本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

時(shí)間同步技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的部分，可為全網(wǎng)設(shè)備提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間參考，是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、能源管理、傳輸調(diào)度等服務(wù)的基礎(chǔ)支撐。在實(shí)際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)通常是由大量的電池供電的節(jié)點(diǎn)部署在不同環(huán)境中組成，因此能耗是需要考慮的至關(guān)重要的問題。此外，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通信是能量消耗的主要來源，而有效的時(shí)鐘同步參數(shù)估計(jì)算法，可以減少網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的再同步次數(shù)，延長網(wǎng)絡(luò)同步周期，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)的通信開銷和節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量。

在現(xiàn)有技術(shù)中，已提出一些時(shí)鐘同步參數(shù)估計(jì)算法，通過對時(shí)鐘同步的過程進(jìn)行分析和建模，利用統(tǒng)計(jì)信號處理技術(shù)估計(jì)時(shí)鐘偏移和頻率偏移。然而，這些算法中節(jié)點(diǎn)的同步參數(shù)估計(jì)是在多個(gè)同步交互周期之后進(jìn)行的，且節(jié)點(diǎn)在算法運(yùn)行的過程中不能調(diào)整自己的本地時(shí)鐘，因此在算法運(yùn)行這段時(shí)間之內(nèi)時(shí)鐘同步精度無法保證，這在一些對同步精度要求很高的應(yīng)用場景中是不可接受的，例如ISA100.11a等網(wǎng)絡(luò)。另外，將兩點(diǎn)間的同步擴(kuò)展到多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，主要可分為分層式和代理式兩種方案。

本發(fā)明主要考慮了采用分層式同步結(jié)構(gòu)的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)同步。此外，不能直接將兩點(diǎn)間的同步擴(kuò)展到多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)檫@樣會將中間節(jié)點(diǎn)的時(shí)延誤差等引入到全網(wǎng)，進(jìn)而影響全網(wǎng)的時(shí)鐘同步性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種適用于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法，該方法在每次同步消息交互過程中，節(jié)點(diǎn)能夠校正本地時(shí)鐘，使節(jié)點(diǎn)的同步精度誤差始終維持在較低水平。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種適用于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法，在該方法中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)對同步精度的需求分為轉(zhuǎn)發(fā)法和透傳法兩種，在節(jié)點(diǎn)對同步精度要求較高時(shí)，采用轉(zhuǎn)發(fā)法，而節(jié)點(diǎn)對同步精度要求一般時(shí)，則采用透傳法。

轉(zhuǎn)發(fā)法：多跳分層同步網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間消息由根節(jié)點(diǎn)依次逐級向下傳播，中間層節(jié)點(diǎn)既作為待同步節(jié)點(diǎn)與上一級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，每次交互后都利用兩個(gè)時(shí)間戳的差值作為節(jié)點(diǎn)時(shí)間的調(diào)整量校正自己的本地時(shí)鐘，間隔固定的時(shí)間后，又作為源節(jié)點(diǎn)參與下一級節(jié)點(diǎn)的同步，直到擴(kuò)散至待同步節(jié)點(diǎn)，重復(fù)以上過程，經(jīng)過多個(gè)同步周期后利用統(tǒng)計(jì)信號處理的方法估計(jì)出節(jié)點(diǎn)的相對頻率偏移；

透傳法：在多跳分層同步網(wǎng)絡(luò)中，把中間層次節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)間視為額外引入的固定時(shí)延和隨機(jī)時(shí)延即將中間節(jié)點(diǎn)的消息傳遞過程看成透明的，直至待同步節(jié)點(diǎn)獲得根節(jié)點(diǎn)的再同步時(shí)間并利用兩個(gè)時(shí)間戳的差值完成校正，重復(fù)以上過程，經(jīng)過多個(gè)周期后，估計(jì)出相對頻率偏移。

