基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水声通信领域，具体设及基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟 同步方法。
【背景技术】
[0002] 在水下传感器网络中，节点间的同步性能是影响网络效能W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，运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 W忽略不计，由于无线电波的即时传播特性，运些假设是合理的。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。《Time synchronizationforhighlatencyacousticnetworks》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TS化：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，运限制了其 在水下移动节点场合的应用。王悍等人的《水下传感网时钟同步与节点定位研究》通过增大 TS化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TS化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W预测，运也是水下节点时钟同步的困难所在。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了提供一种解决传统的TS化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。
[0004] 本发明的目的是运样实现的：
[0005] 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Tl;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；
[0006]似通信节点A在Tz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;
[0007] 通信节点A即为A节点；A节点在Ts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Tz及T3两个时刻的信息； 阳OO引 （3)B节点在Ta时刻接收到A节点在T3时刻发送的同步请求信号b'后，在T拥 刻再次发送含有T4、Ts时刻的信息进行编码后，发送同步应答信号C'给A节点；
[0009] (4)A节点在T拥刻接收到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Tl时刻B节点与A节 点的相对距离为Li,根据B节点获得的四个时刻值Ti、T2、T3、Ta及相对运动速度V得到
1 ] 其中，Lz是T2时刻B节点与A节点的相对距离，L4是T财刻B节点与A节点的相 对距离；去j为B节点要估计的时钟偏差；
[0012] 求出固定时钟偏差/1;,和相对斜距4，即
阳01引根据四个时刻值Ts、T4、Tg、Te及相对运动速度V，得到A节点的时钟偏差名,'；
[0016] 巧)B节点依据自身计算获得的时钟偏差4和A节点计算获得的时钟偏差，计算 两者差值，若差值小于所设口限，则认为该时钟偏差计算正确，A节点能够调整时钟与节点B对齐；否则认为时钟估计有误，返回步骤（1)再次进行同步。
[0017] 所述步骤似中通信节点A在Tz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:
[0018] (2. 1)A节点用本地存储的线性调频信号d'与接收到B节点的同步配置信号a' 进行匹配滤波，对匹配滤波后的输出信号取绝对值W后通过一个低通滤波器，得到匹配W 后的信号包络e';低通滤波器的带宽与同步配置信号带宽相等；
[0019] (2.2)对信号包络e'进行口限判决，对超过判决口限的信号包络e'进行鉴别， 如果满足：在信号包络e'上出现与本地存储线性调频信号d'长度相等且高度相等或者 相近的两个相关峰，且相关峰高度与旁瓣包络均值比超过设计口限，而且相关峰3地宽度 与同步配置信号的带宽倒数相等或者相近；截取获得同步配置信号a';
[0020] (2. 3)对截取获得的同步配置信号a'，采用互协方差计算脉冲对的频偏f&，从而 得到节点间相对运动速度V。
[0021] 所述步骤化3)得到节点间相对运动速度V是通过互相关协方差法求解得到的：
[0022]B节点在Tl时刻发送时的域数据信号为X似，它的复通频带等效信号为
[0023] S化）=X化)exp(2XpiXjXftxXkXTs)
[0024]式中，fh为发送的载波频率；pi为n，j为虚部；k为采样点下标；Tg为采样间隔； [00巧]在接收端，即A节点，在忽略噪声的情况下，复的基带信号为
阳027] 式中，为接收的载波频率；f&为频偏，f& =ftx-frx;e=Nf&Ts=N(ftx-frx)Ts 为归一化载波频率偏差，N为采样点数；
[0028] 两个线性调频信号的总长度为L中间变量
[0030] 其中，〇为截取的单个信号为长度；'>^('）为^，）转置；
[0031] 得到归一化载波频率偏差的估计值为
阳〇3引其中，ZR为R的相位；
[0034] 根据归一化载波频率偏差e=Nf&Ts=N(ftx-frx)Ts求得f&;
[0035] 依据多普勒原理，估算出同步周期内两个通信节点间的相对速度V;
[0037] 所述步骤（2. 3)的归一化载波频率偏差估计值e的估计范围
[0038] 本发明的有益效果在于：
[0039] 本发明利用脉冲对互协方差算法估计节点间的相对运动速度，补偿由于节点间相 对运动导致的双程传播时延不对等的情况，提高了运动条件下节点间的时钟同步精度，在 相对运动速度在5节的条件下，时钟同步精度可W达到1毫秒W下。
【附图说明】
[0040] 图1为基于声链路测距、测速的时钟同步方法示意图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0042] 基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法，设及水声通信领域，具体设 及水声通信动态时钟同步方法。为了解决传统的TS化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。本发明通过通信节点B发射带有时刻信息的同 步配置信号a';通信节点A对同步配置信号a'进行匹配滤波，得到匹配W后的信号包络e'，截取获得同步配置信号a'，采用互协方差计算脉冲对的频偏f&，从而得到节点间相 对运动速度V;然后根据节点B和节点A相互发送带有时刻信息的信号，分别求出B节点的 时钟偏差4和A节点的时钟偏差是，，并计算两者差值，当差值小于所设口限，则A节点能够 调整时钟与节点B对齐，完成同步。本发明适用于水声通信动态时钟的同步。
[0043] 基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法，包括下述步骤： W44] 步骤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Tl;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，脉冲对用于帖信号的鉴别及相对运动速度V的估计；通信节点B即 为B节点； W45] 步骤2、通信节点A在Tz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;
[0046]通信节点A即为A节点；A节点在Ts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Tz及T3两个时刻的信息；
[0047]步骤3、B节点在T财刻接收到A节点在T拥刻发送的同步请求信号b'后，在T5 时刻再次发送含有T4、Te时刻的信息进行编码后，发送同步应答信号C'给A节点； W48] 步骤4、A节点在Te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(声速可用声速梯度 仪事先在该海域测量获得，同时假设同步过程中声波传播的路径和AUV运动的路径夹角近 似为零，运个假设在较远距离通信时是合理的）；设在Tl时刻B节点与A节点的相对距离为 Li,根据B节点获得的四个时刻值Ti、T2、T3、Ta及相对运动速度V得到
(1)
[0050]其中，Lz是T2时刻B节点与A节点的相对距离，L4是T财刻B节点与A节点的相 对距离；为B节点要估计的时钟偏差；
[0051] 由W上方程组（1)可求出固定时钟偏差4和相对斜距《，即
[0054] 根据四个时刻值T3、T4、Tg、Te及相对运动速度V，可W得到A节点的时钟偏差屋; 阳化5] 步骤5、B节点依据自身计算获得的时钟偏差4和A节点计算获得的时钟偏差句'， 计算两者差值，若差值小于所设口限，则认为该时钟偏差计算正确，A节点能够调整时钟与 节点B对齐；否则认为时钟估计有误，返回步骤I再次进行同步。
【具体实施方式】 [0056] 一：结合图1说明本实施方式，基于声链路测距、测速的水声通信动 态时钟同步