适用于多跳无线传感器网络的时钟同步频率偏移估计方法与流程

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种适用于多跳无线传感器网络的时钟同步频率偏移估计方法。

背景技术：

时间同步技术是无线传感器网络中不可或缺的部分，可为全网设备提供一个标准的时间参考，是网络进行数据融合、能源管理、传输调度等服务的基础支撑。在实际的无线传感器网络应用中，网络通常是由大量的电池供电的节点部署在不同环境中组成，因此能耗是需要考虑的至关重要的问题。此外，在无线传感器网络中通信是能量消耗的主要来源，而有效的时钟同步参数估计算法，可以减少网络内的再同步次数，延长网络同步周期，进而降低网络的通信开销和节省节点的能量。

在现有技术中，已提出一些时钟同步参数估计算法，通过对时钟同步的过程进行分析和建模，利用统计信号处理技术估计时钟偏移和频率偏移。然而，这些算法中节点的同步参数估计是在多个同步交互周期之后进行的，且节点在算法运行的过程中不能调整自己的本地时钟，因此在算法运行这段时间之内时钟同步精度无法保证，这在一些对同步精度要求很高的应用场景中是不可接受的，例如ISA100.11a等网络。另外，将两点间的同步扩展到多跳无线传感器网络中时，主要可分为分层式和代理式两种方案。

本发明主要考虑了采用分层式同步结构的多跳无线传感器网络的全网同步。此外，不能直接将两点间的同步扩展到多跳无线传感器网络中，因为这样会将中间节点的时延误差等引入到全网，进而影响全网的时钟同步性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于多跳无线传感器网络的时钟同步频率偏移估计方法，该方法在每次同步消息交互过程中，节点能够校正本地时钟，使节点的同步精度误差始终维持在较低水平。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于多跳无线传感器网络的时钟同步频率偏移估计方法，在该方法中，根据节点对同步精度的需求分为转发法和透传法两种，在节点对同步精度要求较高时，采用转发法，而节点对同步精度要求一般时，则采用透传法。

转发法：多跳分层同步网络中的时间消息由根节点依次逐级向下传播，中间层节点既作为待同步节点与上一级节点进行同步，每次交互后都利用两个时间戳的差值作为节点时间的调整量校正自己的本地时钟，间隔固定的时间后，又作为源节点参与下一级节点的同步，直到扩散至待同步节点，重复以上过程，经过多个同步周期后利用统计信号处理的方法估计出节点的相对频率偏移；

透传法：在多跳分层同步网络中，把中间层次节点的处理时间视为额外引入的固定时延和随机时延即将中间节点的消息传递过程看成透明的，直至待同步节点获得根节点的再同步时间并利用两个时间戳的差值完成校正，重复以上过程，经过多个周期后，估计出相对频率偏移。

进一步，本发明采用的转发法，当网络中第L级节点A_L需要与源节点实现时间同步时，源节点A作为时钟源参考节点，第L级节点A_L是待同步节点，其同步步骤包括：

1)网络中的时间消息由源节点依次逐级传播，子节点接收来自其父节点发送的数据帧，获得发送时间戳和本地的接收时间戳，其分别为与

2)节点A_L利用两个时间戳的差值据得到调整量并在随后的一个时间调整自己的本地时间，即用当前本地时间减去调整量作为节点A_L新的时间；

3)从第N(N＞1)个周期开始，多跳网络中的各个子节点在新的周期会更新本地时钟，因此需要加入一个补偿量μ_i，假定节点从接收父节点的数据帧开始到向下一级子节点发送数据帧这段时间X为固定值，令其为t'，则有

4)重复步骤1)、2)，利用数组存入时间戳，N个周期后，可以估计出相对频率偏移，公式如下：

估计出节点A₂相对于节点A₁的频率偏移其中N为时间同步的次数。

进一步，本发明采用的透传法，其同步步骤具体包括：

1)在多跳分层同步网络中将中间节点层次的处理时间视为额外引入的固定时延和随机时延

2)节点A_L利用两个时间戳的差值得到调整量并在随后的一个时间调整自己的本地时间，即用当前本地时间减去调整量作为节点A_L新的时间；

3)重复步骤1)、2)，利用数组存入时间戳，经过N个同步交互周期后，可估计出时钟频率偏移，公式如下

其中，

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的适用于多跳无线传感器网络的时钟同步频率偏移估计方法，节点通过多次同步消息交互后，一次性估计出相对频率偏移，在晶振不变时，使同步精度维持在一定范围内，在一段时间内无需再进行同步报文交互，从而节省能量。

2、与现有的多跳无线传感器网络时间同步方案相比，本发明提供的适用于多跳无线传感器网络的时钟同步频率偏移估计方法，在每个时钟同步周期，节点能够校正自己的本地时钟，使其同步精度误差维持在较低水平，从而克服同步算法运行过程中同步精度不可控的问题。

3、根据多跳无线传感器网络对时钟同步精度的需求，本发明提供转发法和透传法两种时钟同步频率偏移估计方法可供选择。前者适用于对同步精度要求较高的多跳无线传感器网络，后者适用于对精度要求一般的多跳无线传感器网络。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明提供的多跳节点的同步示意图；