進(jìn)一步，本發(fā)明采用的轉(zhuǎn)發(fā)法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中第L級節(jié)點(diǎn)A_L需要與源節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步時(shí)，源節(jié)點(diǎn)A作為時(shí)鐘源參考節(jié)點(diǎn)，第L級節(jié)點(diǎn)A_L是待同步節(jié)點(diǎn)，其同步步驟包括：

1)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間消息由源節(jié)點(diǎn)依次逐級傳播，子節(jié)點(diǎn)接收來自其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，獲得發(fā)送時(shí)間戳和本地的接收時(shí)間戳，其分別為與

2)節(jié)點(diǎn)A_L利用兩個(gè)時(shí)間戳的差值據(jù)得到調(diào)整量并在隨后的一個(gè)時(shí)間調(diào)整自己的本地時(shí)間，即用當(dāng)前本地時(shí)間減去調(diào)整量作為節(jié)點(diǎn)A_L新的時(shí)間；

3)從第N(N＞1)個(gè)周期開始，多跳網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)在新的周期會更新本地時(shí)鐘，因此需要加入一個(gè)補(bǔ)償量μ_i，假定節(jié)點(diǎn)從接收父節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀開始到向下一級子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀這段時(shí)間X為固定值，令其為t'，則有

4)重復(fù)步驟1)、2)，利用數(shù)組存入時(shí)間戳，N個(gè)周期后，可以估計(jì)出相對頻率偏移，公式如下：

估計(jì)出節(jié)點(diǎn)A₂相對于節(jié)點(diǎn)A₁的頻率偏移其中N為時(shí)間同步的次數(shù)。

進(jìn)一步，本發(fā)明采用的透傳法，其同步步驟具體包括：

1)在多跳分層同步網(wǎng)絡(luò)中將中間節(jié)點(diǎn)層次的處理時(shí)間視為額外引入的固定時(shí)延和隨機(jī)時(shí)延

2)節(jié)點(diǎn)A_L利用兩個(gè)時(shí)間戳的差值得到調(diào)整量并在隨后的一個(gè)時(shí)間調(diào)整自己的本地時(shí)間，即用當(dāng)前本地時(shí)間減去調(diào)整量作為節(jié)點(diǎn)A_L新的時(shí)間；

3)重復(fù)步驟1)、2)，利用數(shù)組存入時(shí)間戳，經(jīng)過N個(gè)同步交互周期后，可估計(jì)出時(shí)鐘頻率偏移，公式如下

其中，

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明提供的適用于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法，節(jié)點(diǎn)通過多次同步消息交互后，一次性估計(jì)出相對頻率偏移，在晶振不變時(shí)，使同步精度維持在一定范圍內(nèi)，在一段時(shí)間內(nèi)無需再進(jìn)行同步報(bào)文交互，從而節(jié)省能量。

2、與現(xiàn)有的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方案相比，本發(fā)明提供的適用于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法，在每個(gè)時(shí)鐘同步周期，節(jié)點(diǎn)能夠校正自己的本地時(shí)鐘，使其同步精度誤差維持在較低水平，從而克服同步算法運(yùn)行過程中同步精度不可控的問題。

3、根據(jù)多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對時(shí)鐘同步精度的需求，本發(fā)明提供轉(zhuǎn)發(fā)法和透傳法兩種時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法可供選擇。前者適用于對同步精度要求較高的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，后者適用于對精度要求一般的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明：

圖1為本發(fā)明提供的多跳節(jié)點(diǎn)的同步示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的多跳網(wǎng)絡(luò)中校正與非校正式的對比圖；

圖3為本發(fā)明提供的多跳網(wǎng)絡(luò)頻率偏移估計(jì)方法流程圖；

圖4為本發(fā)明提供的轉(zhuǎn)發(fā)法頻率偏移估計(jì)結(jié)果性能對比圖；

圖5為本發(fā)明提供的透傳法頻率偏移估計(jì)結(jié)果性能對比圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

