水声传感器网络的高效时间同步与定位

Time synchronization and localization are fundamental and important services in a sensor network system. In this project, we investigate the time synchronization and localization problems in the context of underwater sensor networks (UWSNs), where more challenges are introduced because of the unique characteristics of the water environment, and it is hindering the development of UWSNs. Considering the mobility and stratification which are two issues that haven’t been handled effectively in time synchronization and localization, this project consists of three major parts to explore the method to improve the accuracy and energy efficiency of time synchronization and localization in UWSNs. (1) According to the effect of mobility to time synchronization, we propose a mathematical model to extract the Doppler scaling factor generated by mobility to accurately calculate relative movement distance, effectively compensate the variable propagation delay, and eventually improve the accuracy of time synchronization. (2) To handle the effect of reference nodes selection to localization process, we compare the Cramer-Rao lower bound of TDOA（Time Difference of Arrival）and select the optimal set of reference nodes. At the same time, in order to reduce the impact of mobility we apply a linear optimization algorithm (Branch-and-cut) to optimize transmission times of reference nodes, and reduce the time period for movement, thereby improve localization accuracy. 3) Regarding the effects of stratification on synchronization and localization, we take advantage of that time synchronization and localization can share the reference packets and the fact that propagation delay and distance can convert into each other. We propose a joint design algorithm for time synchronization and localization to improve the accuracy of both services jointly and reduce the energy expense.

时间同步和定位是传感器网络最基本和重要的功能之一。水声环境的独特性使实现高精度节能的时间同步和定位更具有挑战性，阻碍了其研究和应用的发展。围绕尚未被很好解决的移动性及分层效应问题，本课题将按以下三个步骤探索提高水声传感器网络中时间同步和定位的精度和能量效率的方法：(1) 针对移动性对时间同步的影响，通过提取由移动性产生的多普勒缩放因子，精确计算相对移动距离，有效补偿变化的传播时延，提高时间同步精度。(2) 针对移动性和参考点集合选择对定位精度的影响，通过比较TDOA（Time Difference of Arrival）算法的Cramer-Rao lower bound，选择最优定位参考点集合。并利用线性优化算法（Branch-and-cut）优化参考结点的发射时间来降低移动性的影响, 提高定位精度。3）考虑分层效应对时间同步和定位的影响，利用可共用参考报文及传播时延与距离可有效互化提高效率。

中国是一个海洋大国，海洋国土面积300 多万平方公里，岛屿6，500 多个，大陆岸线长达18，000 公里。经济的发展、对外贸易的增长、能源的供应、资源的开发等，都与海洋密切相关。在水下无线通信网络中，由于电子波在水中的物理限制，声音成为水下无线网络的主要传播方式。而在水声组网组建中时间同步和定位是传感器网络系统中的基本服务，在以往的水下传感器网络的研究中虽然这两种服务的基本属性是经常互相依赖，但他们通常在设计时是独立处理的。. 本项目中提出的联合设计方法同时解决时钟同步和定位的问题，是水声传感网络研究领域首例真正融合时钟同步和定位的算法，两个过程可相互帮助提高彼此的精度。此方法中提出的基础的、基于跨层设计的、能辅助已有大部分时间同步算法去适应移动性的优化方法，通过提高传播时延的计算精度，可提高时间同步的精度。其中针对水下定位问题，提出通过选择最优的参考点集合和传输时刻来辅助 TDOA 提高精度的定位算法; 并在之前两个算法提出的基础上提出联合设计时间同步和定位的算法，使两个过程能够共用参考报文，并有效地补偿水声环境中的分层效应，达到节约能量、相互辅助提高精度的目的。并在以上工作基础上进行了一定的延伸，提出融合声学定位和惯性导航的方法，实现了一个水下集群组网定位的专用仿真器，并进行了相应的测试。. 相关成果在CCF A类期刊IEEE Transactions on Mobile Computing上获得发表，目前被引用34次。经验证，在不需要任何其他的条件下，采用我们提出的联合解决时间同步和定位的方法可将定位精度提高约10%，时钟同步的精度提高约5%。以此方法为基础，本项目共发表了SCI+EI论文5篇，另有两篇SCI期刊论文在大修阶段。通过结合时间同步与定位的设计，使得在水声网络中所需交换消息的数量大大减少，从而节省能源消耗，并且时间同步与定位的精确程度均有提升。