水下传感器网络中的时钟同步与节点定位算法研究
摘要
随着人们对海洋资源的开发需求越来越高，水下传感器网络被广泛应用于海洋领域
中。水下传感器时钟同步技术和节点定位技术作为水下传感器网络的应用基础而备受关
注，由于水下传感网络的网络延迟和网络部署等与陆地传感器网络存在巨大差异，导致
绝大多数陆地传感器网络成熟的时钟同步技术和节点定位技术无法直接用于水下传感
器网络中，因此，本文对水下传感器的时钟同步技术和节点定位技术进行研究，本文主
要工作如下：
(1)针对传统水下传感器MU-Sync(Acluster-basedSynchronizationalgorithmfor
UnderwateracousticMobilenetworks)时钟同步算法忽略往返传播延迟的变化而导致精度
较差的问题，研究了基于卡尔曼滤波的水下传感器时钟同步算法(Underwatersensortime
SynchronizationalgorithmbasedonKalmanFilter,KF-Sync)，即利用水下传感器节点时间
和空间相关性建立系统状态转移方程和系统观测方程，利用卡尔曼滤波器对节点时钟偏
斜和时钟偏置进行估计，从而实现两个传感器节点之间的时钟同步。通过仿真表明该算
法的时钟同步精度优于传统算法。
(2)针对传统水下传感器DV-Hop(DistanceVector-Hop)定位算法由最小跳数、平均
跳距以及最小二乘估算坐标导致的误差较大的问题，研究了基于加权双曲线改进的水下
传感器DV-Hop定位算法(ImprovedDV-Hoplocalizationalgorithmforunderwatersensors
basedonWeightedHyperbola,IWH-DV-Hop)，即利用双通信半径法改进最小跳数，利用
归一化加权处理法改进平均跳距，利用加权双曲线法估算未知传感器节点的坐标，从而
实现未知传感器节点的定位。通过仿真表明该算法的定位精度优于传统算法。
(3)针对传统水下传感器DV-Hop定位算法由最小跳数、平均跳距以及最小二乘估
算坐标导致的误差较大的问题，研究了基于粒子群优化的水下传感器DV-Hop改进定位
算法(ImprovedDV-HoplocalizationalgorithmforunderwatersensorbasedonParticleSwarm
Optimization,IPSO-DV-Hop)，即利用双通信半径法改进最小跳数，利用归一化加权处理
法改进平均跳距，利用粒子群优化算法估算未知传感器节点的坐标，从而实现未知传感
器节点的定位。通过仿真表明该算法的定位精度优于传统算法，该算法和IWH-DV-Hop
相比定位精度略高但所需定位时间较长。
关键词：水下传感器网络；时钟同步；节点定位；DV-Hop定位算法
水下传感器网络中的时钟同步与节点定位算法研究
ABSTRACT
Withtheincreasingdemandforthedevelopmentofmarineresources,underwatersensor
networksarewidelyusedinthemarinefield.Thetimesynchronizationtechnologyandnode
localizationtechnologyofunderwatersensorshaveattractedmuchattentionastheapplication
foundationofunderwatersensornetworks.Duetothesignificantdifferencesinnetworklatency
anddeploymentbetweenunderwatersensornetworksandterrestrialsensornetworks,the
maturetimesynchronizationtechnologyandnodelocalizationtec