基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法

摘要

本发明涉及水声通信领域，具体涉及基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法。本发明包括：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；通信节点A在T2时刻接收到B节点的同步配置信号a′；B节点在T4时刻接收到A节点在T3时刻发送的同步请求信号b′后；A节点在T6时刻接收到B节点的同步应答信号c′；B节点依据自身计算获得的时钟偏差和A节点计算获得的时钟偏差。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，时钟同步精度可以达到1毫秒以下。

权利要求

1.基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法，其特征在于，包括下述步骤：(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T1；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；

(2)通信节点A在T2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；

通信节点A即为A节点；A节点在T3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fΔ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T2及T3两个时刻的信息；

(3)B节点在T4时刻接收到A节点在T3时刻发送的同步请求信号b′后，在T5时刻再次发送含有T4、T5时刻的信息进行编码后，发送同步应答信号c′给A节点；

(4)A节点在T6时刻接收到B节点的同步应答信号c′，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T1时刻B节点与A节点的相对距离为L1，根据B节点获得的四个时刻值T1、T2、T3、T4及相对运动速度v得到其中，L2是T2时刻B节点与A节点的相对距离，L4是T4时刻B节点与A节点的相对距离； 为B节点要估计的时钟偏差；

求出固定时钟偏差 和相对斜距 即

根据四个时刻值T3、T4、T5、T6及相对运动速度v，得到A节点的时钟偏差(5)B节点依据自身计算获得的时钟偏差 和A节点计算获得的时钟偏差 计算两者差值，若差值小于所设门限，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。

2.根据权利要求1所述的基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法，其特征在于：所述步骤(2)中通信节点A在T2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：(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以后通过一个低通滤波器，得到匹配以后的信号包络e′；低通滤波器的带宽与同步配置信号带宽相等；

(2.2)对信号包络e′进行门限判决，对超过判决门限的信号包络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门限，而且相关峰3dB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′；

(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fΔ，从而得到节点间相对运动速度v。

3.根据权利要求2所述的基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法，其特征在于：所述步骤(2.3)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：B节点在T1时刻发送时的域数据信号为x(k)，它的复通频带等效信号为s(k)＝x(k)exp(2×pi×j×ftx×k×Ts)

式中，ftx为发送的载波频率；pi为π，j为虚部；k为采样点下标；Ts为采样间隔；

在接收端，即A节点，在忽略噪声的情况下，复的基带信号为

式中，frx为接收的载波频率；fΔ为频偏，fΔ＝ftx-frx；ε＝NfΔTs＝N(ftx-frx)Ts为归一化载波频率偏差，N为采样点数；

两个线性调频信号的总长度为L，中间变量

其中，D为截取的单个信号为长度；r*(·)为r(·)转置；

得到归一化载波频率偏差的估计值为

其中，∠R为R的相位；

根据归一化载波频率偏差ε＝NfΔTs＝N(ftx-frx)Ts求得fΔ；

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；

4.根据权利要求3所述的基于声链路测距、测速的水声通信动态时钟同步方法，其特征在于：所述步骤(2.3)的归一化载波频率偏差估计值ε的估计范围

说明书

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] 本发明涉及水声通信领域，具体涉及基于声链路测距、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以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，这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以忽略不计，由于无线电波的即时传播特性，这些假设是合理的。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 synchronization for high latency acoustic networks》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TSHL：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，这限制了其在水下移动节点场合的应用。王怿等人的《水下传感网时钟同步与节点定位研究》通过增大TSHL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TSHL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，传播时延变得难以预测，这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TSHL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] 本发明的目的是这样实现的：

[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T1；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] (2)通信节点A在T2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T3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fΔ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T2及T3两个时刻的信息；

[0008] (3)B节点在T4时刻接收到A节点在T3时刻发送的同步请求信号b′后，在T5时刻再次发送含有T4、T5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T6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；设在T1时刻B节点与A节点的相对距离为L1，根据B节点获得的四个时刻值T1、T2、T3、T4及相对运动速度v得到[0010]

[0011] 其中，L2是T2时刻B节点与A节点的相对距离，L4是T4时刻B节点与A节点的相对距离； 为B节点要估计的时钟偏差；

[0012] 求出固定时钟偏差 和相对斜距 即

[0013]

[0014]

[0015] 根据四个时刻值T3、T4、T5、T6及相对运动速度v，得到A节点的时钟偏差[0016] (5)B节点依据自身计算获得的时钟偏差 和A节点计算获得的时钟偏差 计算两者差值，若差值小于所设门限，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(2)中通信节点A在T2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以后通过一个低通滤波器，得到匹配以后的信号包络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′进行门限判决，对超过判决门限的信号包络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门限，而且相关峰3dB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fΔ，从而得到节点间相对运动速度v。

[0021] 所述步骤(2.3)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T1时刻发送时的域数据信号为x(k)，它的复通频带等效信号为

[0023] s(k)＝x(k)exp(2×pi×j×ftx×k×Ts)

[0024] 式中，ftx为发送的载波频率；pi为π，j为虚部；k为采样点下标；Ts为采样间隔；

[0025] 在接收端，即A节点，在忽略噪声的情况下，复的基带信号为

[0026]

[0027] 式中，frx为接收的载波频率；fΔ为频偏，fΔ＝ftx-frx；ε＝NfΔTs＝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

[0029]