圖1為本發(fā)明提供的多跳節(jié)點(diǎn)的同步示意圖，如圖所示，在多跳分層式同步網(wǎng)絡(luò)中，根節(jié)點(diǎn)A作為時(shí)鐘源參考節(jié)點(diǎn)，第L級節(jié)點(diǎn)A_L是待同步節(jié)點(diǎn)。分別為發(fā)送時(shí)間戳和接收時(shí)間戳。

轉(zhuǎn)發(fā)法：多跳分層同步網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間消息由根節(jié)點(diǎn)依次逐級向下傳播，中間層節(jié)點(diǎn)既作為待同步節(jié)點(diǎn)與上一級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，每次交互后都利用兩個(gè)時(shí)間戳的差值作為節(jié)點(diǎn)時(shí)間的調(diào)整量校正自己的本地時(shí)鐘，間隔固定的時(shí)間后，又作為源節(jié)點(diǎn)參與下一級節(jié)點(diǎn)的同步，直到擴(kuò)散至待同步節(jié)點(diǎn)，重復(fù)以上過程，經(jīng)過多個(gè)同步周期后利用統(tǒng)計(jì)信號處理的方法估計(jì)出節(jié)點(diǎn)的相對頻率偏移，具體步驟如下：

對于第一個(gè)同步周期，的實(shí)施模型可表示為

其中，和分別表示t₀時(shí)刻的初始時(shí)鐘偏移和相對頻率偏移，傳輸過程中的固定延時(shí)和隨機(jī)延時(shí)分別為隨后的一個(gè)時(shí)刻節(jié)點(diǎn)A₁用差值調(diào)整本地時(shí)間，且表示節(jié)點(diǎn)A₁調(diào)整后的時(shí)間，可以得到

實(shí)際上，t₀到時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)A₁與節(jié)點(diǎn)A的真實(shí)時(shí)鐘偏移量

(4)-(2)得到節(jié)點(diǎn)A₁調(diào)整后的新的時(shí)鐘偏移量

由于該多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)采用逐級同步機(jī)制，隨后節(jié)點(diǎn)A₁向其子節(jié)點(diǎn)A₂發(fā)送時(shí)間消息，類似上述過程，有

其中表示節(jié)點(diǎn)A₁的發(fā)送時(shí)間戳，節(jié)點(diǎn)A₂調(diào)整后的新的時(shí)鐘偏移量為

從第二個(gè)周期始，多跳網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)在新的周期會更新本地時(shí)鐘，因此需要加入一個(gè)補(bǔ)償量μ_i，即在第二個(gè)周期，有

對于兩跳節(jié)點(diǎn)，第二個(gè)周期調(diào)整后的新的時(shí)鐘偏移量可表示為

從第N(N＞1)個(gè)周期始，與單跳場景中的時(shí)鐘源節(jié)點(diǎn)不同，由于多跳網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)會在每一個(gè)周期校正自己的時(shí)間，因此需要加入一個(gè)補(bǔ)償量μ_i。設(shè)節(jié)點(diǎn)從接收父節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀開始到向下一級子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀這段時(shí)間X為固定值，令其為t'，

重復(fù)步驟A0、A1，利用數(shù)組存入時(shí)間戳，N個(gè)周期后，可以估計(jì)出相對頻率偏移，公式如下：

由上式可估計(jì)出節(jié)點(diǎn)A₂相對于節(jié)點(diǎn)A₁的頻率偏移其中N為時(shí)間同步的次數(shù)。

為了驗(yàn)證結(jié)果的有效性，求出的克拉美羅下限(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)

透傳法：在多跳分層同步網(wǎng)絡(luò)中，把中間節(jié)點(diǎn)層次的處理時(shí)間視為額外引入的固定時(shí)延和隨機(jī)時(shí)延即將中間節(jié)點(diǎn)的消息傳遞過程看成透明的，直至待同步節(jié)點(diǎn)獲得根節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時(shí)間，并利用兩個(gè)時(shí)間戳的差值完成校正，重復(fù)上述過程，經(jīng)過多個(gè)周期后，可估計(jì)出相對頻率偏移。

