[发明专利]基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及水声网络领域，具体地说，本发明涉及一种基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步方法。

背景技术

海洋占据了地球表面70%以上的面积，平均深度达4km，蕴藏着丰富的油气、动力矿产等资源。同时，海洋是全球运输的主要通道，是全球环境的调节器，也是多种自然灾害的发源地和发生地。因此，海洋是维持人类社会可持续发展的重要战略空间，对人类的发展和社会进步起到重要作用。各海洋国家都相继投入了大量的财力开展对海洋的观测和开发，以期在海洋资源控制中占领主动地位。

相比较于空气中无线通信环境，水声信道是一个时变的时延和多普勒双扩散信道，信道条件非常恶劣。水中的声速一般在1500m/s左右，与无线电波的传播速度3.0×10⁸m/s相比差了5个数量级。此外，声速还受温度、盐度和压力等多方面因素的影响，并且与载体的运动速度、水面的起伏速度等可比拟，因此多途效应、多普勒频移和信道的时变性更加明显且复杂。水声通信的恶劣环境和节点功能的限制影响到水声网络协议的设计，并且需要根据不同的应用场景开发更加优化的网络协议。

水声通信网的基本拓扑结构有集中式、分布式。集中式属于主从式结构，分布式属于对等式结构。

如图1所示，在集中式网络中，所有的网络节点通过一个中心节点进行通信，这一中心节点被称为主节点，有时也被称为网络的集线器，网络中的其余节点则被称为从节点。这种拓扑结构适合于深海水声网络。在采用集中式拓扑结构的深海水声网络中，将带有水声通信机和射频通信机的水面浮标作为中心节点，由该节点与其他水下节点进行通信。此类拓扑结构的主要优点是：结构简单，便于维护，易于优化；主要缺点是：对中心节点依赖性过大，如果中心节点出现故障，整个网络将陷入瘫痪。此外，由于单个通信机的传输距离有限，网络不能大面积覆盖。

分布式拓扑结构，又成为全连接对等拓扑，是指网络中的每一个节点都可以直接与其他任何一个节点进行通信，如图2所示。这种拓扑结构的优点是采用分散控制，局部故障不会影响整个网络的运行，具有很高的可靠性；节点间两两可通，不需要路由选择，网络延迟也较小。缺点在于，与远距离节点进行通信时需要很大的功率；此外，近距离处的相邻节点将对正在与远距离节点通信的节点造成“远近效应”问题。和集中式拓扑一样，这种网络也会受到单个通信机传输距离限制，不能大面积覆盖。

鉴于集中式拓扑结构的特点，本申请中所涉及的水下通信网络采用集中式拓扑结构。

在水声通信网络中，节点之间的同步是网络能够正常工作的前提，在现有技术中，节点同步主要通过节点间的信息交互实现，即计算出一对节点间的传播延时，从而对节点进行同步。

下面结合图3，对现有技术中的节点同步方法进行描述。

节点A在t_s时刻，发送路由广播分组给节点B。节点B接收到路由广播分组后经过一段处理时间t₀后向节点A发送路由回复分组，路由回复分组中记录了节点B的处理时间t₀，即应答延时。节点A在时刻t_r收到路由回复分组。假设路由广播分组、路由回复分组传播时间相等，可以计算出A、B之间的传播延时为：

τ_AB＝(t_r-t_s-t₀)/2

在计算出A、B间的传播延时后，结合节点自身的时钟就可以实现节点A、B的同步。

现有技术中的上述同步方法在集中式水下通信网中的中心节点发送路由广播分组后，多个普通节点可能同时回复路由回复分组，路由回复分组在中心节点处容易发生碰撞，从而导致中心节点与发生碰撞的普通节点不能同步。并且，此同步方法采用节点广播分组实现，分组在物理层以数据的形式发送接收，需要调制和解调，消耗节点的能量较多，同时不易准确地估计接收节点B的处理时间t₀，导致同步的误差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的水下通信网的节点同步方法容易发生碰撞，影响同步效果的缺陷，从而提供准确、高效的水下通信网的同步方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步方法，所述集中式拓扑结构的水下通信网包括中心节点以及通过所述中心节点通信的普通节点，该方法包括：

步骤1）、所述中心节点发送同步信号，并记录所述同步信号的发送时间；