适用于多跳无线传感器网络的免时间戳同步参数估计方法

本发明属于无线传感器网络，涉及一种适用于多跳无线传感器网络的免时间戳同步参数估计方法。

背景技术：

1、无线传感器网络具有资源受限、低成本、自配置和易于部署的特点，在环境监测、工业自动化等诸多领域有着广泛的应用，这些应用都非常依赖于数据融合和睡眠/唤醒模式控制等基本操作。对于这些基本操作，时间同步至关重要，它为传感器节点提供了统一的时间参考。由于传感器节点间的同步通常需要借助同步消息的交互，而同步消息交互所需的能耗占同步开销的大部分，因此时间同步的设计需要考虑节点的同步能量开销。免时间戳同步是一种无需时间戳交互，易于嵌入现有网络数据流的低功耗同步协议，该方法使用本地时间戳和预定义响应时间进行时钟参数估计，可以大幅度降低节点的能量开销，因此得到了广泛的研究。然而，现有的免时间戳同步研究主要考虑单跳网络内的同步，这制约了免时间戳同步方法在多跳无线传感器网络中的应用。

技术实现思路

1、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免时间戳同步参数估计方法，考虑多跳无线传感器网络中节点能量有限的特性，在无需交换时间戳的情况下，根据预定义的响应时间间隔，结合节点自身记录的本地时间信息，就能够实现对时钟频偏的有效估计，显著减少节点的同步开销，十分节能。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种适用于多跳无线传感器网络的免时间戳同步参数估计方法，在源节点、目标节点和多个中间节点组成的多跳无线传感器网络中，源节点通过多个中间节点向目标节点发出请求帧，目标节点成功收到请求帧后，等待预定响应时间间隔进行响应帧回复，经中间节点转发直至源节点收到响应帧，在整个数据帧交互过程中源节点、中间节点和目标节点之间无需交换任何时间戳信息；经过多轮通信后，根据预定义的响应时间间隔，结合源节点和中间节点自身记录的本地时间信息，可实现多跳无线传感器网络中任意节点相对于目标节点的时钟频偏估计；根据任意节点与目标节点间的时钟频偏关系，可计算出多跳无线传感器网络中任意两个节点间的时钟频偏。

4、该方法具体包括以下步骤：

5、s1：源节点s0在本地时间向目标节点d发送不包含时间戳信息的请求数据帧，其中k表示通信轮次；

6、s2：中间节点sl(l＝1,2,…,l)收到请求数据帧并转发，记录转发时的本地时间为

7、s3：目标节点d一旦成功接收到请求数据帧后记录接收时刻为等待一段预定义的响应时间间隔然后在本地时间返回不包含时间戳信息的响应数据帧；

8、s4：中间节点sl(l＝l,l-1,…,1)记录收到响应数据帧的本地时间为然后进行转发；

9、s5：源节点s0记录接收到响应数据帧的本地时间

10、s6：判断同步轮次是否达到设定值n，若已达到，节点根据记录的时间戳和响应时间间隔估计出时钟频偏，反之同步轮次加1，返回步骤s1继续进行免时间戳交互。

11、进一步，步骤s3中，根据时钟关系，源节点s0与目标节点d之间的时间戳关系可表示为：

12、

13、

14、其中，和分别表示源节点s0和目标节点d之间的时钟频偏与相偏；和分别表示请求数据帧和响应数据帧在链路中经历的固定传输时延；和分别表示请求数据帧和响应数据帧在中间节点的处理时延之和；和分别表示请求数据帧和响应数据帧在链路中经历的随机时延；

15、根据响应时间间隔得到源节点s0第k个通信轮次的时间戳关系表达式：

16、

17、类似地，中间节点sl(l＝1,2,…,l)第k个通信轮次的时间戳关系表达式：

18、

19、其中，表示中间节点sl和目标节点d之间的时钟频偏；表示中间节点sl(l＝1,2,…,l)接收到响应数据帧的本地时间；表示中间节点sl(l＝1,2,…,l)转发请求数据帧时的本地时间；和分别表示请求数据帧和响应数据帧在中间节点sl和目标节点d之间经历的固定传输时延；和分别表示请求数据帧和响应数据帧在中间节点sl和目标节点d之间的处理时延之和；和分别表示请求数据帧和响应数据帧在中间节点sl和目标节点d之间经历的随机时延。

