为一般节点运行轨迹，102为参考节点运行轨迹，103为参考报文。
[0019] 图2中，201为一般节点，202为参考节点，203为时间轴。
【具体实施方式】
[0020] 下面给出一种通过建立数学模型来获取联合多普勒效应缩放因子与节点移动性 多普勒缩放因子及时钟偏斜多普勒缩放因子之间的关系，进而估计节点间的相对移动速度 的方案。
[0021] 本发明不仅限于该数学模型方案，凡是在进行水声传感器网络的时间同步研究 时，利用本发明的设计思想，即考虑了时钟偏斜对采用多普勒频移估计节点间的相对移动 速度的影响，均在本发明的保护范围之内。
【具体实施方式】 [0022] 描述如下：
[002引定义V是节点A对节点B的相对移动速度，水声环境中，节点间信号传输一般为多 径传播，假设对于第m条路径，由于节点间的相对移动导致的多普勒缩放因子为，
[0024] a" = v/c (1-1)
[0025] 其中，c为声音的传播速度。
[0026] 考虑在接收节点B处收到的信号是由沿着多条物理路径到达的信号之和，则可得 到接收节点B处的信号波形表达式为，
[0027]
(1-2)
[0028] 其中Np表示物理路径的数量，Ap表示信号幅度，τ p表示路径的时延。
[0029] 假设采样频率fg固定，则输入波形可被离散化为公式（1-3)，
[0030]
(1-3)
[0031] 对于从节点A处到节点B处的参考报文，假设时钟偏斜为Θ，则接收点B处的采样 频率为0fs，波形可离散表示为，
[0034] 接收节点A处测量到的联合多普勒缩放因子是节点间的移动性和时钟偏斜共同 作用的结果，对于从节点B到节点A的参考报文，在节点A处的波形为
[0036] 令（1+ α m)日=1+ α BA,则 α Π1 二（1+ α BA) / 日 _1。[0037] 从公式（1-4)及公式（1-5)能够计算出节点间的相对移动速度为， (1-5)
[0035]
[0038]
(1-6)
[0039] 根据本发明提供的上述多普勒频移所估算的相对移动速度能够计算出节点间的 相对移动距离及传播时延，进而实现节点间的精确时间同步。
【主权项】
1. 一种适应移动性的水声传感器网络时间同步方法，其特征在于：基于多普勒频移估 计节点间相对移动速度时，区分节点相对移动性及时钟偏斜的影响，以获得节点间的精确 移动速度，进而得到节点间的相对移动距离及传播时延，实现节点间的精确时间同步。2. 如权利要求1所述的适应移动性的水声传感器网络时间同步方法，本发明通过建立 数学模型来获取联合多普勒缩放因子与单个节点移动性多普勒缩放因子及时钟偏斜多普 勒缩放因子之间的关系，以区分节点相对移动性及时钟偏斜，进而获得节点间的精确移动 速度、节点间的相对移动距离及传播时间，实现节点间的精确时间同步。
【专利摘要】本发明公开了一种适应移动性的水声传感器网络时间同步方法。本发明属于水声传感器网络的时间同步算法领域，其特征是能够较好的适应节点固有的移动性，即采用多普勒频移估计节点间的相对移动速度时，考虑节点的移动性及时钟偏斜的影响，并通过建立数学模型来获取联合多普勒缩放因子与节点移动性多普勒缩放因子及时钟偏斜多普勒缩放因子之间的关系，以获得节点间的准确相对移动速度，从而得到节点间的相对移动距离及传播时延，提高节点间时间同步的精度。
【IPC分类】H04W84/18, H04L7/00, H04B13/02, H04J3/06
【公开号】CN105490755
【申请号】CN201410553082
【发明人】刘军, 韩计海
【申请人】宁波中国科学院信息技术应用研究院, 宁波中科集成电路设计中心有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年10月10日
