CN103178917A - 一种协作通信的时钟同步方法、系统以及信息汇集节点 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种协作通信的时钟同步方法,包括:A、信息汇集节点获取多个协作节点在同一时间内向信息汇集节点发送的带有协作信标的协作通信报文;B、根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;C、将所述时钟同步误差反馈给各个协作节点,由协作节点根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。本发明采取了上述方法以后,能够满足在协作通信中对协作节点的时钟同步要求较高的需求。此外,本发明还公开了一种协作通信的时钟同步系统以及信息汇集节点。

Description

一种协作通信的时钟同步方法、系统以及信息汇集节点
技术领域
本发明公开了一种协作通信的时钟同步方法,属于物联网通信领域。
背景技术
物联网应用中各传感器节点采集到的各类传感信息需要发送到信息汇集节点,以实现对信息的汇集和智能处理。
在分层部署的传感网中,信息汇集节点可作为上层网络的接入网关,负责一定区域内节点信息的收集。信息汇集节点与大量分布的传感节点间通常存在较长的通信链路,如在江河湖海中部署的传感器节点。
同时,一些应用的部署条件往往比较恶劣,如物联网在智慧矿山中的应用,节点间的通信信道信号衰减较严重。因此,在保证一定通信质量的前提下,信息汇集节点与传感节点间的长距离恶劣信道条件下的通信相比传感节点之间的短距离相互通信需要更大的发射功率。而这些随处分布的传感器节点通常情况下由电池供电,且要求可工作较长时间而无需充电,过大的发射功率将导致电池快速耗尽。
协作通信通过将多个节点在不同信道上发送的信号进行有效叠加,可以较好地降低由于长距离通信和信道衰退带来的对信号接收性能的影响。因此协作通信将会在物联网传感器节点的信息汇集中发挥重要作用,而对参与协作通信的传感器节点进行通信时钟的同步将决定协作通信的可行性和实际性能。本方案提出的时钟同步方案将用于解决协作通信中的节点时钟同步问题。
在目前已提出的针对传感器节点的时间同步方案中,更多地涉及的是网络层的时钟同步问题。它的目的与互联网中设备的时钟同步目的类似,是为了在整个网络中维持一个统一的时钟。一方面,这个统一的时钟将确保物联网中各节点有序地工作,由于节点监测的信息大多具有时序性,统一的时钟将保证检测到的信息在时间上具有一致性,这些时序的事件将对信息处理产生至关重要的作用;另一方面,在一些网络部署中,传感器节点以时分的形式进行通信,统一的时钟将减少节点通信时相互间干扰及降低信道存取的时延。
当前用于物联网的相对著名的时钟同步算法如RBS和TPSN已被实验证明具有良好的同步精度。其中,在RBS中,传感器节点通过物理层广播信号,周期性地发送信标给各邻居节点,这些邻居节点将记录信标的到来时间,并以此时间为参照来与其他节点进行时钟比较,从而确定相互间的时钟差,以达到时钟同步的目的。在此算法中,信标中无需包含时间戳,且各邻居节点也无需关注信标的具体发送时间。
然而在TPSN中,用于同步的信标需包含各发送节点的时间戳,需要同步的节点间按分层的形式组织,处于最高层(如0层)的节点作为根节点,根节点通过发送time_sync报文触发同步算法,接收到此报文后,位于下一层(如1层)的节点在随机延迟一段时间后,发送印有本地时间戳T1的信标,根节点在时间T2接受到此信标,并于T3时间发送信标回复报文,位于1层的节点在时间T4接收到信标回复报文,通过T1,T2,T3和T4及相应的概率模型,位于1层的节点可以估计出其与根节点的时间差,从而与根节点同步;以此类推,每一层的节点都可与上一层的节点同步。
相关实验表明,RSB在Mica节点中的同步测试精度达到29.13us,而TPSN在同样的硬件条件下同步精度可以达到16.9us。这种同步精度对于多数物联网应用来说是满足要求的。
然而,当分布的传感器节点进行协作通信时,如分布式波束形成(distributed beamforming)和虚拟多进多出(virtual MIMO)时,节点的同步精度需达到在信号间隔以内的等级。例如,以50k symbol/second的速率发送的信号,其信号间隔就为20us,这也只是与RBS和TPSN所能达到的同步精度相当。当信号以此速率或更大的速率发送时,RBS和TPSN已不能满足同步的要求。
总体来说,现有时钟同步方法具有以下缺点:
