CN110430033A - 一种水下声学传感器网络的相位同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下声学传感器网络的相位同步方法及装置，该方法包括以下步骤：S1：通过Round‑trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差；S2：通过反馈信息控制算法对初步同步后的相位误差进行消除以获得水下声学传感器网络相位的精确同步。通过初步同步和精确同步后使得使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络中各个中继转发节点都能获得良好的相位同步，设备复杂度更低、同步精度更高。

Description

一种水下声学传感器网络的相位同步方法及装置

本申请要求在2019年06月24日提交中国专利局、申请号为201910551103.X、发明名称为《一种水下声学传感器网络的相位同步方法及装置》的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及水下传感器领域，具体涉及一种水下声学传感器网络的相位同步方法及装置。

背景技术

水下传感器网络主要是由数据收集节点、汇聚转发节点、水面浮标、岸上基站、卫星等器件所组成的系统。波束形成技术的使用环境与水下传感器网络的实际环境存在着很大的不同。所以直接将波束形成技术用于水下传感器网络并不合适。但是可以将水下声学传感器网络中的发射节点作为阵元形成虚拟阵列，通过对各个随机阵元进行波束形成矢量设计来形成定向波束扩大通信距离。

将分布式波束形成技术用于水下传感器网络的通信中，来提高水下传感器网络的通信质量。在分布式波束形成技术中，各个发射阵元的振荡器是相互独立，并且阵元的位置随机分布，造成各个发射节点的频率和相位不同步。因此使得分布式发射波束形成技术应用受限。

对于水下传感器网络的相位同步问题，最为直观的想法是使用水下定位技术确定各个传感器的位置，然后预制延时使得接收端的信号强度最大。但是此方法需要使用定位技术，这会增加设备的复杂度。

有鉴于此，设计一种新型的水下声学传感器网络的相位同步方法及装置是至关重要的。

发明内容

针对上述提到水下传感器网络的各个发射节点相位不同步，需用到定位技术，设备复杂度高等问题，本申请的实施例的目的在于提出了水下声学传感器网络的相位同步方法及装置，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种水下声学传感器网络的相位同步方法，包括以下步骤：

S1：通过Round-trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差；

S2：通过反馈信息控制算法对初步同步后的相位误差进行消除以获得水下声学传感器网络相位的精确同步。

进一步地，步骤S1包括以下步骤：

S11：在水下声学传感器网络中由目的端向中继转发节点发射信号；

S12：中继转发节点接收到发射信号，中继转发节点中的从节点将发射信号转发给中继转发节点中的主节点，主节点将接收到的从节点发射的信号以主节点接收到的发射信号为参考点进行相位反转得到反转信号；

S13：主节点将反转信号发送给从节点，从节点将反转信号发送给目的端，从而使得目的端接收到的反转信号的相位与目的端接收到的由主节点发送的信号的相位初步同步。

进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：

S111：设置一个调整周期时间为T，将时间T均分为2×(N+1)时间段(T₀,T₁,...,T_N,...,T_2N+1)，并设置在波束形成区域内的水下声学传感器网络有N+1个中继转发节点，在波束形成区域外设置有所述目的端，中继转发节点包括N个从节点和一个主节点，第i个中继转发节点中，其中i＝0,1,...,N，当i＝0为主节点，当i＞0，第i个中继转发节点为第i从节点；

S112：在T₀时刻由目的端发射信号m(t)＝cos(wt)到所有中继转发节点，第i个中继转发节点接收到信号时相对于目的端有时延t_i，第i个中继转发节点接收到的信号为a_icos(w(t+t_i))，其中a_i为第i个中继转发节点接收到目的端的信号的幅值；

S113：在T₁时刻由第一从节点将接收到的信号转发给主节点，此时主节点收到第一从节点转发的信号为b₁cos(w(t+t₁+k₁))，其中k_i为第i从节点到主节点的传播时延，其中b_i为主节点接收到第i从节点转发的信号的幅值；

S114：在T₂时刻以主节点从目的端接收到的信号作为参考点，对在T₁时刻主节点接收到的信号进行相位反转，反转信号为c₁cos(w(t+t₀-t₁-k₁))，将反转信号发送给第一从节点，第一从节点收到的信号为d₁cos(w(t+t₀-t₁))，若此时第一从节点以cos(w(t+t₀-t₁))作为发射信号发射到目的端，同时主节点发送发射信号cos(wt)到目的端，第一从节点和主节点的发射信号到达目的端时分别为a₀cos(w(t+t₀))和a₁cos(w(t+t₀))，使得第一从节点与主节点相位初步同步，并存在第一从节点与主节点相位初步同步的相位误差γ₁；