對于兩跳節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A₂為待同步節(jié)點(diǎn)，A為根節(jié)點(diǎn)，具體同步步驟如下：

設(shè)t₀為同步開始時(shí)刻，發(fā)送時(shí)間戳和接收時(shí)間戳分別為對于第一個(gè)周期，可表示為：

節(jié)點(diǎn)A₂隨后在利用兩個(gè)時(shí)間戳的差值來調(diào)整本地時(shí)間，表示節(jié)點(diǎn)A₂調(diào)整后的時(shí)間，且可以得到

兩式相減得到節(jié)點(diǎn)A₂調(diào)整后的新的時(shí)鐘偏移量

對于第二個(gè)周期，節(jié)點(diǎn)A₂的時(shí)間調(diào)整量

將和代入上式可得

重復(fù)上述步驟，第i個(gè)周期的時(shí)間調(diào)整量為

其中類似的，對于第L層節(jié)點(diǎn)，參考上述推導(dǎo)，可得第i個(gè)周期的同步表達(dá)式為

根據(jù)頻率偏移估計(jì)公式

估計(jì)出節(jié)點(diǎn)A相對于節(jié)點(diǎn)A_L的頻率偏移其中，為了驗(yàn)證結(jié)果的有效性，求出克拉美羅下限(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)

圖2為本發(fā)明提供的多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)中校正與非校正式的對比圖，其中，圖2(a)為校正式同步過程，圖2(b)為非校正式同步過程。

實(shí)施例：

圖3為本發(fā)明提供的多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)頻率偏移估計(jì)方法流程圖。本實(shí)施例提供了適用于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘偏移估計(jì)方法，如圖所示，具體包括以下步驟：

C1：同步過程開始。

C2～C4：節(jié)點(diǎn)向下一級子節(jié)點(diǎn)發(fā)送本地時(shí)間戳，判斷節(jié)點(diǎn)是否為根節(jié)點(diǎn)，若為根節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入下一階段C5，反之則進(jìn)入C4利用調(diào)整量校正本地時(shí)間。

C5～C6：子節(jié)點(diǎn)接收并記錄時(shí)間戳，利用發(fā)送時(shí)間戳和接收時(shí)間戳的差值求出補(bǔ)償量ΔT。

C7～C8：判斷節(jié)點(diǎn)是否為待同步的節(jié)點(diǎn)，若是則進(jìn)入下一階段C9，反之則進(jìn)入流程C3準(zhǔn)備向下一級節(jié)點(diǎn)發(fā)送本地時(shí)間戳。

C9～C11：判斷同步周期數(shù)是否達(dá)到設(shè)定值N，若已達(dá)到則估計(jì)出節(jié)點(diǎn)的相對頻率偏移，反之則進(jìn)入流程C3繼續(xù)重復(fù)消息傳遞過程。

C12～C13：利用估計(jì)出的相對頻率偏移補(bǔ)償本地時(shí)鐘，同步過程結(jié)束。

圖4給出了轉(zhuǎn)發(fā)法頻率偏移估計(jì)結(jié)果與其CRLB的性能對比圖。由圖可知，均方誤差曲線和CRLB曲線非常接近，證明節(jié)點(diǎn)A₂的頻率偏移估計(jì)是有效的，且估計(jì)性能接近最優(yōu)估計(jì)。

圖5為本發(fā)明提供的透傳法頻率偏移估計(jì)結(jié)果與對應(yīng)的CRLB性能對比圖。由圖可知，兩條曲線十分接近，且均方誤差曲線始終位于CRLB曲線上方，說明估計(jì)結(jié)果近似為最小方差無偏估計(jì)。

最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。