一種具有高度魯棒性的自適應(yīng)時(shí)鐘同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號處理領(lǐng)域，涉及基于信號處理方法實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的方法，具體為 一種具有高度魯棒性的自適應(yīng)時(shí)鐘同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 時(shí)鐘同步技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘提供 一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間尺度。由于所有的硬件時(shí)鐘都是不完美的，所以傳感器節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘彼 此間存在一定偏差。對于需要協(xié)同工作的傳感器節(jié)點(diǎn)來說，統(tǒng)一的時(shí)間尺度是必要的。此 外，傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些特殊應(yīng)用，如傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合，休眠喚醒節(jié)能機(jī)制，基于TDMA 調(diào)度機(jī)制的MAC協(xié)議以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位等，對網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘的同步都提出了新的需求。
[0003] 從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度來分類，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘同步技術(shù)可以分為單 跳網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步與多跳網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步。目前，單跳同步技術(shù)的研究已經(jīng)趨于成熟，時(shí)鐘同 步精度已經(jīng)能滿足大部分應(yīng)用場合的要求，而關(guān)于多跳同步技術(shù)的研究則要相對薄弱，具 體困難表現(xiàn)在過大的同步開銷和隨著跳數(shù)的增加而造成的累積誤差。另一方面，從時(shí)鐘 參數(shù)的估計(jì)方式來劃分，時(shí)鐘同步技術(shù)可以分為兩類；一類是通過假設(shè)節(jié)點(diǎn)間傳輸延時(shí)的 概率密度分布（如高斯分布，指數(shù)分布等），然后利用極大似然估計(jì)、貝葉斯估計(jì)等參數(shù)估 計(jì)的方法來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘參數(shù)的估計(jì)；另一類則是通過引入信號處理方法來進(jìn)行時(shí)鐘參數(shù)的 估計(jì)，此類方法不用事先假設(shè)延時(shí)的概率分布，能適應(yīng)不同的傳輸環(huán)境，如文獻(xiàn)《Tracking low-precision clocks with time-varying drifts using kalman filtering》 （IEEE/ ACM Transactions On Networking, Vol. 20, No. 1, 2012, Hayang Kim, Xiaoli Ma, Benjamin Russell Hamilton)就屬此類方法。該文獻(xiàn)中將卡爾曼濾波算法引入了時(shí)鐘同步中來估計(jì) 不同節(jié)點(diǎn)間的相對時(shí)鐘參數(shù)，具有收斂速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)；此外，由于此方法能同時(shí)估 計(jì)時(shí)鐘漂移和時(shí)鐘抖動(dòng)，使得時(shí)鐘同步操作的周期大大延長，降低了時(shí)鐘同步的資源消耗。 然而，受限于卡爾曼濾波本身固有的局限，如卡爾曼算法要求時(shí)鐘模型與延時(shí)噪聲的自相 關(guān)矩陣已知，這使得一旦時(shí)鐘模型或者延時(shí)模型發(fā)生變化，卡爾曼估計(jì)算法的表現(xiàn)會出現(xiàn) 惡化，甚至?xí)霈F(xiàn)發(fā)散的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對【背景技術(shù)】中的卡爾曼估計(jì)時(shí)鐘同步方法存在的缺陷提出 了一種具有高度魯棒的自適應(yīng)時(shí)鐘同步方法。本發(fā)明首先建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淠?型，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分作多個(gè)層級，后續(xù)的時(shí)鐘同步方法只在相鄰層級間進(jìn)行，通過逐級同步從 而最終達(dá)到全局時(shí)鐘同步；然后，建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模型以及節(jié)點(diǎn)間的傳輸模型；最后， 采用H 0估計(jì)濾波器對相鄰層級的節(jié)點(diǎn)對進(jìn)行相對時(shí)鐘參數(shù)的估計(jì)，達(dá)到相鄰層級的時(shí)鐘 同步，進(jìn)而達(dá)到全局時(shí)鐘同步。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種具有高度魯棒性的自適應(yīng)時(shí)鐘同步方法因此，包括以 下步驟：