S115：在(T₃,T₄,...,T_N,...,T_2N+1)时刻重复步骤S13-S14，得到第i从节点与主节点相位初步同步的相位误差γ_i。

更进一步地，步骤S2包括如下步骤：

S21：在中继转发节点的发射信号的相位中设置相位扰动以消除相位误差，并将发射信号发送到目的端，并计算得到目的端的接收信号强度；

S22：在目的端设置接收信号强度的最高观测值，将接收信号强度与最高观测值进行比较，根据比较结果反馈到中继转发节点对相位扰动进行调整获得相位的精确同步；

S23：根据接收信号强度与最高观测值的比较结果对最高观测值进行迭代更新。

更进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：

S211：第i个中继转发节点的发射信号为其中，表示发射器的放大倍数，为便于分析假设则目的端的接收信号强度Y为：

其中，a_i和ψ_i分别是所有发射信号经过一个复杂信道后的幅值和延时，Φ_i表示目的端接收到第i个中继转发节点发射的信号相位；

S212：设置在每个时间段内对所有中继转发节点的振荡器产生一个微小的相位扰动δ_i[n]以消除相位误差γ_i，此时得到一个相位变量为其中Φ_i[n]表示的是目的端接收到第i个中继转发节点发射的信号经过n次迭代后的相位变量，得到目的端的接收信号强度为：

S213：令表示目的端的接收信号强度的最高观测值，在目的端将Y[n]的值与Y_best[n]的值进行比较以迭代更新得到目的端的接收信号强度的最高观测值：

S214：目的端根据Y[n]与Y_best[n]的比较值将反馈信号发送给第i个中继转发节点，并对第i个中继转发节点的相位变量进行调整：

使得所有中继转发节点的相位精确同步，目的端的接收信号强度收敛于最大值。

第二方面，本申请实施例还提出一种水下声学传感器网络的相位同步装置，包括：

初步同步单元，被配置为通过Round-trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差；

精确同步单元，被配置为通过反馈信息控制算法对初步同步后的相位误差进行消除以获得水下声学传感器网络相位的精确同步。

进一步地，初步同步单元包括：

目的端信号发射模块，被配置为在水下声学传感器网络中由目的端向中继转发节点发射信号；

信号反转模块，被配置为中继转发节点接收到发射信号，中继转发节点中的从节点将发射信号转发给中继转发节点中的主节点，主节点将接收到的从节点发射的信号以主节点接收到的发射信号为参考点进行相位反转得到反转信号；

相位同步模块，被配置为主节点将反转信号发送给从节点，从节点将反转信号发送给目的端，从而使得目的端接收到的反转信号的相位与目的端接收到的由主节点发送的信号的相位初步同步。

进一步地，初步同步单元具体包括：

网络建设模块，被配置为设置一个调整周期时间为T，将时间T均分为2×(N+1)时间段(T₀,T₁,...,T_N,...,T_2N+1)，并设置在波束形成区域内的水下声学传感器网络有N+1个中继转发节点，在波束形成区域外设置有目的端，中继转发节点包括N个从节点和一个主节点，第i个中继转发节点中，其中i＝0,1,...,N，当i＝0为主节点，当i＞0，第i个中继转发节点为第i从节点；

第一信号发射模块，被配置为在T₀时刻由目的端发射信号m(t)＝cos(wt)到所有中继转发节点，第i个中继转发节点接收到信号时相对于目的端有时延t_i，第i个中继转发节点接收到的信号为a_icos(w(t+t_i))，其中a_i为第i个中继转发节点接收到目的端的信号的幅值；

第二信号发射模块，被配置为在T₁时刻由第一从节点将接收到的信号转发给所述主节点，此时主节点收到第一从节点转发的信号为b₁cos(w(t+t₁+k₁))，其中k_i为第i从节点到主节点的传播时延，其中b_i为主节点接收到第i从节点转发的信号的幅值；

第一相位同步模块，被配置为在T₂时刻以主节点从目的端接收到的信号作为参考点，对在T₁时刻主节点接收到的信号进行相位反转，反转信号为c₁cos(w(t+t₀-t₁-k₁))，将反转信号发送给第一从节点，第一从节点收到的信号为d₁cos(w(t+t₀-t₁))，若此时第一从节点以cos(w(t+t₀-t₁))作为发射信号发射到目的端，同时主节点发送发射信号cos(wt)到目的端，第一从节点和主节点的发射信号到达目的端时分别为a₀cos(w(t+t₀))和a₁cos(w(t+t₀))，使得第一从节点与主节点初步相位同步，并存在第一从节点与主节点相位同步的相位误差γ₁；

重复模块，被配置为在(T₃,T₄,...,T_N,...,T_2N+1)时刻对第i从节点、主节点和目的端重复上述模块的步骤，得到第i从节点与主节点相位初步同步的相位误差γ_i。