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声传感器网络的时间同步算法领域，其特征是能够较好的适应节点 固有的移动性，即采用多普勒频移估计节点间的相对移动速度时，考虑节点移动性及时钟 偏斜的影响，并通过建立数学模型来获取联合多普勒缩放因子与节点移动性多普勒缩放因 子及时钟偏斜多普勒缩放因子之间的关系，W获得节点间的准确相对移动速度，从而得到 节点间的相对移动距离及传播时延，提高节点间时间同步的精度。
【背景技术】
[0002] 水声传感器网络是由具有声学通信与计算能力的传感器节点构成的水下监测网 络系统，其部署在海洋等水下环境，在实现水下环境的污染监控，水下生物样本采集，自然 灾害预防，辅助导航等方面具备广阔的应用前景。时间同步作为水声传感器网络的重要基 础和支撑技术，对水声传感器网络的设计和应用至关重要。
[0003] 水声传感器网络中，时间同步算法的基础为节点间的同步过程，而计算并补偿节 点间的传播时延为同步过程中最为重要的环节。目前已有的时间同步算法忽略了水声传感 器网络节点固有的移动性（如图1所示），其假设传播时延的对称性（即Ti[i] = T2[i])， 使用往返时延的一半来表示传播时延（如图2所示）。送种假设在节点保持相对静止场景， 既简单又有效，然而在实际的水声传感器网络中，传播时延的对称性会被节点固有的移动 性所破坏。
[0004] 由于水声传感器网络的传感器节点间的距离较远及传播时延较大，再考虑回复报 文的准备时间，MC层等待及接入时间，物理层收发转换时间，节点接收处理时间，节点间报 文交互时间等（即T4[i]-t2[i]，如图2所示），在此时间段内节点间的相对距离可变化几米 甚至几十米，导致计算结果出现几毫砂甚至十几毫砂的误差，其必须得到补偿。
[0005] 节点间的相对移动将产生多普勒频移，而多普勒频移可通过物理层测量获得，贝U 可采用多普勒频移来计算节点间的相对移动速度，进而推算相对移动距离及传播时延，提 高时间同步的精度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的：
[0007] 水声传感器网络中，节点间的相对移动会产生多普勒频移，且其能够通过物理层 测量获得。采用多普勒频移计算节点间的相对移动速度，进而推算相对移动距离及传播时 延，能够有效地提高时间同步的精度。
[0008] 本发明通过分析多普勒频移、节点间的相对移动速度及时钟偏斜之间的关系，优 化计算传播时延的方法W提高时间同步的精度。
[0009] 本发明的技术方案：
[0010] 节点间的时间同步通过计算传播时延来获得，只要能够获得节点间传播时延的变 化，就可实现准确时间同步。节点间传播时延的变化源于参考报文交互过程中节点相对移 动了一定的距离，该距离可通过相对移动速度计算出，而相对移动速度则可通过测量多普 勒频移来估算，因此只要能获得多普勒频移即可精确地计算传播时延，进而实现精确的时 间同步。实际上接收节点处估算的多普勒频移是节点间相对移动和时钟偏斜共同作用的结 果，为了能够准确获得节点间的相对移动速度，需提取出由于节点间移动导致的多普勒频 移（如图3所示）。
[0011] 本发明提出了节点间的多普勒频移是由节点间的相对移动和时钟偏斜共同造成， 采用多普勒频移估计节点间的相对移动速度时需考虑时钟偏差影响的设计思想，并给出一 种通过建立数学模型来获取联合多普勒效应缩放因子与节点移动性多普勒缩放因子及时 钟偏斜多普勒缩放因子之间的关系，进而估计节点间的相对移动速度的方案。
[0012] 本发明的有益效果：
[0013] 1)时钟偏斜及节点间的相对移动共同影响节点间的多普勒频移。本发明提出了多 普勒频移是由节点间的相对移动和时钟偏斜共同影响的设计思想，剔除时钟偏斜影响，能 够准确计算出节点间相对移动速度，进而有效地提高时间同步的精度。
[0014] 2)建立数学模型区分节点间的相对移动及时钟偏斜对多普勒频移的影响。本发明 通过建立数学模型来获取联合多普勒效应缩放因子与节点移动性多普勒缩放因子及时钟 偏斜多普勒缩放因子之间的关系，进而估计节点间的相对移动速度，能够有效地提高时间 同步的精度。
【附图说明】
[0015] 图1节点间相对运动轨迹示意图
