水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)和海洋科技的飛躍發(fā)展,作為一種新興的海洋信息采集技術(shù),水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Sensor Networks, UASN)越來(lái)越受到重視,被廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋污染監(jiān)控、海洋資源勘測(cè)、水下目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和定位等領(lǐng)域。該網(wǎng)絡(luò)的主體由水面基站和水下傳感器節(jié)點(diǎn)組成,節(jié)點(diǎn)部署范圍大、密度低;節(jié)點(diǎn)之間采用水下聲波通信,而水聲通信的鏈路質(zhì)量受海洋環(huán)境變化的復(fù)雜因素影響,具有低傳播速度、高延遲

2、、延遲時(shí)變、高誤碼率、低帶寬、多途效應(yīng)嚴(yán)重及高能耗等特點(diǎn)。
　　時(shí)間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)中一項(xiàng)重要的支撐技術(shù),它為協(xié)調(diào)跨多節(jié)點(diǎn)的傳感與驅(qū)動(dòng)提供統(tǒng)一的參考時(shí)鐘,是節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的基礎(chǔ),傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合、時(shí)分復(fù)用調(diào)度、節(jié)點(diǎn)定位和協(xié)同休眠等關(guān)鍵技術(shù)都依賴于節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。由于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)采用聲波通信,傳播速度低且通信鏈路較長(zhǎng),并考慮到節(jié)點(diǎn)在水下隨海流移動(dòng),導(dǎo)致了巨大的傳播延遲和時(shí)空不確定性,使得傳統(tǒng)的陸上無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法不能

3、直接應(yīng)用于水下。因此,UASN時(shí)間同步中必須同時(shí)考慮延遲時(shí)變性和節(jié)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的影響,這為同步算法研究帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
　　目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于UASN時(shí)間同步算法的研究,主要采用基于單信標(biāo)單跳的點(diǎn)到點(diǎn)同步機(jī)制,即假定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分簇中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存在到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的單跳路由,通過(guò)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的多次消息交互和計(jì)算,即可完成全網(wǎng)時(shí)間同步。但是,由于海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)涉及范圍較大,實(shí)際中水下節(jié)點(diǎn)多采用0.5km~2km的長(zhǎng)間距部署,節(jié)點(diǎn)間通

4、信方式一般采用基于多跳傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)路由。所以,現(xiàn)有的點(diǎn)到點(diǎn)同步算法,難以適應(yīng)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際部署要求。
　　本文為解決多跳網(wǎng)絡(luò)中同步精度隨跳數(shù)降低的問(wèn)題,研究和設(shè)計(jì)基于多信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和多跳傳輸?shù)亩嘣赐较⑷诤纤惴?充分利用多源同步消息的時(shí)間有效性,以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步精度。本文提出水下傳感器網(wǎng)絡(luò)多源時(shí)間同步算法MSTS(Multi-Source Time Synchronization),采用仿真實(shí)驗(yàn)探究方法評(píng)估路徑跳數(shù)對(duì)于同步消

5、息時(shí)間有效性的影響,在多次消息交互中融合不同有效性的同步消息,運(yùn)用以消息時(shí)間置信度為權(quán)的加權(quán)線性擬合,估計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率偏斜和相位偏差。同時(shí),為準(zhǔn)確評(píng)估水下同步算法的性能,本文研究和開(kāi)發(fā)了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)(Underwater Sensor Network Simulator,UWSN-Sim),建立水聲通信模擬環(huán)境及節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型,模擬多時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)條件下的多跳同步消息傳輸。利用UWSN-Sim仿真系統(tǒng),設(shè)置不同的仿真場(chǎng)景和通信參數(shù)