更进一步地，精确同步单元包括：

误差消除模块，被配置为在中继转发节点的发射信号的相位中设置相位扰动以消除相位误差，并将发射信号发送到目的端，并计算得到目的端的接收信号强度；

反馈调整模块，被配置为在目的端设置接收信号强度的最高观测值，将接收信号强度与最高观测值进行比较，根据比较结果反馈到中继转发节点对相位扰动进行调整获得相位的精确同步；

最高观测值迭代模块，被配置为根据接收信号强度与最高观测值的比较结果对最高观测值进行迭代更新。

更进一步地，精确同步单元具体包括：

信号强度计算模块，被配置为第i个中继转发节点的发射信号为其中，表示发射器的放大倍数，为便于分析假设则目的端的接收信号强度Y为：

其中，a_i和ψ_i分别是所有发射信号经过一个复杂信道后的幅值和延时，Φ_i表示目的端接收到第i个中继转发节点发射的信号相位；

扰动模块，被配置为设置在每个时间段内对所有中继转发节点的振荡器产生一个微小的相位扰动δ_i[n]以消除相位误差γ_i，此时得到一个相位变量为其中Φ_i[n]表示的是目的端接收到第i个中继转发节点发射的信号经过n次迭代后的相位变量，得到目的端的接收信号强度为：

信号强度比较模块，被配置为令表示目的端的接收信号强度的最高观测值，在目的端将Y[n]的值与Y_best[n]的值进行比较以迭代更新得到目的端的接收信号强度的最高观测值：

调整同步模块，被配置为目的端根据Y[n]与Y_best[n]的比较值将反馈信号发送给第i个中继转发节点，并对第i个中继转发节点的相位变量进行调整：

使得所有中继转发节点的相位精确同步，目的端的接收信号强度收敛于最大值。

本发明的实施例提供一种水下声学传感器网络的相位同步方法及装置，通过Round-trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差；通过反馈信息控制算法对初步同步后的相位误差进行消除以获得水下声学传感器网络相位的精确同步。由于初步同步时每一个步骤都有可能带入参数估计误差，包括在使用Round-trip同步算法时会因为设备的反应速度不一致而引入误差、无法解决因传感器晶振不一样造成的初始相位的不一致、无法解决各个传感器因位置移动而造成新的相位误差、无法解决由于时变的信号时延带来的相位误差。因此通过使用无反馈信息的相位调整算法之后，使用基于反馈信息的控制算法以获得精确的相位同步。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的一个实施例可以应用于其中的示例性系统架构图；

图2为本发明的实施例的水下声学传感器网络的相位同步方法的流程示意图；

图3为本发明的实施例的水下声学传感器网络的相位同步方法的步骤S1的流程示意图；

图4为本发明的实施例的水下声学传感器网络的相位同步方法的步骤S1的具体的流程示意图；

图5为本发明的实施例的水下声学传感器网络的相位同步方法的步骤S2的流程示意图；

图6为本发明的实施例的水下声学传感器网络的相位同步方法的步骤S2的具体的流程示意图；

图7为本发明的实施例的水下声学传感器网络的相位同步装置的示意图；

图8为本发明的实施例的水下声学传感器网络的相位同步装置中10个中继转发节点迭代0次的角度分布的示意图；

图9为本发明的实施例的水下声学传感器网络的相位同步装置中10个中继转发节点迭代10次的角度分布的示意图；

图10为本发明的实施例的水下声学传感器网络的相位同步装置中10个中继转发节点迭代50次的角度分布的示意图；

图11为本发明的实施例的水下声学传感器网络的相位同步装置中10个中继转发节点迭代500次的角度分布的示意图；

图12是适于用来实现本申请实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了可以应用本申请实施例的水下声学传感器网络的相位同步方法及装置的示例性系统架构100。

如图1所示，系统架构100可以包括终端设备101、102、103，网络104和服务器105。网络104用以在终端设备101、102、103和服务器105之间提供通信链路的介质。网络104可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。

用户可以使用终端设备101、102、103通过网络104与服务器105交互，以接收或发送消息等。终端设备101、102、103上可以安装有各种应用，例如数据处理类应用、文件处理类应用等。

终端设备101、102、103可以是硬件，也可以是软件。当终端设备101、102、103为硬件时，可以是各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、膝上型便携计算机和台式计算机等等。当终端设备101、102、103为软件时，可以安装在上述所列举的电子设备中。其可以实现成多个软件或软件模块(例如用来提供分布式服务的软件或软件模块)，也可以实现成单个软件或软件模块。在此不做具体限定。

服务器105可以是提供各种服务的服务器，例如对终端设备101、102、103上传的文件或数据进行处理的后台数据处理服务器。后台数据处理服务器可以对获取的文件或数据进行处理，生成处理结果(例如包含标准标题行和对应的分段包含的数据的标准文件)。

需要说明的是，本申请实施例所提供的水下声学传感器网络的相位同步方法可以由服务器105执行，也可以由终端设备101、102、103执行，相应地，水下声学传感器网络的相位同步装置可以设置于服务器105中，也可以设置于终端设备101、102、103中。

