水下傳感器網絡時間同步技術研究.pdf

1、隨著信息技術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,水下聲學傳感器網絡(Underwater Acoustic Sensor Networks, UASN)越來越受到重視,被廣泛應用于海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋污染監(jiān)控、海洋資源勘測、水下目標的探測、跟蹤和定位等領域。該網絡的主體由水面基站和水下傳感器節(jié)點組成,節(jié)點部署范圍大、密度低;節(jié)點之間采用水下聲波通信,而水聲通信的鏈路質量受海洋環(huán)境變化的復雜因素影響,具有低傳播速度、高延遲

2、、延遲時變、高誤碼率、低帶寬、多途效應嚴重及高能耗等特點。
　　時間同步是傳感器網絡中一項重要的支撐技術,它為協(xié)調跨多節(jié)點的傳感與驅動提供統(tǒng)一的參考時鐘,是節(jié)點協(xié)同工作的基礎,傳感器網絡的數(shù)據融合、時分復用調度、節(jié)點定位和協(xié)同休眠等關鍵技術都依賴于節(jié)點間的時間同步。由于水下傳感器網絡采用聲波通信,傳播速度低且通信鏈路較長,并考慮到節(jié)點在水下隨海流移動,導致了巨大的傳播延遲和時空不確定性,使得傳統(tǒng)的陸上無線傳感器網絡時間同步算法不能

3、直接應用于水下。因此,UASN時間同步中必須同時考慮延遲時變性和節(jié)點相對運動造成的影響,這為同步算法研究帶來了新的挑戰(zhàn)。
　　目前,國內外對于UASN時間同步算法的研究,主要采用基于單信標單跳的點到點同步機制,即假定整個網絡或網絡的一個分簇中,每個節(jié)點都存在到信標節(jié)點的單跳路由,通過與信標節(jié)點的多次消息交互和計算,即可完成全網時間同步。但是,由于海洋監(jiān)測任務涉及范圍較大,實際中水下節(jié)點多采用0.5km~2km的長間距部署,節(jié)點間通

4、信方式一般采用基于多跳傳輸?shù)臋C會路由。所以,現(xiàn)有的點到點同步算法,難以適應水下傳感器網絡的實際部署要求。
　　本文為解決多跳網絡中同步精度隨跳數(shù)降低的問題,研究和設計基于多信標節(jié)點和多跳傳輸?shù)亩嘣赐较⑷诤纤惴?充分利用多源同步消息的時間有效性,以提高整個網絡的同步精度。本文提出水下傳感器網絡多源時間同步算法MSTS(Multi-Source Time Synchronization),采用仿真實驗探究方法評估路徑跳數(shù)對于同步消

5、息時間有效性的影響,在多次消息交互中融合不同有效性的同步消息,運用以消息時間置信度為權的加權線性擬合,估計節(jié)點時鐘頻率偏斜和相位偏差。同時,為準確評估水下同步算法的性能,本文研究和開發(fā)了水下傳感器網絡仿真系統(tǒng)(Underwater Sensor Network Simulator,UWSN-Sim),建立水聲通信模擬環(huán)境及節(jié)點運動模型,模擬多時間基準節(jié)點條件下的多跳同步消息傳輸。利用UWSN-Sim仿真系統(tǒng),設置不同的仿真場景和通信參數(shù)