基于多跳虚拟链路和事件触发的平均一致性时间同步方法

本发明属于无线传感器网络，涉及一种基于多跳虚拟链路和事件触发的平均一致性时间同步方法。

背景技术：

1、时间同步为无线传感器网络提供了一个全局参考时钟，成为数据融合、时分多址和目标定位等应用和服务有效运行的先决条件。由于晶体振荡器的运行和环境变化等因素的影响，时钟会随着时间的演变而漂移，导致无线传感器网络中节点的时钟存在差异。因此，使时钟同步误差维持在一定范围内的时间同步技术的研究和发展具有重要的意义。一致性时间同步算法是一种分布式算法，因其不依赖于固定的网络拓扑结构，具有较高的鲁棒性和稳定性，得到了广泛研究。每个节点与所有邻居节点交换时钟信息以获得相对状态，并将这些状态用于补偿时钟参数，从而促使所有节点的时钟收敛到一个共同的值。

2、然而，在实际的无线传感器网络中，信息交换过程中不可避免地会出现通信延迟，从而影响同步精度。早期未考虑时延影响的一致性时间同步算法在实际应用场景中无法实现全局时间同步，因此探索有效的方法处理时延带来的不利影响是很有必要的。根据一致性算法的分布式特性，利用节点间的相对时钟值并结合统计信号处理方法设计相对频偏估计器，能够较好地抑制时延的不利影响。因此，基于最小二乘法估计器、基于序贯最小二乘法估计器和基于贝叶斯估计器等一致性时间同步算法被相继提出，实现了在时延存在情况下时钟同步误差能够有效收敛并保持较高的同步精度。但上述算法均采用时间触发机制，即节点周期性的进行更新和广播时钟参数，该机制不能满足时钟同步前期阶段和后期阶段更新频率必要性变化的动态需求，导致较大的通信开销和不必要的能量浪费，因此有必要研究一种能够有效降低通信开销的方法。同时，传统的一致性算法中节点只能接收邻居节点的时钟值，实现全网的时钟同步仅通过利用单跳邻居节点时钟参数进行更新，导致时间同步误差收敛速度慢，全局同步周期长。

3、因此，亟需一种能够在时延存在的无线传感器网络中减少通信开销和提升收敛速度的一致性时间同步方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多跳虚拟链路和事件触发的平均一致性时间同步方法，考虑通信时延对时间同步性能的不利影响和分布式节点的交互机制，采用迭代最小二乘法估计器对相对频偏进行估计，提出基于事件触发条件的广播机制来减少不必要的传输，从而节约通信资源，并结合多跳虚拟链路时钟参数信息分享策略实现全网节点时钟信息的充分利用，有效地保证该方法在实现同步误差收敛的情况下，提高时间同步速度。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于多跳虚拟链路和事件触发的平均一致性时间同步方法，针对无线网络中通信时延存在的情况，采用最小二乘估计器抑制相对频偏估计过程中时延的影响，通过多跳虚拟链路充分调动各节点的时钟信息进行更新，有效提高时钟同步的速度，利用事件触发策略来降低节点间的传输频率，有效降低通信开销，并使用一致性算法来更新节点的逻辑时钟参数，实现无线传感网络中节点的时钟全局一致；

4、该方法具体包括以下步骤：

5、s1：设置网络的更新周期，初始化网络中各节点的逻辑频偏补偿值、逻辑相偏补偿值和相对频偏估计值；

6、s2：在满足更新周期条件的前提下，评估当前的更新值是否满足触发条件，满足时向邻居节点广播时钟信息并记录广播的参数，若发送节点为单邻居节点，节点直接将自己的本地时钟信息和逻辑时钟信息广播给邻居节点；若为非单邻居节点，则联合收到的邻居节点时钟信息和自己的本地时钟与逻辑时钟信息一起广播给下一邻居节点；

7、s3：节点收到邻居节点发送的数据包后，调用其中的时钟参数利用迭代最小二乘法估计相对频偏值，并采用平均一致性算法更新逻辑频偏补偿值和逻辑相偏补偿值，周期性重复步骤s2～s3，直到网络中所有节点的逻辑时钟实现全局一致。

8、进一步，步骤s1具体包括：设置网络的更新周期t，对网络中的任意节点i，将更新次数设置为m＝1，初始化节点i的相对频偏估计值、逻辑频偏补偿值和逻辑相偏补偿值分别为设为节点i第m次更新的绝对时间，此时节点i的本地时钟读数为

