CN110784920A - 一种水下滑翔机间的时间同步与多址接入融合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向水下滑翔机的时间同步和多址接入融合方法，将每个滑翔机组看做一个整体，保障同一条通信链路上的滑翔机组间能够进行无信标、局部的时间同步，同时，将时间同步和多址接入的控制帧进行融合，用于滑翔机间的信息交换，设同一条链路上的滑翔机组GT‑A和GT‑B都同时想要传输数据给GT‑C，GT‑A和GT‑B在一个时隙开始时，发送REQUEST帧给GT‑C；REQUEST帧包含声信道增益和信道状态的信道信息，发送时刻tg1，以及根据是否需要进行时间同步而设置的Sync部分，如果组间仅需要完成多址接入过程，则将Sync取值设为0；若需要同时完成组间时间同步和多址接入过程，则将Sync设为为1。

Description

一种水下滑翔机间的时间同步与多址接入融合方法
技术领域
本发明涉及水下无线传感器网络领域，具体讲的是一种面向多个水下滑翔机协同工作的水下网络的时间同步与多址接入的融合方法。
背景技术
水下传感器网络中，由于传统的传感器节点有限的能量和移动范围，因此水下滑翔机凭借其具有较长的电池寿命和数千米的下潜能力，被广泛应用于长时间、大范围的海洋环境监测中。而单个滑翔机的监测区域有限，因此水下传感器网络常采用多个滑翔机按照一定规划编队航行，协同工作完成监测任务。然而，水下滑翔机组网受复杂水体环境的影响，还常存在很多关键问题。例如，水下工作的滑翔机能够周期地浮到水面上使用全球导航系统(GPS)完成时间同步，相互之间保持统一的标准时钟。但在某些军事项目中，滑翔机不能经常浮到水面上以免被发现，无法直接利用GPS获取标准时钟戳，这将严重导致滑翔机无法进行时间同步。
目前，水下传感器网络中的时间同步算法大多致力于解决长传输延时，节点移动性等问题，但由于水下滑翔机存在无法直接利用GPS获取标准时间戳以及移动范围较广等特殊的现实问题，现存有的时间同步算法大多不足以保证水下滑翔机组网实现时间同步。并且，水下节点间完成时间同步常采用全局的时间同步方法，这常会造成节点发送控制帧的冗余以及加大了网络开销，因此，如何在降低开销的前提下完成水下节点间的时间同步过程也成为了一项挑战。
此外，尽管水下传感器网络的时间同步和多址接入控制协议是紧密相关的，但二者的过程往往是独立进行的。在同步过程中，节点间通过MAC层的分组传输实现时间戳的交换；在MAC层传输协议中，节点间通过控制帧的交换，达到沟通目的。两个交换过程分别独立进行，大大增加了控制帧交换次数，造成时间资源和能量资源的浪费。
因此，本发明提出了一种面向水下滑翔机的时间同步与多址接入的融合方法。在组间进行无信标、局部的时间同步方法，同时，提出一种新的控制帧用于节点间的信息交换，从而可以将多址接入与时间同步过程相融合。本发明旨在提高投递率，降低同步误差，节约网络开销。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以提高水下滑翔机组间时间同步的精度的水下滑翔机间的时间同步与多址接入融合方法。本发明考虑滑翔机间的相对移动性来完成时间同步，在保证滑翔机组内时间同步的前提下，将各滑翔机组看成一个整体，在滑翔机间进行无信标，局部的时间同步，保证在一条链路上的各个滑翔机组间的时间同步，相比于采用全局的时间同步方法可以节省同步的控制帧发送数量，降低开销。同时，将时间同步和多址接入的控制帧融合为一个新的控制帧，能够用于时间同步和多址接入两过程，减少控制帧的交换次数，从而提高能量效率，降低时间和能量资源的浪费。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种面向水下滑翔机的时间同步和多址接入融合方法，将每个滑翔机组看做一个整体，保障同一条通信链路上的滑翔机组间能够进行无信标、局部的时间同步，同时，将时间同步和多址接入的控制帧进行融合，用于滑翔机间的信息交换；步骤如下：
1)设同一条链路上的滑翔机组GT-A和GT-B都同时想要传输数据给GT-C，GT-A和GT-B在一个时隙开始时，发送REQUEST帧给GT-C；REQUEST帧包含声信道增益和信道状态的信道信息，发送时刻tg1，以及根据是否需要进行时间同步而设置的Sync部分，如果组间仅需要完成多址接入过程，则将Sync取值设为0；若需要同时完成组间时间同步和多址接入过程，则将Sync设为为1；
2)GT-C收到REQUEST帧后进行解析，记录此时时刻为tg2，若Sync为0，则直接进行步骤3；若Sync为1，则进行步骤4；