图2为本发明提供的多跳网络中校正与非校正式的对比图；

图3为本发明提供的多跳网络频率偏移估计方法流程图；

图4为本发明提供的转发法频率偏移估计结果性能对比图；

图5为本发明提供的透传法频率偏移估计结果性能对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明提供的多跳节点的同步示意图，如图所示，在多跳分层式同步网络中，根节点A作为时钟源参考节点，第L级节点A_L是待同步节点。分别为发送时间戳和接收时间戳。

转发法：多跳分层同步网络中的时间消息由根节点依次逐级向下传播，中间层节点既作为待同步节点与上一级节点进行同步，每次交互后都利用两个时间戳的差值作为节点时间的调整量校正自己的本地时钟，间隔固定的时间后，又作为源节点参与下一级节点的同步，直到扩散至待同步节点，重复以上过程，经过多个同步周期后利用统计信号处理的方法估计出节点的相对频率偏移，具体步骤如下：

对于第一个同步周期，的实施模型可表示为

其中，和分别表示t₀时刻的初始时钟偏移和相对频率偏移，传输过程中的固定延时和随机延时分别为随后的一个时刻节点A₁用差值调整本地时间，且表示节点A₁调整后的时间，可以得到

实际上，t₀到时间内节点A₁与节点A的真实时钟偏移量

(4)-(2)得到节点A₁调整后的新的时钟偏移量

由于该多跳网络中节点采用逐级同步机制，随后节点A₁向其子节点A₂发送时间消息，类似上述过程，有

其中表示节点A₁的发送时间戳，节点A₂调整后的新的时钟偏移量为

从第二个周期始，多跳网络中的各个子节点在新的周期会更新本地时钟，因此需要加入一个补偿量μ_i，即在第二个周期，有

对于两跳节点，第二个周期调整后的新的时钟偏移量可表示为

从第N(N＞1)个周期始，与单跳场景中的时钟源节点不同，由于多跳网络中的各个子节点会在每一个周期校正自己的时间，因此需要加入一个补偿量μ_i。设节点从接收父节点的数据帧开始到向下一级子节点发送数据帧这段时间X为固定值，令其为t'，

重复步骤A0、A1，利用数组存入时间戳，N个周期后，可以估计出相对频率偏移，公式如下：

由上式可估计出节点A₂相对于节点A₁的频率偏移其中N为时间同步的次数。

为了验证结果的有效性，求出的克拉美罗下限(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)

透传法：在多跳分层同步网络中，把中间节点层次的处理时间视为额外引入的固定时延和随机时延即将中间节点的消息传递过程看成透明的，直至待同步节点获得根节点的当前时间，并利用两个时间戳的差值完成校正，重复上述过程，经过多个周期后，可估计出相对频率偏移。

对于两跳节点，节点A₂为待同步节点，A为根节点，具体同步步骤如下：

设t₀为同步开始时刻，发送时间戳和接收时间戳分别为对于第一个周期，可表示为：

节点A₂随后在利用两个时间戳的差值来调整本地时间，表示节点A₂调整后的时间，且可以得到

两式相减得到节点A₂调整后的新的时钟偏移量

对于第二个周期，节点A₂的时间调整量

将和代入上式可得

重复上述步骤，第i个周期的时间调整量为

其中类似的，对于第L层节点，参考上述推导，可得第i个周期的同步表达式为

根据频率偏移估计公式

估计出节点A相对于节点A_L的频率偏移其中，为了验证结果的有效性，求出克拉美罗下限(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)

图2为本发明提供的多跳传感器网络中校正与非校正式的对比图，其中，图2(a)为校正式同步过程，图2(b)为非校正式同步过程。

实施例：

图3为本发明提供的多跳传感器网络频率偏移估计方法流程图。本实施例提供了适用于多跳无线传感器网络的时钟偏移估计方法，如图所示，具体包括以下步骤：

C1：同步过程开始。

C2～C4：节点向下一级子节点发送本地时间戳，判断节点是否为根节点，若为根节点则进入下一阶段C5，反之则进入C4利用调整量校正本地时间。

C5～C6：子节点接收并记录时间戳，利用发送时间戳和接收时间戳的差值求出补偿量ΔT。

C7～C8：判断节点是否为待同步的节点，若是则进入下一阶段C9，反之则进入流程C3准备向下一级节点发送本地时间戳。

C9～C11：判断同步周期数是否达到设定值N，若已达到则估计出节点的相对频率偏移，反之则进入流程C3继续重复消息传递过程。

C12～C13：利用估计出的相对频率偏移补偿本地时钟，同步过程结束。

图4给出了转发法频率偏移估计结果与其CRLB的性能对比图。由图可知，均方误差曲线和CRLB曲线非常接近，证明节点A₂的频率偏移估计是有效的，且估计性能接近最优估计。

图5为本发明提供的透传法频率偏移估计结果与对应的CRLB性能对比图。由图可知，两条曲线十分接近，且均方误差曲线始终位于CRLB曲线上方，说明估计结果近似为最小方差无偏估计。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。