[0006] 步驟1:建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層級拓?fù)淠Ｐ?，將傳感器網(wǎng)絡(luò)依次分為層級 1，2,…，N ;其中，層級1僅包含一個(gè)節(jié)點(diǎn)、即作為參考節(jié)點(diǎn)，相鄰層級間進(jìn)行逐級時(shí)鐘同步；
[0007] 步驟2:建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模型，設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)i以周期t。對其晶振所產(chǎn)生 的模擬時(shí)鐘Cl(t)進(jìn)行采樣，則得到離散時(shí)鐘Cl(l):
[0008] q (1) = 1 t 〇+ 9 土（1 - 1) + [ 0 土（1) -1] t 〇，
[0009] 其中，爲(wèi)為時(shí)變時(shí)鐘漂移，【i為常數(shù)、表示節(jié)點(diǎn)晶振的歸一化頻 率，B'（1)為標(biāo)準(zhǔn)維納過程， Pl為描述晶振相位噪聲的一個(gè)參數(shù)，通過晶振的RMS周期抖動(dòng) JpER與中心頻率f。計(jì)算得到：於
[0010]
為時(shí)變時(shí)鐘偏移，貧為初始時(shí)鐘偏差；
[0011] 定義時(shí)鐘信息向量xdi) = [0;(1) 0id)]1，則得到節(jié)點(diǎn)i的時(shí)鐘的演化模型：
，
[0014] 設(shè)定每A個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次時(shí)鐘同步，則lk= Ak，得到時(shí)鐘模型方程：
[0015] XiCLk) = AXiCLk J+WiCLj+b，
[0016]其中，
理解為是時(shí)鐘模型的過程噪聲，其為零均值的，且其自相關(guān)矩陣為：
[0017]
[0018] 步驟3:建立節(jié)點(diǎn)間的傳輸模型，采用發(fā)送者-接收者傳輸方式，設(shè)定節(jié)點(diǎn)i將時(shí) 鐘同步于節(jié)點(diǎn)h ;首先在時(shí)刻t，節(jié)點(diǎn)i發(fā)送一條時(shí)間戳消息給節(jié)點(diǎn)h，并記錄下發(fā)送時(shí)刻 Tlit;節(jié)點(diǎn)h接受到該消息并記錄下接受時(shí)刻T 2it，然后在T3it時(shí)刻對節(jié)點(diǎn)i發(fā)送一條包含有 T&t和T3it信息的時(shí)間戳消息；節(jié)點(diǎn)i接收到該消息并記錄下接收時(shí)刻T 4it;得到節(jié)點(diǎn)i的時(shí) 間戳信息表示為{Ty，T2，t，T3， t，T4，J，以上時(shí)間戳交換過程表示為：
[0019] T2 t-0h(t) = Tlt-0 i(t)+di h+Xt,
[0020] T3，t_ 0 h(t) = T4，t_ 0 JO-H，
[0021] 其中，diih表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)h間的傳輸延時(shí)中的固定延時(shí)部分，乂4與￥ 4表示傳輸 延時(shí)中的隨機(jī)部分；設(shè)并設(shè)R $孓-X，及s (r2,+u-(ru,+u，對t采樣得到離散觀測 方程：
[0022] Zj= [0 ~2] [x ; (1)-xh (1) ]+Vj；
[0023] 步驟4 :進(jìn)行相鄰層級間的點(diǎn)對點(diǎn)時(shí)鐘同步，將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)標(biāo)識為S& n，其中 mG {1，…，N}表示節(jié)點(diǎn)所屬的層級，n表示該節(jié)點(diǎn)在其所在層級中的編號，根據(jù)時(shí)鐘模型方 程和時(shí)鐘觀測方程得節(jié)點(diǎn)^與節(jié)點(diǎn)間的相對時(shí)鐘模型及觀測模型方程組：
[0024]
[0025]其中，仏―）-，w(4) =w",+1 仏)-J 程噪聲w(lk)的自相關(guān)矩陣為Q，則當(dāng)m= 1時(shí)Q=Qi，當(dāng)m辛1時(shí)Q= 2Q1;
[0026] 采用Hm估計(jì)器對向量x(lk)進(jìn)行迭代估計(jì)，設(shè)置初始值、與P。以及魯棒系數(shù) 沁> 〇 :在迭代過程j = 〇, 1，2,…中始終滿足H m估計(jì)器的存在條件：
[0027]
[0028] 其中，12表示2階單位矩陣，'> 0'表示矩陣正定，且
[0031 ] 計(jì)算相對時(shí)鐘信息向量x的估計(jì)為：
