推荐星级:
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5

大规模水下传感器网络时间同步研究

更新时间:2019-12-20 13:34:42 大小:250K 上传用户:江岚查看TA发布的资源 浏览次数:50 下载积分:3分 出售积分赚钱 评价赚积分 ( 如何评价?) 标签:水下传感器 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

摘 要:该文针对大规模水下传感器网络,对信标节点覆盖内的节点,设计了基于静态信标节点的时间同步算法;

对信标节点覆盖范围外的节点,设计了动态节点辅助的时间同步算法。减少了节点移动对同步精度的影响。同时,

根据水下声速变化规律,设计了水下传感器网络分层时间同步机制,有效克服了已有算法在处理大规模水下传感器

网络时间同步问题上的不足。仿真结果表明,该方法的同步效果明显好于现有的算法。


部分文件列表

文件名 大小
大规模水下传感器网络时间同步研究.pdf 250K

部分页面预览

(完整内容请下载后查看)
36 卷第 6 期  
2014 6 月  
Vol.36No.6  
Jun. 2014  
Journal of Electronics & Information Technology  
大规模水下传感器网络时间同步研究  
*  
(青岛科技大学 青岛 266061)  
要:该文针对大规模水下传感器网络,对信标节点覆盖内的节点,设计了基于静态信标节点的时间同步算法;  
对信标节点覆盖范围外的节点,设计了动态节点辅助的时间同步算法。减少了节点移动对同步精度的影响。同时,  
根据水下声速变化规律计了水下传感器网络分层时间同步机制效克服了已有算法在处理大规模水下传感器  
网络时间同步问题上的不足。仿真结果表明,该方法的同步效果明显好于现有的算法。  
关键词:水下传感器网络;时间同步;信标节点;动态节点;分层  
中图分类号TP393  
文献标识码A  
文章编号1009-5896(2014)06-1498-06  
DOI: 10.3724/SP.J.1146.2013.01128  
Clock Synchronization Study for Large Scale Underwater Sensor Networks  
Guo Ying  
Zhang Zhen  
(Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266061, China)  
Abstract: For large scale underwater sensor networks, the characteristics of underwater acoustic channel are  
investigated. A static beacon node based clock synchronization algorithm is presented for the nodes inside the  
beacon node’s coverage area, and a dynamic node assisted clock synchronization algorithm is designed for the  
nodes outside the beacon node’s coverage area. These methods reduce the effect of node mobility. A layering clock  
synchronization mechanism based on the feature of underwater sound velocity is proposed, which solves the clock  
synchronization problem of large scale underwater sensor networks. The simulation results show that, the proposed  
synchronization method is obviously better than existing algorithms.  
Key words: Underwater sensor network; Clock synchronization; Mobile beacon; Dynamic node; Layering  
1 引言  
Synchronization, RBS)[6] 算法是一个典型的基于  
“接收者-接收者同步算法点间通过交换接  
收时间戳,对比本地时钟,经过计算实现接收节点  
时间的彼此同步。基于“发送者-接收者”的双向时  
间 同 步 协 议 (Timing-sync Protocol for Sensor  
Networks, TPSN)[7]采用逐层同步方式实现全网的  
时间同步,文献[8]提出通过牺牲一定精度来减少能  
量开销的时间同步算法(Light Weight Tree-based  
Synchronization, LTS)。为了避免往返传输时间估  
计,减少交换消息的数量,产生了基于“发送者-接  
收者”的单向时间同步机制,洪泛时间同步协议  
(Flooding Time Synchronization Protocol, FTSP)[9]  
利用节点间交换时钟信息和线性衰减来实现同步。  
文 献 [10] 提 出 全 局 同 步 算 法 (Global Clock  
Synchronization)个节点周期性地向其邻居节点  
广播包含它当前时间信息的数据包,接收者计算出  
这些时间的平均值并发送到其邻居节点,再将该值  
当作新的时间值,如此循环直到达到整个网络的同  
步。  
海洋在人类生活中所起的作用日益显著,水下  
