電壓自適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種電壓自適應(yīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)時間同步 方法，該方法適用于野生動物監(jiān)測、±遺址監(jiān)測等大規(guī)模區(qū)域監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項重要支撐技術(shù)，時間同步得到了廣泛的應(yīng)用，如數(shù)據(jù) 融合技術(shù)、休眠調(diào)度技術(shù)、基于TOA的定位技術(shù)W及目標(biāo)追蹤等都需要全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)保持時間 同步。在大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)眾多，且節(jié)點(diǎn)的能量，處理能力，帶寬等相對有 限，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對惡劣，因此，該就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法具有低通信開銷、低計算 復(fù)雜度、良好的擴(kuò)展性和魯椿性等特點(diǎn)。
[0003] 在進(jìn)行大規(guī)模監(jiān)測（如野生動物，±遺址等）過程中，來自不同傳感器的不同數(shù)據(jù) (文字?jǐn)?shù)據(jù)，聲音數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)等）需要被組合起來，并通過一系列的統(tǒng)計W及分析，最終 得到有效的環(huán)境信息并且推測出有可能發(fā)生的事件。在對多種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的過程中，需 要采集數(shù)據(jù)的各個節(jié)點(diǎn)的時間同步，否則會得到錯誤的時間信息，最終導(dǎo)致錯誤的分析結(jié) 果。除此之外，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行周期性的休眠來降低能耗。 該就需要全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)按照一個特定的規(guī)律來調(diào)節(jié)自己的休眠周期，從而保證數(shù)據(jù)的正確傳 輸。然而，節(jié)點(diǎn)間時間的不同步將會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在錯誤的時間進(jìn)行休眠，從而影響數(shù)據(jù)傳輸成 功率?，F(xiàn)有技術(shù)中，為了保證全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的時間同步，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)有許多時 間同步策略：
[0004] 第一類：基于數(shù)據(jù)包交換的時間同步方法
[0005] 該方法首先通過節(jié)點(diǎn)間時間戳的交換來進(jìn)行一對節(jié)點(diǎn)間的時間同步，再通過網(wǎng)絡(luò) 分層的方法進(jìn)行逐層同步，最終達(dá)到全網(wǎng)的時間同步。該方法存在=方面缺陷；1)由于該 方法是利用頻繁的時間戳交換來進(jìn)行時間同步的，因此會引入大量的通信開銷。在無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中，通信開銷在總開銷中所占比例遠(yuǎn)高于計算開銷和數(shù)據(jù)采集帶來的開銷，因此 該方法會造成節(jié)點(diǎn)能量的大量流失；2)由于時間戳在網(wǎng)絡(luò)中是逐層傳輸?shù)?，因此會造成誤 差累積，從而影響時間同步精度；3)由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的是廉價晶振，該晶振易受到 電壓、溫度、震動等工作環(huán)境的影響，而該方法并沒有考慮到該一點(diǎn)。
[0006] 第二類基于外部周期性信號的時間同步方法