[0034] 本發(fā)明提供一種具有高度魯棒性的自適應(yīng)時(shí)鐘同步方法，首先建立無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的拓?fù)淠Ｐ停缓蠼⒕W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模型以及節(jié)點(diǎn)間的傳輸模型；最后采用H m估計(jì) 濾波器對相鄰層級的節(jié)點(diǎn)對進(jìn)行相對時(shí)鐘參數(shù)的估計(jì)，達(dá)到相鄰層級的時(shí)鐘同步，進(jìn)而達(dá) 到全局時(shí)鐘同步。本發(fā)明中H m估計(jì)算法是通過最小化目標(biāo)誤差函數(shù)的H m范數(shù)得到的， 使得Hm估計(jì)具有很強(qiáng)的魯棒性；在多跳網(wǎng)絡(luò)中，誤差累積對高魯棒性的Hm時(shí)鐘同步方法 所帶來的影響極小；同時(shí)高魯棒性的H °°時(shí)鐘同步方法中，不需要卡爾曼時(shí)鐘同步方法中 必要的時(shí)鐘模型的噪聲以及傳輸延時(shí)自相關(guān)矩陣等先驗(yàn)信息。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發(fā)明中相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間Hm估計(jì)器的工作流程示意圖。
[0036] 圖2為實(shí)施例中層級式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布局的示例圖。
[0037] 圖3為本發(fā)明提供H m時(shí)鐘同步算法與卡爾曼算法在高斯白噪聲條件下的比較 圖。
[0038] 圖4為本發(fā)明提供H m時(shí)鐘同步算法與卡爾曼算法在高斯色噪聲條件下的比較 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0040] 本發(fā)明提供一種具有高度魯棒性的自適應(yīng)時(shí)鐘同步方法，首先建立無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的拓?fù)淠Ｐ停瑢⒕W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分作多個(gè)層級，后續(xù)的時(shí)鐘同步算法只在相鄰層級間進(jìn)行，通過 逐級同步從而最終達(dá)到全局時(shí)鐘同步；然后，建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模型以及節(jié)點(diǎn)間的傳輸 模型；最后，采用H m估計(jì)濾波器對相鄰層級的節(jié)點(diǎn)對進(jìn)行相對時(shí)鐘參數(shù)的估計(jì)，達(dá)到相鄰 層級的時(shí)鐘同步，進(jìn)而達(dá)到全局時(shí)鐘同步。其詳細(xì)推到步驟為：
[0041] 步驟1 :建立無線傳感器網(wǎng)路偶的層級拓?fù)淠Ｐ?，將傳感器網(wǎng)絡(luò)依次分為層級 1，2,…，N。其中層級1只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)（即參考節(jié)點(diǎn)），將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識為5_，其中 m G {1，…，N}表示節(jié)點(diǎn)所屬的層級，n表示該節(jié)點(diǎn)在其所在層級中的編號；層級m+1中的 節(jié)點(diǎn)同步于它所相鄰的上一層級m中的某一節(jié)點(diǎn)。
[0042] 步驟2 :建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模型。設(shè)節(jié)點(diǎn)i裝備如下晶振：
[0043] p ; (t) = cos〇i (t) (1)
[0044] 這里(l),.(0 = 2;r(./i_,+A/:)/ + O (0) + G(〇為瞬時(shí)相位，式中的f。為晶振的中心頻率， A仁是由于硬件不理想所造成的頻率偏移，〇 J0)為初始相位，$?,(/_) = 2^/^7?執(zhí)〇為隨機(jī) 相位噪聲，其中的B(t)代表標(biāo)準(zhǔn)維納過程，Pl為描述晶振相位噪聲的一個(gè)參數(shù)，可以通過晶 振的RMS周期抖動(dòng)J PER(此參數(shù)在晶振手冊中可查）計(jì)算得到：灼二/U。。
[0045] 據(jù)此，該晶振所產(chǎn)生的模擬時(shí)鐘可以表示為：
[0047] 若假設(shè)時(shí)鐘可能夠用時(shí)變時(shí)鐘漂移和時(shí)變時(shí)鐘偏差以下式表示：
[0046] ⑵
[0048]
(3.)
[0049] 對上式以周期t。進(jìn)行采樣可以得到：
[0050]
[0051] 在⑷中的0 "I)和ejl)為累積時(shí)鐘偏差和瞬時(shí)時(shí)鐘漂移。聯(lián)合（2)、（3)式 并微分之后可以得到：
[0052]
(5)
[0053] 對上式進(jìn)行采樣之后可得爲(wèi)+ 顯然B'⑴是為高斯白噪聲。據(jù) 此，可以將0,(1)用一下遞歸公式給出：
[0054] 0i(1)=0i(1-1) +u; (1) (6)
[0055] 這里《,(/) = V^[r(/)-們/-1)]是零均值高斯噪聲，它的方差為g =2A 4艮據(jù)⑷ 中9 J1)的定義，結(jié)合式（6)，同樣可以將0J1)用遞歸的形式表示：
[0056] 9 i (1) = 9 i (1_1) +