20、进一步，步骤s6中，经过n轮通信，节点sl得到时间戳信息再结合响应时间间隔利用参数估计方法便可估计出节点sl(l＝0,1,…,l)与目标节点d之间的时钟频偏；

21、通过响应数据帧携带中间节点sl估计出的与目标节点d之间的时钟频偏即sl向sl-1返回sl-1向sl-2返回…，直到到达源节点s0；这样，任意节点之间的时钟频偏均能进行估计。

22、进一步，步骤s6中，所述参数估计方法具体是：用n轮通信交互中任意轮之间的时间戳关系实现对时钟频偏的估计，步骤如下：

23、1)任选第i轮通信交互的请求数据帧过程和第j轮通信交互的响应数据帧过程，重构时间戳关系表达式：

24、

25、其中，并且ui,j被定义在正实数上，i＝1,2,…,n和j＝1,2,…,n将产生n2个观测值；

26、2)上式可重写为：

27、

28、3)的值在实际中很小，接近1且总是小于1，因此相对较小，可以忽略不计。为了简化时钟频偏的估计，表达式为：

29、

30、4)将上式一分为二，具体公式如下：

31、

32、

33、其中，表示与的比值，和均为正，表示与的比值，和均为负；

34、5)查找最小值和最大值的索引，具体公式如下：

35、

36、

37、

38、

39、6)利用基本不等式推导时钟频偏的估计器，具体公式如下：

40、

41、7)用相同的方法估计出中间节点与目标节点d之间的时钟频偏

42、8)以中间节点s2为例，节点s2与链路上多个中间节点的时钟频偏计算如下：

43、

44、本发明的有益效果在于：

45、1)本发明的同步参数估计功能可嵌入多跳无线传感器网络数据帧交互中，在同步的过程中无需时间戳交互，仅仅使用本地时间戳和预定义的响应时间间隔就能够估计时钟频偏，节省了多跳无线传感器网络中节点的同步能量开销。

46、2)本发明考虑通过响应数据帧携带中间节点估计出的时钟频偏，每个节点均可估计出与目标节点以及链路上多个节点之间的时钟频偏。

47、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。

技术特征：

1.一种适用于多跳无线传感器网络的免时间戳同步参数估计方法，其特征在于，在源节点、目标节点和多个中间节点组成的多跳无线传感器网络中，源节点通过多个中间节点向目标节点发出请求帧，目标节点成功收到请求帧后，等待预定响应时间间隔进行响应帧回复，经中间节点转发直至源节点收到响应帧，在整个数据帧交互过程中源节点、中间节点和目标节点之间无需交换任何时间戳信息；经过多轮通信后，根据预定义的响应时间间隔，结合源节点和中间节点自身记录的本地时间信息，实现多跳无线传感器网络中任意节点相对于目标节点的时钟频偏估计；根据任意节点与目标节点间的时钟频偏关系，计算出多跳无线传感器网络中任意两个节点间的时钟频偏。

2.根据权利要求1所述的免时间戳同步参数估计方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的免时间戳同步参数估计方法，其特征在于，步骤s3中，根据时钟关系，源节点s0与目标节点d之间的时间戳关系表示为：

4.根据权利要求3所述的免时间戳同步参数估计方法，其特征在于，步骤s6中，经过n轮通信，节点sl得到时间戳信息再结合响应时间间隔利用参数估计方法估计出节点sl(l＝0,1,…,l)与目标节点d之间的时钟频偏；

5.根据权利要求4所述的免时间戳同步参数估计方法，其特征在于，步骤s6中，所述参数估计方法具体是：用n轮通信交互中任意轮之间的时间戳关系实现对时钟频偏的估计，步骤如下：

技术总结
本发明涉及一种适用于多跳无线传感器网络的免时间戳同步参数估计方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法在源节点、目标节点和多个中间节点组成的多跳无线传感器网络中，源节点通过多个中间节点向目标节点发出请求帧，目标节点成功收到请求帧后，等待预定响应时间间隔响应帧回复，经中间节点转发直至源节点收到响应帧，在整个帧交互过程中源节点、中间节点和目标节点之间无需交换时间戳信息；经过多轮通信后，根据预定义的响应时间间隔，结合源节点和中间节点自身记录的本地时间信息，实现网络中任意节点相对于目标节点的时钟频偏估计；根据任意节点与目标节点间的时钟频偏关系，计算出多跳无线传感器网络中任意两个节点间的时钟频偏。

技术研发人员：李敏,王方诗,王恒
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27