1.现有的时钟同步算法多为面向于网络层的时钟同步,目的是在整个网络中维持一个统一的时钟系统,以区分检测事件的时序及划分网络通信的时序等。基于这个目的,在算法设计时对同步精度的要求相对较低,无法达到协作通信所要求的同步精度。
2.现有的时钟同步算法需要周期性的发送信标报文,以维持整个网络的时钟统一。由于传感器节点在多数时间下处于休眠状态,用于信息传递的通信时间占空比较低,采用周期性的时钟同步算法以满足协作通信的要求将导致信标发送周期变短,节点产生过多不必要的功耗。
3.信标报文上的时间戳或对信标到来时间的存储是现有时钟同步算法的基础。如果为达到协作通信的精度要求而缩短信标发送周期,整个网络说要维护的时间戳或信标到来信息将会增多,将消耗传感器节点过多的运算及存储资源。
4.在现有的时钟同步算法中,进行时钟同步的信标报文需要在网络中传输。传感器节点的部署条件相对恶劣,无线信道连接存在不确定性,这将会导致信标报文在信道存取出现延迟或者信标报文的误码率增高,从而影响同步算法的性能。
发明内容
本发明针对现有技术的缺点,提供了一种协作通信的时钟同步方法,该方法能够满足在协作通信中对协作节点的时钟同步要求较高的需求,此外,本发明还公开了一种协作通信的时钟同步系统。
根据本发明的第一目的,本发明提供了一种协作通信的时钟同步方法,包括:A、信息汇集节点获取多个协作节点在同一时间内向信息汇集节点发送的带有协作信标的协作通信报文;
B、根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;
C、将所述时钟同步误差反馈给各个协作节点,由协作节点根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
本发明采取了上述方案以后,能够实现高精度的时钟同步,以满足协作通信的需求。并且,本申请在同步过程中,各个节点无需记录历史信标的时间戳或历史信标的到来时间,每次时钟同步的过程都基于现有同步信号的到来时间,能够节省节点的存储空间,降低了协作通信系统对节点的硬件资源的要求,有利于推进传感器的微型化发展。
根据本发明的第二目的,本发明提供了一种协作通信的时钟同步系统,包括:信息汇集节点,用于获取多个协作节点在同一时间内向信息汇集节点发送的带有协作信标的协作通信报文;
根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;
协作节点,用于获取反馈的时钟同步误差,并根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
根据本发明的第三目的,本发明提供了一种信息汇集节点,包括:
接收单元,用于获取多个协作节点在同一时间内向信息汇集节点发送的带有协作信标的协作通信报文;
计算单元,用于根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;
发送单元,用于将所述时钟同步误差反馈给各个协作节点,由协作节点根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
根据本发明的第四目的,本发明提供了一种中继节点,包括:
接收单元,用于接收触发节点发送的带有触发信标的触发通信报文;
时钟计算单元,用于根据所述触发信标的到来时间,对协作节点的协作通信报文发送计时进行统一置位;
信息发送单元,用于根据所述置位信息在同一时间内发送的带有协作信标的协作通信报文给信息汇集节点。
本申请采取了上述方案以后,满足了物联网应用中在分布的传感节点间进行协作通信的需求。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
下面结合附图对本发明进行详细的描述,以使得本发明的上述优点更加明确。
图1是本发明协作通信的时钟同步方法的流程示意图;
图2是本发明协作通信的时钟同步方法的实施例的流程示意图;
图3是本发明协作通信的时钟同步系统的示意图;
图4是本发明协作通信的信息汇集节点的结构示意图;
图5是本发明协作通信的中继节点的结构示意图;
具体实施方式
以下针对本发明的时钟同步方案进行一个详细的描述;
方法实施例一:
其中,图1是本发明协作通信的时钟同步方法的流程示意图;
其中,根据图1和本发明具体实施例,所属协作通信的时钟同步方法,具体包括下列步骤:
S101:信息汇集节点获取多个协作节点在同一时间内向信息汇集节点发送的带有协作信标的协作通信报文;
