2017 年 1 月 Journal on Communications January 2017
2017002-1
第 38 卷第 1 期 通 信 学 报 Vol.38
No.1
多普勒辅助水下传感器网络时间同步机制研究
冯晓宁
1
，王卓
2
，朱晓龙
1
，张文
1
（1. 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001；
2. 哈尔滨工程大学水下机器人技术国防科技重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘 要：研究了水下传感器网络（UWSN）时间同步算法。针对水下环境中声信号传播时延长、节点移动性等特
点给时间同步带来的问题，基于多普勒原理提出了一种分布式时间同步算法(NU-Sync)，通过计算相对速度解决
由节点移动导致传播时延不确定的问题，利用自主式水下潜器作为信标节点，通过不断广播时间信息的方式计算
时钟频率偏斜，节省网络的能量消耗。仿真实验表明，与现有算法相比，NU-Sync 能够实现较高的同步精度。
关键词：水下传感器网络；时间同步；多普勒方法；传播时延
中图分类号：TP393.17 文献标识码：A
Doppler auxiliary time synchronization algorithm for
underwater acoustic sensor network
FENG Xiao-ning
1
, WANG Zhuo
2
, ZHU Xiao-long
1
, ZHANG Wen
1
(1. College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University，Harbin 150001, China;
2. National Key Laboratory of Science and Technology on Autonomous Underwater Vehicle, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)
Abstract: Time synchronization problem in underwater acoustic sensor networks (UWSN) was studied. Due to the
propagation of acoustic signals in underwater environment and nodes movement bring some problems to time synchroni-
zation. A distributed time synchronization algorithm was proposed based on Doppler method, called NU-Sync. NU-Sync
solved the problem of uncertainty propagation delay caused by nodes movement through calculating relative velocity.
And autonomous underwater vehicle (AUV) was used as beacon node which can save energy consumption in the process
of calculation clock skew. Simulation resulted show NU-Sync achieves high level time synchronization precision.
Key words: UWSN, time synchronization, Doppler method, propagation delay
1 引言
近几年，由于水下传感器网络（UWSN, un-
derwater acoustic sensor network）存在着巨大的优势
及挑战，吸引了大量的学者进行研究
[1,2]
。UWSN
广泛应用于环境监测、目标追踪和灾难预防等
[3]
。
在这些实际应用中，网络中的普通节点收集信息并
将信息发送到汇聚节点或基站，在汇聚节点或基站
中将这些信息整理转化为有用的信息，这些信息中
有很多是有时间意义的，如事件发生顺序、发生时
间等，因此，时间同步在 UWSN 应用中起着重要
的作用。同时，传感器网络能效问题也直接影响网
络性能，为了节省传感器节点能量，大多数网络中
的节点都采用睡眠—唤醒机制
[4]
，因此，时间同步
就显得更为重要。
相比陆地上无线电通信，水下声通信具有带宽
窄、传播时延长和高误码率等特点，这些特点使陆
地上的传感器网络时间同步算法不能直接应用于
水下环境中
[5]
，并且声信号在水下的传播速度大约
是 1 500 m/s，相比陆地上的无线电波传播速度相差
收稿日期：2016-05-28；修回日期：2016-11-18
通信作者：王卓，wangzhou@hrbeu.edu.cn
基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.61672181, No.51679058）；黑龙江省自然科学基金项目资助(No.F2016005)
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (No.61672181, No.51679058), The Natural Science Founda-
tion of Heilongjiang Province (No.F2016005)
doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2017002
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