CN104348561B - 基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步方法 - Google Patents

Abstract

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，包括：中心节点发送同步信号，并记录发送时间；普通节点若接收到中心节点发送的同步信号，回复同步应答信号；中心节点收到同步应答信号后，记录该信号的接收时间，并根据同步信号的发送时间以及同步应答信号的接收时间计算中心节点与普通节点之间的延时；对多次计算得到的延时取平均值；将中心节点与各个普通节点之间的延时平均值写入TIME报文，将TIME报文发送时间作为中心节点的基准时间；普通节点接收到TIME报文后，记录接收该报文的时间，读取中心节点与该普通节点之间的延时平均值，根据延时平均值与所记录的接收TIME报文的时间计算该普通节点的基准时间。

Description

基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步方法

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；

步骤2）、所述普通节点若接收到所述中心节点发送的同步信号，回复同步应答信号；所述普通节点若接收到其他普通节点发送的同步应答信号，则不做出响应；

步骤3）、所述中心节点收到某一普通节点回复的所述同步应答信号后，记录该信号的接收时间，并根据步骤1）中所记录的同步信号的发送时间以及本步骤中所记录的同步应答信号的接收时间计算所述中心节点与该普通节点之间的延时；

步骤4）、重复步骤1）—步骤3）多次，对多次计算得到的延时取平均值，得到所述中心节点与各个普通节点之间的延时平均值；

步骤5）、将所述中心节点与各个普通节点之间的延时平均值写入TIME报文，所述中心节点发送所述TIME报文并记录其发送时间，将所述发送时间作为所述中心节点的基准时间；

步骤6）、所述普通节点接收到TIME报文后，记录接收该报文的时间，然后从所述TIME报文中读取所述中心节点与该普通节点之间的延时平均值，根据所述延时平均值与所记录的接收TIME报文的时间计算该普通节点的基准时间；

步骤7）、根据步骤5）得到的所述中心节点的基准时间以及步骤6）得到的所述普通节点的基准时间实现所述中心节点与普通节点间的同步。

上述技术方案中，所述中心节点发送的同步信号与各个普通节点回复的同步应答信号之间互不干扰。

上述技术方案中，所述同步信号与所述同步应答信号采用相互正交的信号实现，或采用不同频带内的线性调频信号实现。

上述技术方案中，所述TIME报文包括三种类型的字段，其中的type字段包括4个比特，用于表示报文类型；src字段包括4个比特，用于表示中心节点的源地址；节点号与节点延时字段，该字段包括两部分，第一部分有4个比特，用于表示节点号，第二部分有12个比特，用于表示发送TIME报文的节点与节点号所表示的节点之间的平均延时。

本发明的优点在于：

本发明的节点同步方法中各节点分配一个互不干扰的正交信号，这样避免了多个节点的同步应答信号在中心节点处发生碰撞，使集中式通信网中的每个节点均能跟中心节点同步。并且，这些同步信号不用调制解调，节点对同步信号的处理时间接近于零，这样即节约了节点的能量又减小了节点间延时的计算误差，使同步更准确。

附图说明

图1是集中式网络拓扑结构示意图；

图2是分布式网络拓扑结构示意图；

图3是现有技术中的节点同步方法的示意图；

图4是本发明的节点同步方法的示意图。

具体实施方式

本发明的同步方法应用于基于集中式拓扑结构的水下通信网，为了便于理解，在对本发明的同步方法做详细说明前，首先对所述的基于集中式拓扑结构的水下通信网加以说明。

所述的基于集中式拓扑结构的水下通信网具有以下特点：网络规模小，拓扑结构相对固定；具有集中式拓扑结构，网络中的普通节点均与中心节点进行通信。

下面结合附图和具体实施例对本发明的同步方法进行说明。

在一个实施例中，所述基于集中式拓扑结构的水下通信网有三个节点，分别表示为节点0、节点1与节点2；其中的节点1为中心节点，节点0、节点2为普通节点。

以该实施例中所描述的基于集中式拓扑结构的水下通信网为例，对本发明的同步方法加以描述。

参考图4，所述同步方法包括以下步骤：

步骤1）、中心节点1发送同步信号1，并将发送同步信号1的时间加以记录，记为send_1_time；

步骤2）、普通节点0、2收到同步信号1后，不对该信号进行解调，马上回复各自的同步应答信号0与同步应答信号2；所述普通节点0或2若收到另一普通节点发出的同步应答信号，则不会做出响应。