应该理解，图1中的终端设备、网络和服务器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器。在所处理的数据不需要从远程获取的情况下，上述系统架构可以不包括网络，而只需服务器或终端设备。

继续参考图2，其示出了根据本申请的实施例的一种水下声学传感器网络的相位同步方法，包括以下步骤：

S1：通过Round-trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差；

S2：通过反馈信息控制算法对初步同步后的相位误差进行消除以获得水下声学传感器网络相位的精确同步。

在具体的实施例中，如图3所示，步骤S1包括以下步骤：

S11：在水下声学传感器网络中由目的端向中继转发节点发射信号；

S12：中继转发节点接收到发射信号，中继转发节点中的从节点将发射信号转发给中继转发节点中的主节点，主节点将接收到的从节点发射的信号以主节点接收到的发射信号为参考点进行相位反转得到反转信号；

S13：主节点将反转信号发送给从节点，从节点将反转信号发送给目的端，从而使得目的端接收到的反转信号的相位与目的端接收到的由主节点发送的信号的相位初步同步。

在更具体的实施例中，如图4所示，步骤S1具体包括以下步骤：

S111：设置一个调整周期时间为T，将时间T均分为2×(N+1)时间段(T₀,T₁,...,T_N,...,T_2N+1)，并设置在波束形成区域内的水下声学传感器网络有N+1个中继转发节点，在波束形成区域外设置有所述目的端，中继转发节点包括N个从节点和一个主节点，第i个中继转发节点中，其中i＝0,1,...,N，当i＝0为主节点，当i＞0，第i个中继转发节点为第i从节点；

S112：在T₀时刻由目的端发射信号m(t)＝cos(wt)到所有中继转发节点，第i个中继转发节点接收到信号时相对于目的端有时延t_i，第i个中继转发节点接收到的信号为a_icos(w(t+t_i))，其中a_i为第i个中继转发节点接收到目的端的信号的幅值；

S113：在T₁时刻由第一从节点将接收到的信号转发给主节点，此时主节点收到第一从节点转发的信号为b₁cos(w(t+t₁+k₁))，其中k_i为第i从节点到主节点的传播时延，其中b_i为主节点接收到第i从节点转发的信号的幅值；

S114：在T₂时刻以主节点从目的端接收到的信号作为参考点，对在T₁时刻主节点接收到的信号进行相位反转，反转信号为c₁cos(w(t+t₀-t₁-k₁))，将反转信号发送给第一从节点，第一从节点收到的信号为d₁cos(w(t+t₀-t₁))，若此时第一从节点以cos(w(t+t₀-t₁))作为发射信号发射到目的端，同时主节点发送发射信号cos(wt)到目的端，第一从节点和主节点的发射信号到达目的端时分别为a₀cos(w(t+t₀))和a₁cos(w(t+t₀))，使得第一从节点与主节点相位初步同步，并存在第一从节点与主节点相位初步同步的相位误差γ₁；

S115：在(T₃,T₄,...,T_N,...,T_2N+1)时刻重复步骤S13-S14，得到第i从节点与主节点相位初步同步的相位误差γ_i。

由于初步同步时每一个步骤都有可能带入参数估计误差，包括：1)在使用Round-trip同步算法时会因为设备的反应速度不一致而引入误差；2)无法解决因传感器晶振不一样造成的初始相位的不一致；3)无法解决各个传感器因位置移动而造成新的相位误差；4)无法解决由于时变的信号时延带来的相位误差。因此下一步需要将相位误差γ₁消除以使得信号获得更好的相位同步。

在具体的实施例中，如图5所示，步骤S2包括如下步骤：

S21：在中继转发节点的发射信号的相位中设置相位扰动以消除相位误差，并将发射信号发送到目的端，并计算得到目的端的接收信号强度；

S22：在目的端设置接收信号强度的最高观测值，将接收信号强度与最高观测值进行比较，根据比较结果反馈到中继转发节点对相位扰动进行调整获得相位的精确同步；

S23：根据接收信号强度与最高观测值的比较结果对最高观测值进行迭代更新。

在更具体的实施例中，如图6所示，步骤S2具体包括以下步骤：

S211：第i个中继转发节点的发射信号为其中，表示发射器的放大倍数，为便于分析假设则目的端的接收信号强度Y为：

其中，a_i和ψ_i分别是所有发射信号经过一个复杂信道后的幅值和延时，Φ_i表示目的端接收到第i个中继转发节点发射的信号相位；

S212：设置在每个时间段内对所有中继转发节点的振荡器产生一个微小的相位扰动δ_i[n]以消除相位误差γ_i，此时得到一个相位变量为其中Φ_i[n]表示的是目的端接收到第i个中继转发节点发射的信号经过n次迭代后的相位变量，得到目的端的接收信号强度为：