传感器网络得到人们越来越多的关注,并广泛应用  
在海洋环境监测染监控源勘测标探测、  
跟踪定位等领域[1,2]。时间同步是水下传感器网络的  
关键技术之一,传感器节点采集的数据和时间信息  
匹配才有意义,它也是实现网络协同工作、协同休  
眠等技术的基础[3]。  
现阶段,研究者们已经取得了大量陆地传感器  
网络时间同步算法的研究成果[4,5],传感器网络时间  
同步算法按数据包交换方式的不同可分为 3 类:基  
于“接收者-接收者”的算法,基于“发送者-接收  
双向算法和基发送者-接收者单向算  
法 。 参 考 广 播 同 步 (Reference Broadcast  
2013-07-30 收到,2013-11-15 改回  
青 岛 市 科 技 计 划 项 目 (12-1-4-3-(16)-jch), 国 家 自 然 科 学 基 金  
(61103196, 61170258)和山东省优秀中青年科学家科研奖励基金  
(BS2012DX011)资助课题  
由于没有考虑水下传输的特殊性,陆地传感器  
*通信作者:郭瑛
6 期  
瑛等: 大规模水下传感器网络时间同步研究  
1499  
网络时间同步算法不能直接用于水下环境。水下传  
感器网络采用水声通信,与采用无线电通信的陆地  
传感器网络有许多不同之处。水声通信的传播速度  
比较低,声音在水中的速度约为 1500 m/s,比无线  
电相差 5 个数量级。而且声速在水中受温度、深度  
和盐度等因素的影响,具有动态变化的特点,使传  
播延迟难以准确预测和计算。在海流等因素的作用  
下,传感器节点具有一定的移动性[11]。节点的移动  
导致节点间的距离发生变化,还会产生多普勒频移  
效应[12],也增加了传播延迟的估计难度。此外,水  
声通信的可用带宽窄,数据率低,误码率高,受海  
洋内波、背景噪音、信号多径传播、多普勒频移等  
因素影响,信号不稳定,具有高度时空多变性。  
针对水下传感器网络时间同步问题,研究者们  
做了一系列的研究,并取得了一些成果[13]Syed 等  
感器网络分层同步机制,以保障时间同步算法的有  
效性。本文主要内容如下:(1)设计基于静态信标节  
点的移动水下传感器网络时间同步算法。(2)研究水  
下信息传输和节点移动的规律,设计动态节点辅助  
的时间同步算法步信标节点覆盖范围外的节点。  
(3)分析水声速度变化特点,设计分层的水下传感器  
网络时间同步机制,进一步提高时间同步精度。  
2 算法设计  
本节首先介绍水下传感器网络时间同步的基本  
思想,然后针对大规模水下传感器网络,设计基于  
静态信标节点和动态节点的时间同步算法。  
2.1 时间同步基本思想  
传感器节点的时间由内部时钟控制,而内部时  
钟与振荡器的频率有关,由于硬件、制作工艺等方  
面的原因,不同节点有不同的频率变化,因而有不  
同的内部时钟,导致不同节点的时间不同步。节点  
的本地时间和标准时间之间关系为  
[14] 提 出 了 高 延 迟 网 络 时 间 同 步 协 议 (Time  
Synchronization for High Latency networks,  
TSHL)Tian 等人[15]借鉴了 RBS 算法中的漂移率  
建模的思想和 TPSN 算法中的 MAC 层打时间戳以  
减小抖动的思想,提出一种轻量级、高延迟传感器  
网络时间同步算法。但是它们假设网络中的节点是  
静止不动的,节点间的传播延迟固定不变,而水下  
节点会受海流的影响而移动,导致时间同步的误差  
比较大。MU-Sync[16]采用分簇的方法实现簇首和簇  
内节点之间的时间同步,但需要较多的信标节点均  
匀部署在网络中作为簇首节点,导致节点部署成本  
高,部署方案容易受水下环境的影响。用于层次水  
下传感器网络的 Mobi-Sync[17]通过节点间的几何关  
系消除节点移动的影响,其要求自定位的浮漂节点  
和能量充足的超级节点,并要在计算中使用节点的  
位置关系。D-Sync[18]利用多普勒频移来进行时间同  
步,但是需要用多普勒频移测量值和节点的速度推  
算传播延迟。  
T = aiti +bi  
(1)  
i
式中 i 代表节点编号Ti 代表标准时间ti 代表节点  
的当地时间,ai 为时钟漂移,bi 为时钟偏移。  
时间同步的基本思想是节点通过数据交换的方  
式,估计时钟漂移和偏移,修正本地时钟,使得本  
地时钟和标准时钟保持同步。  
2.2 静态信标同步算法  
为了减少节点移动对时间同步精度的影响,避  
免节点移动带来的误差,在时间同步的过程中,具  
有标准时间的信标节点在同步过程中保持静止状  
态,这种基于静态信标同步(Beacon Node based  
Clock Synchronization)算法简称为 B-Sync。  
如图 1 所示,节点 A 是信标节点,具有标准时  
间,它在同步的过程中不移动位置。节点 B 是待同  
步的普通节点,随海流等因素而运动。为了提高精  
度,同步数据包中的时间信息是来自 MAC 层的时  
间戳。  
这些水下传感器网络时间同步算法都是基于  
“成对节点(pair wise)的同步方式要研究具有  
标准时间的信标节点和单个待同步节点之间的关  
系,而没有考虑水下传感器网络的部署规模。对于  
大规模部署的水下传感器网络,具有标准时间的信  
标节点难以覆盖整个部署区域,而且水声通信传播  
延时长,速率低,易受环境影响,简单地把“成对  
节点”的时间同步算法扩展到整个网络,必然降低  
时间同步的精度。  
本文针对大规模水下传感器网络,系统地研究  
了基于信标节点的同步算法,以及对于信标节点覆  
盖范围外的节点,利用已经同步的动态节点辅助同  
步的方法,并基于水声的传播规律,设计了水下传  
1 静态信标同步示意图  

推荐下载

全部评论(0)

暂无评论