在本步骤中，所涉及的同步应答信号0、同步应答信号2与同步信号1三种信号相互不干扰。为了实现信号间的互不干扰，这三种信号可以采用相互正交的三种信号，或者采用不同频带内的线性调频信号。由于水声存在严重的多普勒频移，而正交信号对多普勒频移较敏感，线性调频信号对多普勒频移不敏感，因此作为一种优选实现方式，本实施例中采用不同频带内的线性调频信号来实现同步应答信号0、同步应答信号2与同步信号1。

步骤3）、中心节点1收到普通节点0或普通节点2所回复的同步应答信号0或同步应答信号2后，将信号的接收时间加以记录，分别记录为recv_0_time或recv_2_time，然后依据步骤1）中所记录的同步信号1发送时间以及本步骤中所记录的同步应答信号接收时间计算延时：

τ_1,0=(recv_0_time–send_1_time)/2

τ_1,2=(recv_2_time–send_1_time)/2

步骤4）、重复步骤1）—步骤3）多次，对多次计算得到的延时取平均值。

在本步骤中，步骤1）—步骤3）的重复次数可根据需要而定，如可重复5次。

步骤5）、中心节点1发送TIME报文，所述TIME报文中包含有中心节点1对普通节点0、普通节点2的延时，将发送TIME报文的时刻记为send_Time_time，并将该时刻作为中心节点1的基准时间。

本步骤中，所述TIME报文的数据结构如下面的表1所示，该报文包括三种类型的字段，其中的type字段包括4个比特，用于表示报文类型；src字段包括4个比特，用于表示中心节点的源地址；节点号与节点延时字段，该字段包括两部分，第一部分有4个比特，用于表示节点号，如表1中的node1用于表示节点0，node2用于表示节点2，第二部分有12个比特，用于表示发送TIME报文的节点与节点号所表示的节点之间的平均延时（单位为ms），如delay2node1表示发送TIME报文的节点与node1所表示的节点（即节点0）之间的平均延时。在本实施例中，中心节点1所在的网络中只有两个普通节点（节点0和节点2），因此在表1中节点号与节点延时字段共有两个，在其他实施例中，该字段的个数根据网络中的普通节点的个数而变化。

表1

步骤6）、普通节点0或普通节点2收到TIME报文后，记录接收到TIME报文的时间，分别表示为node0_recv_TIME_time和node2_recv_TIME_time，然后从TIME报文中读取中心节点1与普通节点0或普通节点2之间的平均时延，根据所述平均时延与接收到TIME报文的时间计算各个普通节点的基准时间；

普通节点0的基准时间记为T₀、普通节点2的基准时间记为T₂，两者的计算公式如下：

T₀=node0_recv_TIME_time-τ_1,0

T₂=node2_recv_TIME_time-τ_1,2

普通节点0或普通节点2得到各自的基准时间后，可实现中心节点1、普通节点0与普通节点2之间的同步。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一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；

步骤2)、所述普通节点若接收到所述中心节点发送的同步信号，回复同步应答信号；所述普通节点若接收到其他普通节点发送的同步应答信号，则不做出响应；

步骤3)、所述中心节点收到某一普通节点回复的所述同步应答信号后，记录该信号的接收时间，并根据步骤1)中所记录的同步信号的发送时间以及本步骤中所记录的同步应答信号的接收时间计算所述中心节点与该普通节点之间的延时；

步骤4)、重复步骤1)—步骤3)多次，对多次计算得到的延时取平均值，得到所述中心节点与各个普通节点之间的延时平均值；

步骤5)、将所述中心节点与各个普通节点之间的延时平均值写入TIME报文，所述中心节点发送所述TIME报文并记录其发送时间，将所述发送时间作为所述中心节点的基准时间；

步骤6)、所述普通节点接收到TIME报文后，记录接收该报文的时间，然后从所述TIME报文中读取所述中心节点与该普通节点之间的延时平均值，根据所述延时平均值与所记录的接收TIME报文的时间计算该普通节点的基准时间；

步骤7)、根据步骤5)得到的所述中心节点的基准时间以及步骤6)得到的所述普通节点的基准时间实现所述中心节点与普通节点间的同步；其中，

所述中心节点发送的同步信号与各个普通节点回复的同步应答信号之间互不干扰；其中，所述同步信号与所述同步应答信号采用相互正交的信号实现，或采用不同频带内的线性调频信号实现。

2.根据权利要求1所述的基于集中式拓扑结构的水下通信网的同步方法，其特征在于，所述TIME报文包括三种类型的字段，包括type字段、src字段以及节点号与节点延时字段；其中的type字段包括4个比特，用于表示报文类型；src字段包括4个比特，用于表示中心节点的源地址；节点号与节点延时字段，该字段包括两部分，第一部分有4个比特，用于表示节点号，第二部分有12个比特，用于表示发送TIME报文的节点与节点号所表示的节点之间的平均延时。