S213：令表示目的端的接收信号强度的最高观测值，在目的端将Y[n]的值与Y_best[n]的值进行比较以迭代更新得到目的端的接收信号强度的最高观测值：

S214：目的端根据Y[n]与Y_best[n]的比较值将反馈信号发送给第i个中继转发节点，并对第i个中继转发节点的相位变量进行调整：

使得所有中继转发节点的相位精确同步，目的端的接收信号强度收敛于最大值。

本申请实施例还提出一种水下声学传感器网络的相位同步装置，如图7所示，包括：

初步同步单元1，被配置为通过Round-trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差；

精确同步单元2，被配置为通过反馈信息控制算法对初步同步后的相位误差进行消除以获得水下声学传感器网络相位的精确同步。

在具体的实施例中，初步同步单元1包括：

目的端信号发射模块，被配置为在水下声学传感器网络中由目的端向中继转发节点发射信号；

信号反转模块，被配置为中继转发节点接收到发射信号，中继转发节点中的从节点将发射信号转发给中继转发节点中的主节点，主节点将接收到的从节点发射的信号以主节点接收到的发射信号为参考点进行相位反转得到反转信号；

相位同步模块，被配置为主节点将反转信号发送给从节点，从节点将反转信号发送给目的端，从而使得目的端接收到的反转信号的相位与目的端接收到的由主节点发送的信号的相位初步同步。

在更具体的实施例中，初步同步单元1具体包括：

网络建设模块，被配置为设置一个调整周期时间为T，将时间T均分为2×(N+1)时间段(T₀,T₁,...,T_N,...,T_2N+1)，并设置在波束形成区域内的水下声学传感器网络有N+1个中继转发节点，在波束形成区域外设置有目的端，中继转发节点包括N个从节点和一个主节点，第i个中继转发节点中，其中i＝0,1,...,N，当i＝0为主节点，当i＞0，第i个中继转发节点为第i从节点；

第一信号发射模块，被配置为在T₀时刻由目的端发射信号m(t)＝cos(wt)到所有中继转发节点，第i个中继转发节点接收到信号时相对于目的端有时延t_i，第i个中继转发节点接收到的信号为a_icos(w(t+t_i))，其中a_i为第i个中继转发节点接收到目的端的信号的幅值；

第二信号发射模块，被配置为在T₁时刻由第一从节点将接收到的信号转发给所述主节点，此时主节点收到第一从节点转发的信号为b₁cos(w(t+t₁+k₁))，其中k_i为第i从节点到主节点的传播时延，其中b_i为主节点接收到第i从节点转发的信号的幅值；

第一相位同步模块，被配置为在T₂时刻以主节点从目的端接收到的信号作为参考点，对在T₁时刻主节点接收到的信号进行相位反转，反转信号为c₁cos(w(t+t₀-t₁-k₁))，将反转信号发送给第一从节点，第一从节点收到的信号为d₁cos(w(t+t₀-t₁))，若此时第一从节点以cos(w(t+t₀-t₁))作为发射信号发射到目的端，同时主节点发送发射信号cos(wt)到目的端，第一从节点和主节点的发射信号到达目的端时分别为a₀cos(w(t+t₀))和a₁cos(w(t+t₀))，使得第一从节点与主节点初步相位同步，并存在第一从节点与主节点相位同步的相位误差γ₁；

重复模块，被配置为在(T₃,T₄,...,T_N,...,T_2N+1)时刻对第i从节点、主节点和目的端重复上述模块的步骤，得到第i从节点与主节点相位初步同步的相位误差γ_i。

在具体的实施例中，精确同步单元2包括：

误差消除模块，被配置为在中继转发节点的发射信号的相位中设置相位扰动以消除相位误差，并将发射信号发送到目的端，并计算得到目的端的接收信号强度；

反馈调整模块，被配置为在目的端设置接收信号强度的最高观测值，将接收信号强度与最高观测值进行比较，根据比较结果反馈到中继转发节点对相位扰动进行调整获得相位的精确同步；

最高观测值迭代模块，被配置为根据接收信号强度与最高观测值的比较结果对最高观测值进行迭代更新。

在更具体的实施例中，精确同步单元2具体包括：

信号强度计算模块，被配置为第i个中继转发节点的发射信号为其中，表示发射器的放大倍数，为便于分析假设则目的端的接收信号强度Y为：

其中，a_i和ψ_i分别是所有发射信号经过一个复杂信道后的幅值和延时，Φ_i表示目的端接收到第i个中继转发节点发射的信号相位；

扰动模块，被配置为设置在每个时间段内对所有中继转发节点的振荡器产生一个微小的相位扰动δ_i[n]以消除相位误差γ_i，此时得到一个相位变量为其中Φ_i[n]表示的是目的端接收到第i个中继转发节点发射的信号经过n次迭代后的相位变量，得到目的端的接收信号强度为：

