[發明專利]基于集中式拓撲結構的水下通信網的同步方法

有效

• 申請號: 201310340871.3
• 申請日: 2013-08-07
• 公開（公告）號: CN104348561B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 劉磊;李宇;張揚帆;張春華;黃海寧
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04L7/00
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司11318
• 代理人: 楊小蓉,楊青

技術領域

本發明涉及水聲網絡領域，具體地說，本發明涉及一種基于集中式拓撲結構的水下通信網的同步方法。

背景技術

海洋占據了地球表面70%以上的面積，平均深度達4km，蘊藏著豐富的油氣、動力礦產等資源。同時，海洋是全球運輸的主要通道，是全球環境的調節器，也是多種自然災害的發源地和發生地。因此，海洋是維持人類社會可持續發展的重要戰略空間，對人類的發展和社會進步起到重要作用。各海洋國家都相繼投入了大量的財力開展對海洋的觀測和開發，以期在海洋資源控制中占領主動地位。

相比較于空氣中無線通信環境，水聲信道是一個時變的時延和多普勒雙擴散信道，信道條件非常惡劣。水中的聲速一般在1500m/s左右，與無線電波的傳播速度3.0×10⁸m/s相比差了5個數量級。此外，聲速還受溫度、鹽度和壓力等多方面因素的影響，并且與載體的運動速度、水面的起伏速度等可比擬，因此多途效應、多普勒頻移和信道的時變性更加明顯且復雜。水聲通信的惡劣環境和節點功能的限制影響到水聲網絡協議的設計，并且需要根據不同的應用場景開發更加優化的網絡協議。

水聲通信網的基本拓撲結構有集中式、分布式。集中式屬于主從式結構，分布式屬于對等式結構。

如圖1所示，在集中式網絡中，所有的網絡節點通過一個中心節點進行通信，這一中心節點被稱為主節點，有時也被稱為網絡的集線器，網絡中的其余節點則被稱為從節點。這種拓撲結構適合于深海水聲網絡。在采用集中式拓撲結構的深海水聲網絡中，將帶有水聲通信機和射頻通信機的水面浮標作為中心節點，由該節點與其他水下節點進行通信。此類拓撲結構的主要優點是：結構簡單，便于維護，易于優化；主要缺點是：對中心節點依賴性過大，如果中心節點出現故障，整個網絡將陷入癱瘓。此外，由于單個通信機的傳輸距離有限，網絡不能大面積覆蓋。

分布式拓撲結構，又成為全連接對等拓撲，是指網絡中的每一個節點都可以直接與其他任何一個節點進行通信，如圖2所示。這種拓撲結構的優點是采用分散控制，局部故障不會影響整個網絡的運行，具有很高的可靠性；節點間兩兩可通，不需要路由選擇，網絡延遲也較小。缺點在于，與遠距離節點進行通信時需要很大的功率；此外，近距離處的相鄰節點將對正在與遠距離節點通信的節點造成“遠近效應”問題。和集中式拓撲一樣，這種網絡也會受到單個通信機傳輸距離限制，不能大面積覆蓋。

鑒于集中式拓撲結構的特點，本申請中所涉及的水下通信網絡采用集中式拓撲結構。

在水聲通信網絡中，節點之間的同步是網絡能夠正常工作的前提，在現有技術中，節點同步主要通過節點間的信息交互實現，即計算出一對節點間的傳播延時，從而對節點進行同步。

下面結合圖3，對現有技術中的節點同步方法進行描述。

節點A在t_s時刻，發送路由廣播分組給節點B。節點B接收到路由廣播分組后經過一段處理時間t₀后向節點A發送路由回復分組，路由回復分組中記錄了節點B的處理時間t₀，即應答延時。節點A在時刻t_r收到路由回復分組。假設路由廣播分組、路由回復分組傳播時間相等，可以計算出A、B之間的傳播延時為：

τ_AB＝(t_r-t_s-t₀)/2

在計算出A、B間的傳播延時后，結合節點自身的時鐘就可以實現節點A、B的同步。

現有技術中的上述同步方法在集中式水下通信網中的中心節點發送路由廣播分組后，多個普通節點可能同時回復路由回復分組，路由回復分組在中心節點處容易發生碰撞，從而導致中心節點與發生碰撞的普通節點不能同步。并且，此同步方法采用節點廣播分組實現，分組在物理層以數據的形式發送接收，需要調制和解調，消耗節點的能量較多，同時不易準確地估計接收節點B的處理時間t₀，導致同步的誤差較大。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的水下通信網的節點同步方法容易發生碰撞，影響同步效果的缺陷，從而提供準確、高效的水下通信網的同步方法。

為了實現上述目的，本發明提供了一種基于集中式拓撲結構的水下通信網的同步方法，所述集中式拓撲結構的水下通信網包括中心節點以及通過所述中心節點通信的普通節點，該方法包括：

步驟1）、所述中心節點發送同步信號，并記錄所述同步信號的發送時間；