[0007] 在該種方法中，全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)都根據(jù)一個統(tǒng)一的周期性信號來調(diào)整自己的時鐘頻 率。該種周期性信號包括;wifi信號、廣播信號、日光的發(fā)出的光信號等。該方法在同步 過程中主要依賴于本地信息，很大程度上減少了時間戳的交換，降低了能耗，減少了誤差累 積。該方法存在的缺陷有；1)對環(huán)境有一定的限制，該類方法不適用與各種信號無法到達(dá) 的野外環(huán)境。而且根據(jù)日光燈進(jìn)行同步的方法要求傳感器網(wǎng)絡(luò)必須工作在室內(nèi)環(huán)境；2) WIFI信號和廣播信號需要額外的硬件設(shè)備進(jìn)行接收，該種設(shè)備不僅提高了經(jīng)濟(jì)開銷，而且 需要高能耗支撐，不適用于大規(guī)模部署；3)該種方法同樣沒有考慮到工作環(huán)境對廉價晶振 的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引工作在振蕩電路的節(jié)點(diǎn)時鐘同步會受到電壓的影響，針對現(xiàn)有同步方法高能耗的 現(xiàn)狀，本發(fā)明提出一種基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，該方法利用無線傳 感器的電壓與頻偏之間的關(guān)系進(jìn)行時間同步，使得同步過程在不同電壓下依然能夠達(dá)到高 精度W及低能耗的要求。
[0009] 為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0010] 一種基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，具體包括W下步驟：
[0011] 步驟1，設(shè)置外部時鐘同步
[0012] 步驟S10,節(jié)點(diǎn)A向參考節(jié)點(diǎn)R發(fā)送同步請求；
[0013] 步驟S11，參考節(jié)點(diǎn)R收到請求后，向節(jié)點(diǎn)A連續(xù)發(fā)送兩個時間戳L和Tb;節(jié)點(diǎn)A 在收到時間戳?xí)r記錄自身本地時間T。'和Tb'，則節(jié)點(diǎn)A頻偏值f[i]為：
[0014]
【主權(quán)項】
1. 一種基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，其特征在于，具體包括以下步 驟： 步驟1，設(shè)置外部時鐘同步 步驟S10,節(jié)點(diǎn)A向參考節(jié)點(diǎn)R發(fā)送同步請求； 步驟S11，參考節(jié)點(diǎn)R收到請求后，向節(jié)點(diǎn)A連續(xù)發(fā)送兩個時間戳TjP T b;節(jié)點(diǎn)A在收 到時間戳?xí)r記錄自身本地時間IV和V，則節(jié)點(diǎn)A頻偏值f [i]為：
其中，f[i]表示第i次外部時鐘同步的頻偏值，i為自然數(shù)，TJP Tb分別代表兩個時間 戳被發(fā)出時節(jié)點(diǎn)R的本地時間； 步驟S12,節(jié)點(diǎn)A根據(jù)以下公式更新自身當(dāng)前的相偏：
若節(jié)點(diǎn)A更新后的相偏OFFSET [i]滿足：
則節(jié)點(diǎn)A利用下式對自身本地時間進(jìn)行更新，更新后的節(jié)點(diǎn)的自身本地時間CLOCKtl 為： CLOCK0 = CLOCK+OFFSET [ i ] (公式 4); 在公式3中，ε為節(jié)點(diǎn)A的本地時鐘周期；CLOCK為更新前的節(jié)點(diǎn)A自身本地時間； 步驟S13,獲取節(jié)點(diǎn)A第i次外部時鐘同步的電壓值V[i]，若其與第i-Ι次外部時鐘同 步節(jié)點(diǎn)A的電壓值V[i-1]的差值小于差值閾值，則選擇"頻偏恒定模型"，跳到步驟2 ;否 則選擇"頻偏變化模型"，計算電壓敏感度：
共|+|，卩1_1」力」朱1認(rèn)外部《、」!1^戶」21711/1'主 |+|狀取的節(jié)點(diǎn)4電壓值；￥[;[-1]為第;[-1次外 部時鐘同步過程中獲取的節(jié)點(diǎn)A的電壓值；f[i]為第i次外部時鐘同步過程中節(jié)點(diǎn)A頻偏 值；f[i_l]第i-Ι次外部時鐘同步過程中得到的頻偏值；VSF表示第i次外部時鐘同步過程 中節(jié)點(diǎn)A電壓敏感度； 節(jié)點(diǎn)A將相偏OFFSET [i]清零，將計時器清零； 步驟2,同步周期調(diào)節(jié) 步驟S20,節(jié)點(diǎn)A根據(jù)第i次測得的電壓值V[i]以及第i-Ι次外部同步周期測得的電 壓值V[i-1]對第i+Ι次外部時鐘同步周期電壓變化速率估計值九,進(jìn)行計算：
其中，β是權(quán)重系數(shù)；Adi為外部時鐘同步周期時間間隔，i表示第i次外部時鐘同步 過程；Ri, Rh分別表示第i次，第i-1次外部時鐘同步周期電壓變化的平均變化速率； 步驟S21，節(jié)點(diǎn)A獲取第i次外部時鐘同步過程中的相偏值OFFSET[i]，根據(jù)對第i+1 次外部時鐘同步周期電壓變化速率估計值為+1估計下一次外部時鐘同步周期時間間隔 △ di+1:
其中，μ是基于電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)因子，λ是用來減少兩個時鐘同步周期中時間漂移的 漂移控制因子； 步驟3,本地時間自我校正 步驟S30,節(jié)點(diǎn)A等待自我校正時間△ t，并判斷節(jié)點(diǎn)A是否為頻偏恒定模型，如果是頻 偏恒定模型，則將節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的頻偏值更新為步驟1的外部同步過程中獲得的節(jié)點(diǎn)A的頻偏 值；如果為頻偏變化模型，則獲取第η次自我校正周期的節(jié)點(diǎn)A的電壓值V[n]，根據(jù)VSF值 以及節(jié)點(diǎn)A電壓值V[n]更新節(jié)點(diǎn)A第η次自我校正周期的頻偏值，計算方法如下： a [n] = a [n-l]+VSF(V[n]-V[n_l]) (公式 11) 其中，V[n-1]表示第n-1次自我校正周期的電壓值；a [n-1]表示第n-1次自我校正周 期同步的頻偏值；η為大于1的自然數(shù)； 步驟S31，節(jié)點(diǎn)A根據(jù)以下公式更新自身當(dāng)前的相偏： en= α [η] · Δ t+e (公式 13) 其中，en為第n次自我校正周期節(jié)點(diǎn)A更新后的相偏，n為大于I的自然數(shù)； 步驟S32,若節(jié)點(diǎn)A更新后的相偏en滿足： (公式 15) 則節(jié)點(diǎn)A對自身本地時間進(jìn)行更新，更新后的本地時間CLOCKtlS : CLOCK0= CLOCK+e n (公式 16) 其中，ε為本地時鐘周期，取ε為30. 515 μ s，CLOCK為更新前的節(jié)點(diǎn)A自身本地時 間； 步驟S33,根據(jù)計時器判斷節(jié)點(diǎn)A所經(jīng)歷的時間間隔是否等于步驟S21得到的外部同步 周期時間間隔Adi+1，如果是，節(jié)點(diǎn)A將相偏en清零，η清零，然后轉(zhuǎn)回步驟1 ;否則轉(zhuǎn)到步驟 S30〇
2. 如權(quán)利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，其特征在于， 所述步驟S20和步驟S21中，所述Δ Cli的初值Δ d μ Ad0 = 1000 + · (2000 -1000) (公式 5); 5 - 2,0 其中，Utl是節(jié)點(diǎn)A設(shè)置的初始電壓。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，其特征在于， 所述步驟S12中，所述權(quán)重系數(shù)β = 0. 8。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，其特征在于， 所述步驟S12中，當(dāng)i = 1時，A裉據(jù)下式求得：
其中，V(I)表示節(jié)點(diǎn)A第1次外部同步過程中的電壓，Utl是節(jié)點(diǎn)A的初始電壓。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，其特征在于， 所述步驟S30中，當(dāng)η = 1時，自我校正周期節(jié)點(diǎn)A的頻偏值： α [1] = VSF(V[n]-V[n-l])+f[i] (公式 12) 其中，f[i]表示第i次外部時鐘同步過程中節(jié)點(diǎn)A的頻偏值。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，其特征在于， 所述步驟S31中，當(dāng)η = 1時，自我校正周期節(jié)點(diǎn)A的相偏e1: θι= α [1] · At (公式 14) 其中，α [1]表示η = 1時，自我校正周期的頻偏值。
7. 如權(quán)利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，其特征在于， 所述步驟SlO中節(jié)點(diǎn)A由干電池供電，電壓變化范圍為2. 8~5. 0。
8. 如權(quán)利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，其特征在于， 所述步驟S30中，自我校正時間Δ t為100s。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電壓感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，該方法包括的步驟有：外部時鐘同步、本地時間自我校正。本算法在頻偏估計時考慮到了節(jié)點(diǎn)當(dāng)前工作電壓變化對節(jié)點(diǎn)頻偏造成的影響，提高了頻偏估計的精度。同時，由于該算法在時間同步的過程中主要依賴本地信息，大大減少了信息傳輸次數(shù)，從而很大程度上降低了能耗，并且減少了由信息逐層傳輸帶來的誤差累積。最后，由于該算法對信息傳輸?shù)囊蕾囕^低，從而解決了由于電壓以及節(jié)點(diǎn)位置動態(tài)變化等造成的通信不穩(wěn)定的問題。
【IPC分類】H04W56-00
【公開號】CN104837196
【申請?zhí)枴緾N201510151720
【發(fā)明人】金夢, 趙菁菁, 陳曉江, 房鼎益, 徐丹, 劉晨, 郭軍, 尹小燕, 牛進(jìn)平
【申請人】西北大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月1日