信号强度比较模块，被配置为令表示目的端的接收信号强度的最高观测值，在目的端将Y[n]的值与Y_best[n]的值进行比较以迭代更新得到目的端的接收信号强度的最高观测值：

调整同步模块，被配置为目的端根据Y[n]与Y_best[n]的比较值将反馈信号发送给第i个中继转发节点，并对第i个中继转发节点的相位变量进行调整：

使得所有中继转发节点的相位精确同步，目的端的接收信号强度收敛于最大值。

采用Round-trip同步算法和反馈信息控制算法不需要借助其它的测距设备或者定位设备就可以实现分布式波束形成技术的相位的同步。相比于其他需要通过测距来预制时延以达到信号的相位同步的算法，本申请所需要的设备复杂度更低、同步精度更高，更适合用于水声传感器网络中。

下面使用MATLAB软件进行实验仿真验证。仿真实验的参数设置为：各个发射器的频率是相同的为10，初始相位独立不相关，采用的调制方式是2FSK，加入的噪声是高斯白噪声，信噪比为0.8dB。

实验一：本次实验假设一个水域中共有10个中继转发节点，1个目的端。作迭代0次的角度分布图(初始相位)，然后用反馈相位调整算法进行10次、50次、500次的迭代，并分别作相应的中继转发节点的角度分布图如图8-11所示，根据仿真图结果分析出如下结论：

(1)10个中继转发节点的初始角度随机分布在0°～360°。

(2)经过10次的迭代，各个中继转发节点的角度分布在80°～200°，角度已经出现了明显的收敛现象。

(3)等到迭代次数到达500时，各个中继转发节点的角度趋于收敛到这个区间。

结论：随着迭代次数的增加，各个中继转发节点的角度更趋于一致。因此采用本申请的实施例可以使得各个中继转发节点的相位差逐渐消失，相位趋于同步。

本发明的实施例提供一种水下声学传感器网络的相位同步方法及装置，通过Round-trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差；通过反馈信息控制算法对初步同步后的相位误差进行消除以获得水下声学传感器网络相位的精确同步。由于初步同步时每一个步骤都有可能带入参数估计误差，包括在使用Round-trip同步算法时会因为设备的反应速度不一致而引入误差、无法解决因传感器晶振不一样造成的初始相位的不一致、无法解决各个传感器因位置移动而造成新的相位误差、无法解决由于时变的信号时延带来的相位误差。因此通过使用无反馈信息的相位调整算法之后，使用基于反馈信息的控制算法以获得精确的相位同步。

下面参考图12，其示出了适于用来实现本申请实施例的电子设备(例如图1所示的服务器或终端设备)的计算机系统1200的结构示意图。图12示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图12所示，计算机系统1200包括中央处理单元(CPU)1201，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1202中的程序或者从存储部分1208加载到随机访问存储器(RAM)1203中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 1203中，还存储有系统1200操作所需的各种程序和数据。CPU1201、ROM 1202以及RAM 1203通过总线1204彼此相连。输入/输出(I/O)接口1205也连接至总线1204。

以下部件连接至I/O接口1205：包括键盘、鼠标等的输入部分1206；包括诸如、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分1207；包括硬盘等的存储部分1208；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1209。通信部分1209经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1210也可以根据需要连接至I/O接口1205。可拆卸介质1611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1210上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1208。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1209从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1211被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)1201执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。

需要说明的是，本申请所述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本申请实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：初步同步单元。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定，例如，初步同步单元还可以被描述为“初步同步单元，被配置为通过Round-trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差”。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：

通过Round-trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差；

通过反馈信息控制算法对初步同步后的相位误差进行消除以获得水下声学传感器网络相位的精确同步。

本申请是基于国家自然科学基金61671394和中央高校基本科研业务费专项资金资助(20720170044)的研究成果。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种水下声学传感器网络的相位同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过Round-trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差；

S2：通过反馈信息控制算法对所述初步同步后的相位误差进行消除以获得所述水下声学传感器网络相位的精确同步。

2.根据权利要求1所述的水下声学传感器网络的相位同步方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S11：在水下声学传感器网络中由目的端向中继转发节点发射信号；

S12：所述中继转发节点接收到所述发射信号，所述中继转发节点中的从节点将所述发射信号转发给所述中继转发节点中的主节点，所述主节点将接收到的所述从节点发射的信号以所述主节点接收到的所述发射信号为参考点进行相位反转得到反转信号；

S13：所述主节点将所述反转信号发送给所述从节点，所述从节点将所述反转信号发送给所述目的端，从而使得所述目的端接收到的所述反转信号的相位与所述目的端接收到的由所述主节点发送的信号的相位初步同步。

