[发明专利]基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信领域，具体涉及基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法。

背景技术

在水下传感器网络中，节点间的同步性能是影响网络效能以及保证数据同步传输的一个重要因素。在基于传感器网络的目标探测应用场合中，一方面，将不同网络中不同传感器节点感知到的数据或结果进行融合检测，网络检测性能严重依赖于节点数据的同步时间戳；另一方面，网络系统只有依赖统一的时间基准才有效地协同工作而避免不必要的数据传输碰撞而引发的额外能量损耗及网络吞吐量损失。目前有许多应用于无线网络的时钟同步协议，这些协议提供了很高的时钟同步精度，通过采用复杂的算法来减少同步误差，且考虑了信息在非物理信道中的延时，但在协议设计时，大都假设信道中的传播时延可以忽略不计，由于无线电波的即时传播特性，这些假设是合理的。在水下，无线电波的传播距离是非常有限的，而水声通信为水下节点的时钟同步提供了一个可选的方案。《Timesynchronizationforhighlatencyacousticnetworks》中指出水下节点时钟同步精度低的最大原因是由于声波的低速传播特性，提出了两个阶段的时钟同步算法TSHL：第一阶段通过发送若干个消息包来估计时钟漂移斜率；第二阶段通过两次信息交互来估计时钟偏差。该算法假设同步时节点在同步过程中是相对静止的，即传播时延是恒定的，这限制了其在水下移动节点场合的应用。王怿等人的《水下传感网时钟同步与节点定位研究》通过增大TSHL算法的同步信号的间隔来减少信号发送的数量，从而减少能量消耗。Tri-Message(长时延低耗网络的轻量级时间同步协议)在TSHL协议的基础上对信息交互的开销进行了进一步的削减，在一次同步过程中只需要交换3次信息，但仍是在节点相对静止的前提条件下。水下节点时钟同步的关键问题在于如何正确估计声信号在信道中的传播时延，受洋流、节点自身运动等因素影响，传播时延变得难以预测，这也是水下节点时钟同步的困难所在。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种解决传统的TSHL时钟同步算法及其演化算法在通信节点存在相对运动时同步精度下降的问题的基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括：(1)通信节点B根据高精度时钟驱动产生的周期为T的脉冲中断，发射同步配置信号a′，同时记录本地发射时刻T₁；其中同步配置信号a′内含有前后联接的两个线性调频信号组成的脉冲对；通信节点B即为B节点；

(2)通信节点A在T₂时刻接收到B节点的同步配置信号a′，并求解得到节点间的相对运动速度v；

通信节点A即为A节点；A节点在T₃时刻，将含有T₂及T₃两个时刻的信息进行编码后发送同步请求信号b′给B节点，B节点根据测得的脉冲对的频偏f_Δ计算多普勒压缩因子，根据多普勒压缩因子同步请求信号b′进行线性重采样，由B节点将重采样后的信号进行后续的解调及译码，得到含有T₂及T₃两个时刻的信息；

(3)B节点在T₄时刻接收到A节点在T₃时刻发送的同步请求信号b′后，在T₅时刻再次发送含有T₄、T₅时刻的信息进行编码后，发送同步应答信号c′给A节点；

(4)A节点在T₆时刻接收到B节点的同步应答信号c′，假设在整个同步过程中节点间的相对运动速度保持不变，声波在水中传播的平均声速为c；设在T₁时刻B节点与A节点的相对距离为L₁，根据B节点获得的四个时刻值T₁、T₂、T₃、T₄及相对运动速度v得到