3)GT-C为每个发送滑翔机组分配信道，并发送包含传输功率和信道信息的REQ-ACK帧给GT-A和GT-B，此时记录时刻为tg3；第一个接收到REQ-ACK的滑翔机组先以预定的信道和给定的传输功率发送DATA给GT-C，并把接收到REQ-ACK的时间记为tg4；GT-C收到DATA后会回复一个ACK给GT-A或GT-B；整个数据传输过程完成；
4)GT-C为每个发送滑翔机组分配信道，并发送包含传输功率和信道信息的REQ-ACK帧给GT-A和GT-B，此时记录时刻为tg3；第一个接收到REQ-ACK的滑翔机组先以预定的信道和给定的传输功率发送DATA给GT-C，并把接收到REQ-ACK的时间记为tg4；GT-A和GT-B中的一组，设为GT-A，首先发送DATA给GT-C；则在发送DATA之前，GT-A首先通过组间时间同步算法计算传播延时，计算公式如下所示：
Δtg＝tg4-tg3+tg2-tg1 (1)
Figure BDA0002204923830000021
Figure BDA0002204923830000031
其中，Dα同步前两节点的距离，vt代表水下声速；vm代表两个滑翔机组的相对速度，
Figure BDA0002204923830000032
代表GT-A和GT-C之间的传播延时，GT-A把传播延时加入DATA中发送给GT-C；其中，两个滑翔机组相对速度的估计公式如下：
Figure BDA0002204923830000033
Figure BDA0002204923830000034
其中，
Figure BDA0002204923830000035
代表的是多普勒因子的估计值；是多普勒扩散因子；δ代表多普勒因子估计的偏差；
5)在GT-C成功接收到DATA之后，利用公式(6)计算出调整时间t∑，再将自身的本地时钟与t∑相加，得到更新后的同步时钟，从而完成两个滑翔机组间的时间同步过程；调整时间的计算公式如下：
Figure BDA0002204923830000037
其中，ts代表GT-A的发送一个帧时间，tr代表GT-A的接收一个帧时间；之后，GT-C回复ACK帧给GT-A；与此同时，两个滑翔机组之间完整的通信过程完成了，同时完成了滑翔机组间的时间同步过程。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)本发明中滑翔机组间的时间同步方法，是保证同一通信链路上的滑翔机之间保持同步，可以有效地减少控制帧的发送数量，减少帧的冲突和网络开销。
(2)本发明提出的时间同步方法考虑了两个滑翔机组之间的相对速度，可以减少同步误差，提高同步精度和效率。
(3)本发明提出的方法设计了一种新的控制帧用于信息交换，可以将时间同步和多址接入过程相融合，节省两过程控制帧的交换次数，从而有效地提高能量效率，减少时间和能量资源的浪费。
附图说明
图1是网络场景图
图2是机制流程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
如图1所示，网络中包含四个滑翔机组(GT-A、GT-B、GT-C和GT-D)协同工作，每个滑翔机组包含3台滑翔机，并按一定的编队航行。滑翔机组每经过一段时间间隔进行一次组内时间同步，保证组内滑翔机的时间同步。具体间隔时间按照不同的应用场景，根据滑翔机之间的时间偏差阈值和一天内累积的时间精度来确定。在此基础上，当四个滑翔机组间进行时间同步和多址接入过程的步骤如下：
1)组间时间同步过程，将每个滑翔机组都看做一个整体。例如，当在同一条链路上的GT-A和GT-B都想要同时传输数据给GT-C时，GT-A和GT-B都要在第一个时隙开始的时候，发送REQUEST帧给GT-C。REQUEST帧包含声信道增益和信道状态的信道信息，发送时刻tg1，以及根据是否需要进行时间同步而设置的Sync部分。如果组间仅需要完成多址接入过程，则将Sync取值设为0，若需要同时完成组间时间同步和多址接入过程，则将Sync设为为1。
2)GT-C收到REQUEST帧后进行解析，此时时刻为tg2，GT-C采用联合信道分配算法和功率控制算法来调整传输频率并为每个发送滑翔机组分配信道，并发送包含传输功率和信道信息的REQ-ACK帧给GT-A和GT-B，此时时刻为tg3。
3)第一个接收到REQ-ACK的滑翔机组先在步骤(1)预定的信道以给定的传输功率发送DATA给GT-C，并把接收到REQ-ACK的时间记为tg4。在此例子中的场景下，GT-A首先发送DATA给GT-C。在发送DATA之前，GT-A首先通过组间时间同步算法计算传播延时，计算公式如下所示：
Δtg＝tg4-tg3+tg2-tg1 (1)
Figure BDA0002204923830000041
其中，Dα同步前两节点的距离，vm代表两个滑翔机组的相对速度，