9、进一步，步骤s2具体包括：为了评估更新后的时钟信息是否有必要广播给邻居节点，当m＝1或m＞2且节点i的本地时钟值满足更新周期条件时，将当前更新的逻辑频偏补偿值逻辑相偏补偿值与最近一次广播的逻辑频偏补偿值逻辑相偏补偿值代入触发方程进行判断：

10、

11、其中，ηs和ηo是触发方程中的权衡参数；

12、若满足上述触发方程的条件，节点i将和更新为和并记录下更新后的逻辑时钟参数。进而判断发送节点的网络拓扑情况，若发送节点为单邻居节点，节点直接将自己的本地时钟信息和逻辑时钟信息广播给邻居节点j，若为非单邻居节点，则联合收到的邻居节点时钟信息和自己的本地时钟与逻辑时钟信息一起广播给下一邻居节点j。

13、进一步，步骤s3具体包括：网络中节点i的任意邻居节点j，在绝对时间接收到来自节点i的数据包后，立即记录接收时刻的本地时钟为记录数据包中节点i发送时刻的本地时钟为并将接收的数据包序列记为l，此时节点j根据获得的时钟信息利用最小二乘法对相对频偏值进行估计，并将估计值带入一致性算法进行逻辑频偏补偿值和逻辑相偏补偿值的更新，进而计算逻辑时钟值，具体包括以下步骤：

14、s31：(1)根据通信时延和节点的相对时钟关系，将通信时延部分考虑为一个误差函数：

15、

16、其中，为节点j的本地时钟读数，为节点i的本地时钟读数，sij表示节点间的相对频偏，oij表示节点间的相对相偏；

17、(2)应用最小二乘原理对误差函数进行处理，得到包含相对频偏和相对相偏的成本函数：

18、

19、其中，n表示节点j接收到节点i的数据包数量；成本函数包含了接收节点和发送节点的时钟信息，相对频偏估计和相对相偏估计为最小化成本函数所得值；

20、(3)为了减少存储资源和计算成本，将相对频偏估计值和相对相偏估计值表示成迭代形式：

21、

22、其中，和分别表示第n轮的增益矩阵和协方差矩阵，表示第n轮的时钟参数估计值，设置初始值∑(1)＝(φt(1) φ(1))-1，

23、s32：根据步骤s31计算出的相对时钟值及数据包中的其他逻辑时钟参数，代入一致性算法进行逻辑时钟值的更新。

24、进一步，步骤s32具体包括：将计算出的相对时钟值及数据包中的其他逻辑时钟参数，代入一致性算法进行逻辑时钟值的更新：

25、

26、

27、其中，节点j是节点i的邻居节点，节点k是节点i经过的节点j的多跳虚拟链路邻居节点，ρs，ρ′s，ρo，ρ′o∈(0,1)是调节参数，和分别表示更新后的逻辑频偏补偿值和逻辑相偏补偿值，和是节点i最近更新的逻辑频偏补偿值和逻辑相偏补偿值，sij表示节点i和节点j的相对频偏估计值，sik表示节点i和节点k的相对频偏估计值，和均为最近一次广播的逻辑频偏值，和表示最近一次广播的逻辑时钟值，ni表示节点i的所有单跳邻居节点，n′i表示节点i的所有多跳虚拟邻居节点。

28、本发明的有益效果在于：

29、1)本发明与现有的基于事件触发的平均一致性时钟同步方法相比，考虑了无线传感器网络中通信时延的存在，利用迭代最小二乘法对相对频偏进行估计以抵抗时延带来的不利影响，得到高精度相对频偏估计值，进而提升时间同步精度。

30、2)本发明在事件触发节点交互机制的基础上，设计了时变触发函数来动态评估当前的更新值是否有必要进行传输，根据逻辑频偏和逻辑相偏的变化特性设置不同的阈值，将更新后的逻辑频偏值和逻辑相偏值分别与最近一次传输的逻辑时钟值进行计算，评估其差值与阈值的关系从而确定是否有必要进行传输，在保持较高同步精度的同时，降低同步过程中的通信开销。

31、3)本发明在基于分布式节点交互机制的基础上，提出多跳虚拟链路传递非邻居节点时钟参数的策略，无需构建物理链路，联合邻居节点和非邻居节点的时钟参数进行更新，有效提高全网时钟同步误差的收敛速度，这有利于基于多跳虚拟链路和事件触发的平均一致性时间同步方法在实际无线网络中的应用。

32、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。