[0016] 图2时间数据采集示意图
[0017] 图3节点间的相对移动及时钟偏斜影响时间同步流程图
[0018] 图1中，101为一般节点运行轨迹，102为参考节点运行轨迹，103为参考报文。
[0019] 图2中，201为一般节点，202为参考节点，203为时间轴。
【具体实施方式】
[0020] 下面给出一种通过建立数学模型来获取联合多普勒效应缩放因子与节点移动性 多普勒缩放因子及时钟偏斜多普勒缩放因子之间的关系，进而估计节点间的相对移动速度 的方案。
[0021] 本发明不仅限于该数学模型方案，凡是在进行水声传感器网络的时间同步研究 时，利用本发明的设计思想，即考虑了时钟偏斜对采用多普勒频移估计节点间的相对移动 速度的影响，均在本发明的保护范围之内。
【具体实施方式】 [0022] 描述如下：
[002引定义V是节点A对节点B的相对移动速度，水声环境中，节点间信号传输一般为多 径传播，假设对于第m条路径，由于节点间的相对移动导致的多普勒缩放因子为，
[0024] a" = v/c (1-1)
[0025] 其中，c为声音的传播速度。
[0026] 考虑在接收节点B处收到的信号是由沿着多条物理路径到达的信号之和，则可得 到接收节点B处的信号波形表达式为，
[0027]
(1-2)
[0028] 其中Np表示物理路径的数量，Ap表示信号幅度，τ p表示路径的时延。
[0029] 假设采样频率fg固定，则输入波形可被离散化为公式（1-3)，
[0030]
(1-3)
[0031] 对于从节点A处到节点B处的参考报文，假设时钟偏斜为Θ，则接收点B处的采样 频率为0fs，波形可离散表示为，
[0034] 接收节点A处测量到的联合多普勒缩放因子是节点间的移动性和时钟偏斜共同 作用的结果，对于从节点B到节点A的参考报文，在节点A处的波形为
[0036] 令（1+ α m)日=1+ α BA,则 α Π1 二（1+ α BA) / 日 _1。[0037] 从公式（1-4)及公式（1-5)能够计算出节点间的相对移动速度为， (1-5)
[0035]
[0038]
(1-6)
[0039] 根据本发明提供的上述多普勒频移所估算的相对移动速度能够计算出节点间的 相对移动距离及传播时延，进而实现节点间的精确时间同步。
【主权项】
1. 一种适应移动性的水声传感器网络时间同步方法，其特征在于：基于多普勒频移估 计节点间相对移动速度时，区分节点相对移动性及时钟偏斜的影响，以获得节点间的精确 移动速度，进而得到节点间的相对移动距离及传播时延，实现节点间的精确时间同步。2. 如权利要求1所述的适应移动性的水声传感器网络时间同步方法，本发明通过建立 数学模型来获取联合多普勒缩放因子与单个节点移动性多普勒缩放因子及时钟偏斜多普 勒缩放因子之间的关系，以区分节点相对移动性及时钟偏斜，进而获得节点间的精确移动 速度、节点间的相对移动距离及传播时间，实现节点间的精确时间同步。
【专利摘要】本发明公开了一种适应移动性的水声传感器网络时间同步方法。本发明属于水声传感器网络的时间同步算法领域，其特征是能够较好的适应节点固有的移动性，即采用多普勒频移估计节点间的相对移动速度时，考虑节点的移动性及时钟偏斜的影响，并通过建立数学模型来获取联合多普勒缩放因子与节点移动性多普勒缩放因子及时钟偏斜多普勒缩放因子之间的关系，以获得节点间的准确相对移动速度，从而得到节点间的相对移动距离及传播时延，提高节点间时间同步的精度。
【IPC分类】H04W84/18, H04L7/00, H04B13/02, H04J3/06
【公开号】CN105490755
【申请号】CN201410553082
【发明人】刘军, 韩计海
【申请人】宁波中国科学院信息技术应用研究院, 宁波中科集成电路设计中心有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年10月10日
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