Figure BDA0002204923830000043
代表GT-A和GT-C之间的传播延时，GT-A把传播延时加入DATA中发送给GT-C。其中，两个滑翔机组相对速度的估计公式如下：
Figure BDA0002204923830000044
Figure BDA0002204923830000045
其中，
Figure BDA0002204923830000051
代表的是多普勒因子的估计值。
Figure BDA0002204923830000052
是多普勒扩散因子。δ代表多普勒因子估计的偏差。vt代表水下声速。
4)在GT-C成功接收到DATA之后，利用公式(6)计算出调整时间t∑，再将自身的本地时钟与t∑相加，得到更新后的同步时钟，从而完成两个滑翔机组间的时间同步过程。
其中，ts代表GT-A的发送一个帧时间，tr代表GT-A的接收一个帧时间。之后，GT-C回复ACK帧给GT-A。与此同时，两个滑翔机组之间完整的通信过程完成了。
下面结合附图说明水下滑翔机间时间同步与多址接入融合方法的实施过程：
每隔一段时间阈值之后，滑翔机组将进行一次组内时间同步。当一条通信链路上的滑翔机组之间想要进行通信时，可以根据滑翔机组之间交换得到的REQUEST帧中SYNC取值的不同，相应完成时间同步和多址接入数据传输的过程。

Claims (1)

1.一种面向水下滑翔机的时间同步和多址接入融合方法，将每个滑翔机组看做一个整体，保障同一条通信链路上的滑翔机组间能够进行无信标、局部的时间同步，同时，将时间同步和多址接入的控制帧进行融合，用于滑翔机间的信息交换；步骤如下：
1)设同一条链路上的滑翔机组GT-A和GT-B都同时想要传输数据给GT-C，GT-A和GT-B在一个时隙开始时，发送REQUEST帧给GT-C；REQUEST帧包含声信道增益和信道状态的信道信息，发送时刻tg1，以及根据是否需要进行时间同步而设置的Sync部分，如果组间仅需要完成多址接入过程，则将Sync取值设为0；若需要同时完成组间时间同步和多址接入过程，则将Sync设为为1；
2)GT-C收到REQUEST帧后进行解析，记录此时时刻为tg2，若Sync为0，则直接进行步骤3；若Sync为1，则进行步骤4；
3)GT-C为每个发送滑翔机组分配信道，并发送包含传输功率和信道信息的REQ-ACK帧给GT-A和GT-B，此时记录时刻为tg3；第一个接收到REQ-ACK的滑翔机组先以预定的信道和给定的传输功率发送DATA给GT-C，并把接收到REQ-ACK的时间记为tg4；GT-C收到DATA后会回复一个ACK给GT-A或GT-B；整个数据传输过程完成；
4)GT-C为每个发送滑翔机组分配信道，并发送包含传输功率和信道信息的REQ-ACK帧给GT-A和GT-B，此时记录时刻为tg3；第一个接收到REQ-ACK的滑翔机组先以预定的信道和给定的传输功率发送DATA给GT-C，并把接收到REQ-ACK的时间记为tg4；GT-A和GT-B中的一组，设为GT-A，首先发送DATA给GT-C；则在发送DATA之前，GT-A首先通过组间时间同步算法计算传播延时，计算公式如下所示：
Δtg＝tg4-tg3+tg2-tg1 (1)
Figure FDA0002204923820000011
Figure FDA0002204923820000012
其中，Dα同步前两节点的距离，vt代表水下声速；vm代表两个滑翔机组的相对速度，
Figure FDA0002204923820000013
代表GT-A和GT-C之间的传播延时，GT-A把传播延时加入DATA中发送给GT-C；其中，两个滑翔机组相对速度的估计公式如下：
Figure FDA0002204923820000014
Figure FDA0002204923820000015
其中，
Figure FDA0002204923820000016
代表的是多普勒因子的估计值；
Figure FDA0002204923820000017
是多普勒扩散因子；δ代表多普勒因子估计的偏差；
5)在GT-C成功接收到DATA之后，利用公式(6)计算出调整时间t∑，再将自身的本地时钟与t∑相加，得到更新后的同步时钟，从而完成两个滑翔机组间的时间同步过程；调整时间的计算公式如下：
Figure FDA0002204923820000018
其中，ts代表GT-A的发送一个帧时间，tr代表GT-A的接收一个帧时间；之后，GT-C回复ACK帧给GT-A；与此同时，两个滑翔机组之间完整的通信过程完成了，同时完成了滑翔机组间的时间同步过程。
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