[0030] 其中，D为截取的单个信号为长度；r*(·)为r(·)转置；

[0031] 得到归一化载波频率偏差的估计值为

[0032]

[0033] 其中，∠R为R的相位；

[0034] 根据归一化载波频率偏差ε＝NfΔTs＝N(ftx-frx)Ts求得fΔ；

[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；

[0036]

[0037] 所述步骤(2.3)的归一化载波频率偏差估计值ε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，时钟同步精度可以达到1毫秒以下。

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，涉及水声通信领域，具体涉及水声通信动态时钟同步方法。为了解决传统的TSHL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，得到匹配以后的信号包络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fΔ，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节点的时钟偏差和A节点的时钟偏差 并计算两者差值，当差值小于所设门限，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：

[0044] 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T1；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，脉冲对用于帧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；

[0045] 步骤2、通信节点A在T2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T3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fΔ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T2及T3两个时刻的信息；

[0047] 步骤3、B节点在T4时刻接收到A节点在T3时刻发送的同步请求信号b′后，在T5时刻再次发送含有T4、T5时刻的信息进行编码后，发送同步应答信号c′给A节点；

[0048] 步骤4、A节点在T6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，这个假设在较远距离通信时是合理的)；设在T1时刻B节点与A节点的相对距离为L1，根据B节点获得的四个时刻值T1、T2、T3、T4及相对运动速度v得到

[0049]

[0050] 其中，L2是T2时刻B节点与A节点的相对距离，L4是T4时刻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] 由以上方程组(1)可求出固定时钟偏差 和相对斜距 即

[0052]

[0053]

[0054] 根据四个时刻值T3、T4、T5、T6及相对运动速度v，可以得到A节点的时钟偏差[0055] 步骤5、B节点依据自身计算获得的时钟偏差 和A节点计算获得的时钟偏差 计算两者差值，若差值小于所设门限，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。

[0056] 具体实施方式一：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方法，包括下述步骤：

[0057] 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T1；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，脉冲对用于帧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；

[0058] 步骤2、通信节点A在T2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；

[0059] 通信节点A即为A节点；A节点在T3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fΔ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T2及T3两个时刻的信息；

[0060] 步骤3、B节点在T4时刻接收到A节点在T3时刻发送的同步请求信号b′后，在T5时刻再次发送含有T4、T5时刻的信息进行编码后，发送同步应答信号c′给A节点；

[0061] 步骤4、A节点在T6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，这个假设在较远距离通信时是合理的)；设在T1时刻B节点与A节点的相对距离为L1，根据B节点获得的四个时刻值T1、T2、T3、T4及相对运动速度v，得到

[0062]

[0063] 其中，L2是T2时刻B节点与A节点的相对距离，L4是T4时刻B节点与A节点的相对距离； 为B节点要估计的时钟偏差；

[0064] 由以上方程组(1)可求出固定时钟偏差 和相对斜距 即

[0065]

[0066]

[0067] A节点可以根据四个时刻值T3、T4、T5、T6及相对运动速度v，得到A节点的时钟偏差[0068] 步骤5、B节点依据自身计算获得的时钟偏差 和A节点计算获得的时钟偏差计算两者差值，若差值小于所设门限，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。

[0069] 具体实施方式二：本实施方式所述的步骤2中通信节点A在T2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的具体步骤如下：

[0070] 步骤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以后通过一个低通滤波器，得到匹配以后的信号包络e′；低通滤波器的带宽与同步配置信号带宽相等；

[0071] 步骤2.2：对信号包络e′进行门限判决，对超过判决门限的信号包络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门限，而且相关峰3dB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′；

[0072] 步骤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fΔ，从而得到节点间相对运动速度v。

[0073] 其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

[0074] 具体实施方式三：本实施方式中的步骤2.3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，

[0075] 具体步骤入下：

[0076] 通过采用互相关协方差方法对前后串联的线性调频信号的频偏进行估计，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，从而补偿同步周期内由于节点运动导致的双程传播时延的不对等，提高时钟同步的精度；

[0077] B节点在T1时刻发送时的域数据信号为x(k)，它的复通频带等效信号为

[0078] s(k)＝x(k)exp(2×pi×j×ftx×k×Ts)   (4)式中，ftx为发送的载波频率；pi为π，j为虚部；k为采样点下标；Ts为采样间隔；

[0079] 在接收端，即A节点，在忽略噪声的情况下，复的基带信号为

[0080]

[0081] 式中，frx为接收的载波频率；fΔ为频偏，fΔ＝ftx-frx；ε＝NfΔTs＝N(ftx-frx)Ts为归一化载波频率偏差，N为采样点数；

[0082] 定义两个线性调频信号的总长度为L，定义中间变量

[0083]

[0084] 其中，D为截取的单个信号为长度；r*(·)为r(·)转置；

[0085] 有公式(6)得到归一化载波频率偏差的估计值为

[0086]

[0087] 其中，∠R为R的相位；

[0088] 根据公式(7)和归一化载波频率偏差ε＝NfΔTs＝N(ftx-frx)Ts可以求得fΔ；

[0089] 依据多普勒原理，根据公式(8)估算出同步周期内两个通信节点间的相对速度v；

[0090]

[0091] 其它步骤和参数与具体实施方式二相同。

[0092] 具体实施方式四：本实施方式所述步骤2.3所述的归一化载波频率偏差估计值ε的估计范围