3.根据权利要求2所述的水下声学传感器网络的相位同步方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S111：设置一个调整周期时间为T，将时间T均分为2×(N+1)时间段(T₀,T₁,...,T_N,...,T_2N+1)，并设置在波束形成区域内的水下声学传感器网络有N+1个所述中继转发节点，在波束形成区域外设置有所述目的端，所述中继转发节点包括N个所述从节点和一个所述主节点，第i个中继转发节点中，其中i＝0,1,...,N，当i＝0为主节点，当i＞0，第i个中继转发节点为第i从节点；

S112：在T₀时刻由所述目的端发射信号m(t)＝cos(wt)到所有中继转发节点，第i个中继转发节点接收到信号时相对于目的端有时延t_i，第i个中继转发节点接收到的信号为a_icos(w(t+t_i))，其中a_i为第i个中继转发节点接收到所述目的端的信号的幅值；

S113：在T₁时刻由第一从节点将接收到的信号转发给所述主节点，此时所述主节点收到所述第一从节点转发的信号为b₁cos(w(t+t₁+k₁))，其中k_i为所述第i从节点到所述主节点的传播时延，其中b_i为所述主节点接收到所述第i从节点转发的信号的幅值；

S114：在T₂时刻以所述主节点从所述目的端接收到的信号作为参考点，对在T₁时刻所述主节点接收到的信号进行相位反转，反转信号为c₁cos(w(t+t₀-t₁-k₁))，将所述反转信号发送给所述第一从节点，所述第一从节点收到的信号为d₁cos(w(t+t₀-t₁))，若此时所述第一从节点以cos(w(t+t₀-t₁))作为发射信号发射到所述目的端，同时所述主节点发送发射信号cos(wt)到所述目的端，所述第一从节点和所述主节点的发射信号到达所述目的端时分别为a₀cos(w(t+t₀))和a₁cos(w(t+t₀))，使得所述第一从节点与所述主节点相位初步同步，并存在所述第一从节点与所述主节点相位初步同步的相位误差γ₁；

S115：在(T₃,T₄,...,T_N,...,T_2N+1)时刻重复所述步骤S13-S14，得到第i从节点与所述主节点相位初步同步的相位误差γ_i。

4.根据权利要求3所述的水下声学传感器网络的相位同步方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：

S21：在所述中继转发节点的所述发射信号的相位中设置相位扰动以消除所述相位误差，并将所述发射信号发送到所述目的端，并计算得到所述目的端的接收信号强度；

S22：在所述目的端设置接收信号强度的最高观测值，将所述接收信号强度与所述最高观测值进行比较，根据比较结果反馈到所述中继转发节点对所述相位扰动进行调整获得相位的精确同步；

S23：根据所述接收信号强度与所述最高观测值的比较结果对所述最高观测值进行迭代更新。

5.根据权利要求4所述的水下声学传感器网络的相位同步方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S211：所述第i个中继转发节点的发射信号为其中，表示发射器的放大倍数，为便于分析假设则所述目的端的接收信号强度Y为：

其中，a_i和ψ_i分别是所有发射信号经过一个复杂信道后的幅值和延时，Φ_i表示所述目的端接收到所述第i个中继转发节点发射的信号相位；

S212：设置在每个时间段内对所有中继转发节点的振荡器产生一个微小的相位扰动δ_i[n]以消除所述相位误差γ_i，此时得到一个相位变量为其中Φ_i[n]表示的是所述目的端接收到所述第i个中继转发节点发射的信号经过n次迭代后的相位变量，得到所述目的端的接收信号强度为：

S213：令表示所述目的端的接收信号强度的最高观测值，在所述目的端将Y[n]的值与Y_best[n]的值进行比较以迭代更新得到所述目的端的接收信号强度的最高观测值：

S214：所述目的端根据Y[n]与Y_best[n]的比较值将反馈信号发送给所述第i个中继转发节点，并对所述第i个中继转发节点的相位变量进行调整：

使得所有中继转发节点的相位精确同步，所述目的端的接收信号强度收敛于最大值。

6.一种水下声学传感器网络的相位同步装置，其特征在于，包括：

初步同步单元，被配置为通过Round-trip同步算法对使用分布式波束形成技术的水下声学传感器网络进行相位初步同步，得到初步同步后的相位误差；

精确同步单元，被配置为通过反馈信息控制算法对所述初步同步后的相位误差进行消除以获得所述水下声学传感器网络相位的精确同步。

7.根据权利要求6所述的水下声学传感器网络的相位同步装置，其特征在于，所述初步同步单元包括：

目的端信号发射模块，被配置为在水下声学传感器网络中由目的端向中继转发节点发射信号；

信号反转模块，被配置为所述中继转发节点接收到所述发射信号，所述中继转发节点中的从节点将所述发射信号转发给所述中继转发节点中的主节点，所述主节点将接收到的所述从节点发射的信号以所述主节点接收到的所述发射信号为参考点进行相位反转得到反转信号；

相位同步模块，被配置为所述主节点将所述反转信号发送给所述从节点，所述从节点将所述反转信号发送给所述目的端，从而使得所述目的端接收到的所述反转信号的相位与所述目的端接收到的由所述主节点发送的信号的相位初步同步。

8.根据权利要求7所述的水下声学传感器网络的相位同步装置，其特征在于，所述初步同步单元具体包括：

网络建设模块，被配置为设置一个调整周期时间为T，将时间T均分为2×(N+1)时间段(T₀,T₁,...,T_N,...,T_2N+1)，并设置在波束形成区域内的所述水下声学传感器网络有N+1个所述中继转发节点，在波束形成区域外设置有所述目的端，所述中继转发节点包括N个所述从节点和一个所述主节点，第i个所述中继转发节点中，其中i＝0,1,...,N，当i＝0为主节点，当i＞0，第i个中继转发节点为第i从节点；

第一信号发射模块，被配置为在T₀时刻由所述目的端发射信号m(t)＝cos(wt)到所有中继转发节点，第i个中继转发节点接收到信号时相对于目的端有时延t_i，第i个中继转发节点接收到的信号为a_icos(w(t+t_i))，其中a_i为第i个中继转发节点接收到所述目的端的信号的幅值；

第二信号发射模块，被配置为在T₁时刻由第一从节点将接收到的信号转发给所述主节点，此时所述主节点收到所述第一从节点转发的信号为b₁cos(w(t+t₁+k₁))，其中k_i为所述第i从节点到所述主节点的传播时延，其中b_i为所述主节点接收到所述第i从节点转发的信号的幅值；

第一相位同步模块，被配置为在T₂时刻以所述主节点从所述目的端接收到的信号作为参考点，对在T₁时刻所述主节点接收到的信号进行相位反转，反转信号为c₁cos(w(t+t₀-t₁-k₁))，将所述反转信号发送给所述第一从节点，所述第一从节点收到的信号为d₁cos(w(t+t₀-t₁))，若此时所述第一从节点以cos(w(t+t₀-t₁))作为发射信号发射到所述目的端，同时所述主节点发送发射信号cos(wt)到所述目的端，所述第一从节点和所述主节点的发射信号到达所述目的端时分别为a₀cos(w(t+t₀))和a₁cos(w(t+t₀))，使得所述第一从节点与所述主节点初步相位同步，并存在所述第一从节点与所述主节点相位同步的相位误差γ₁；

重复模块，被配置为在(T₃,T₄,...,T_N,...,T_2N+1)时刻对所述第i从节点、所述主节点和所述目的端重复上述模块的步骤，得到所述第i从节点与所述主节点相位初步同步的相位误差γ_i。

9.根据权利要求8所述的水下声学传感器网络的相位同步方法，其特征在于，所述精确同步单元包括：

误差消除模块，被配置为在所述中继转发节点的所述发射信号的相位中设置相位扰动以消除所述相位误差，并将所述发射信号发送到所述目的端，并计算得到所述目的端的接收信号强度；

反馈调整模块，被配置为在所述目的端设置接收信号强度的最高观测值，将所述接收信号强度与所述最高观测值进行比较，根据比较结果反馈到所述中继转发节点对所述相位扰动进行调整获得相位的精确同步；

最高观测值迭代模块，被配置为根据所述接收信号强度与所述最高观测值的比较结果对所述最高观测值进行迭代更新。

10.根据权利要求9所述的水下声学传感器网络的相位同步装置，其特征在于，所述精确同步单元具体包括：

信号强度计算模块，被配置为所述第i个中继转发节点的发射信号为其中，表示发射器的放大倍数，为便于分析假设则所述目的端的接收信号强度Y为：

其中，a_i和ψ_i分别是所有发射信号经过一个复杂信道后的幅值和延时，Φ_i表示所述目的端接收到所述第i个中继转发节点发射的信号相位；

扰动模块，被配置为设置在每个时间段内对所有中继转发节点的振荡器产生一个微小的相位扰动δ_i[n]以消除所述相位误差γ_i，此时得到一个相位变量为其中Φ_i[n]表示的是所述目的端接收到所述第i个中继转发节点发射的信号经过n次迭代后的相位变量，得到所述目的端的接收信号强度为：

信号强度比较模块，被配置为令表示所述目的端的接收信号强度的最高观测值，在所述目的端将Y[n]的值与Y_best[n]的值进行比较以迭代更新得到所述目的端的接收信号强度的最高观测值：

调整同步模块，被配置为所述目的端根据Y[n]与Y_best[n]的比较值将反馈信号发送给所述第i个中继转发节点，并对所述第i个中继转发节点的相位变量进行调整：

使得所有中继转发节点的相位精确同步，所述目的端的接收信号强度收敛于最大值。