S102:根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;
S103:判断所述时钟同步误差是否小于设定的误差阈值;其中,如果所述时钟同步误差大于设定的误差阈值时,
S104:将所述时钟同步误差反馈给各个协作节点,由协作节点根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
重复步骤S101-S104,直至所述各个协作节点之间的时钟同步误差小于设定的误差阈值。
本发明采取了上述方案以后,能够实现高精度的时钟同步,以满足协作通信的需求。并且,本申请在同步过程中,各个节点无需记录历史信标的时间戳或历史信标的到来时间,每次时钟同步的过程都基于现有同步信号的到来时间,能够节省节点的存储空间,降低了协作通信系统对节点的硬件资源的要求,有利于推进传感器的微型化发展。
方法实施例二:
图2是本发明协作通信的时钟同步方法的实施例的流程示意图;其中,参照图2对本发明的一个具体实施例进行描述。
如图2所示,所述方法具体包括下列步骤:
S201:触发节点向参与协作通信的多个协作节点发送带有触发信标的触发通信报文;
S202:所述协作节点根据所述触发信标的到来时间,对协作节点的协作通信报文发送计时进行统一置位。
其中,在具体的实施例中,各个协作节点对接收到的触发通信报文进行互相关计算;根据互相关计算结果确定触发信标的到来时间,并对协作节点的报文发送计时进行统一置位。
S203:在计时器到时后,各个协作节点在同一时间内发送带有协作信标的协作通信报文给信息汇集节点;
其中,所述协作信标将存在于每个协作通信报文的报文头中。
S204:信息汇集节点根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;
其中,具体包括:获取所述多个协作节点发送的协作信标序列信息;
根据所述协作信标序列信息匹配各个相互叠加的协作通信报文,根据最大似然性估计获取所述相互叠加的通信报文的到来时间差;
根据所述到来时间差进行所述协作节点的时钟同步误差估计,最终获取到所述协作节点之间的时钟同步误差。
S205:判断所述时钟同步误差是否小于设定的误差阈值;其中,该阈值的设置将根据采用的协作编码方式及对通信误码率的要求而设定。
其中,如果所述时钟同步误差大于设定的误差阈值时,
S206:将所述时钟同步误差反馈给各个协作节点,由协作节点根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正,其中,所述同步误差信息由信息汇集节点通过低速反馈信道发送到协作节点中。
重复步骤S203-S206,直至所述各个协作节点之间的时钟同步误差小于设定的误差阈值,并且,当信息汇集节点对同步误差的估计值低于一定阈值时,S207:将对报文信息进行协作解码。
本申请采取了上述技术方案以后,通过触发节点在物理层的信号进行通信触发,并同步协作节点,并通过在信息汇集节点对同步误差的估计,形成闭环反馈,达到较高的时钟同步精度。
方法实施例三:
下面针对本发明所针对的用于协助通信的时钟通信方法进行更详细的描述,其中,在本发明具体实施例中,主要以两个协作节点进行说明,其中,本申请之中主要有两个误差分析和估计过程,主要包括:
一是对触发节点发送的触发信号到来时间的估计;二是对相互叠加的协作通信报文到来时间差的估计。
其中,对于第一个估计过程,具体来说,由于触发信标的内容通常是已知的,因此可通过传统的匹配滤波器对接收到的信号进行互相关计算,以确定触发信标的到来时间,从而对协作发送计时器进行统一置位,由于该技术属于现有技术所公知的,在此不详细描述。
对于第二个同步误差计算过程,由于各个协作节点的通信报文是相互叠加的,且各协作节点的信道存在不同程度的衰退,因此匹配滤波器的方法不能对报文的到来时间进行很好的估计。
根据这个特点,本方案提出了基于最大似然估计的算法,通过设计通用估计矩阵对相互叠加的报文进行到来时间差的估计。
其中,本申请主要是根据所述协作信标中的序列信息去匹配各个协作节点的叠加信号,并将所述叠加信号与所述协作信标中的标准序列信息进行比较,例如,获取01010101的内容信息,进行相与计算,根据叠加的波峰大小,获取到其相关性的大小,从而计算出所述协作节点之间的同步误差。
其中,根据本发明实施例,其所采取的通用估计矩阵的设计如下所述。
如果以si(k)表示第i个协作节点发送的协作信标序列中的第k个符号,在存在两个协作节点的情况下,信息汇集节点收到的信号可表示为:
y ( t ) = A τ 1 A τ 2 E 1 h 1 s 1 E 2 h 2 s 2 + n ( t ) - - - ( 5 - 1 )
其中
A τ 1 = [ a - L t ( τ i ) , · · · , a 0 ( τ i ) , · · · , a L 0 + L t - 1 ( τ i ) ]
aki)=[p(t-kTbiTb),p(t-kTb+TbiTb),
       …,p(t-kTb+(L0-1)TbiTb)]T
si=[si(-Lt),…,si(0),…,si(L0+Lt-1)]T
Ei为符号能量,hi为多径平坦衰退信道的响应值,n(t)为加性高斯白噪声,p(t)是升余弦脉冲信号形状,Tb为信号符号间隔,τi为归一化的同步误差,2Lt+1为升余弦脉冲信号的有效估计符号长度,L0为观测的样本序列长度。
当采用基于最大似然的方法对同步误差进行估计时,假设M作为预先设定的误差估计粒度(取决于协作通信的可接受同步误差阈值),则τi可近似为ni/M,从而对于同步误差和衰退信道的最大似然估计方程为:
ML ( y [ k T b ] , n 1 / M , n 2 / M , E 1 h 1 , E 2 h 2 )
= ( πσ w 2 ) - L 0 e - | | y [ k T b ] - E 1 h 1 A n 1 / M s 1 - E 2 h 2 A n 2 / M s 1 | | 2 σ w 2 k ∈ [ 0 , L 0 - 1 ] - - - ( 5 - 2 )
其中
Figure BDA0000124997460000084
为加性高斯白噪声的方差。
结合(5-1),最大似然估计的目标方程可确定为:
J ( y [ kT b ] , n 1 / M , n 2 / M , E 1 h 1 , E 2 h 2 )
= | | ( I - A n 1 / M s 1 A n 2 / M s 2 · R - 1 · s 1 H A n 1 / M H s 2 H A n 2 / M H ) y [ kT b ] | | 2
= | | Λ ( n 1 / M , n 2 / M ) y [ k T b ] | | k ∈ [ 0 , L 0 - 1 ] - - - ( 5 - 3 )
其中 R = s 1 H A n 1 / M H A n 1 / M s 1 s 1 H A n 1 / M H A n 2 / M s 2 s 2 H A n 2 / M H A n 1 / M s 1 s 2 H A n 2 / M H A n 2 / M s 2
因此,用于估计相互叠加的报文到来时间差的通用估计矩阵可定义为基于变量n1/M和n2/M的判定矩阵Λ(n1/M,n2/M)。该判定矩阵的维度(L0×L0)取决于用于估计的样本序列长度L0。因此,该判定矩阵在确定好样本序列后便可确定。然后,根据不同的误差估计粒度M,同步误差的估计可通过对 n ^ = n 1 n 2 的估计而确定,如下所示:
n ^ = arg min n 1 , n 2 | | Λ ( n 1 / M , n 2 / M ) y [ kT b ] | | 2 - - - ( 5 - 4 )
本发明采取了上述方案以后,结合协作通信对节点时钟同步的要求,通过设计在平坦衰退信道中用于估计报文到来时间差的通用估计矩阵,实现对协作节点的时钟同步误差的估计和有效反馈,达到同步协作节点的目的,从而保证协作通信的通信质量。
装置实施例一:
图3是本发明协作通信的时钟同步系统的示意图;
其中,根据图3,本发明公开了一种协作通信的时钟同步系统,包括:信息汇集节点,用于获取多个协作节点在同一时间内向信息汇集节点发送的带有协作信标的协作通信报文;
根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;
协作节点,用于获取反馈的时钟同步误差,并根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
其中,所述协作通信的时钟同步系统,还包括:
触发节点,用于向多个协作节点发送带有触发信标的触发通信报文;
所述协作节点,用于根据所述触发信标的到来时间,对协作节点的报文发送计时进行统一置位。
图4是本发明协作通信的信息汇集节点的结构示意图;
如图4所示,本发明所述的信息汇集节点,包括:
接收单元,用于获取多个协作节点在同一时间内向信息汇集节点发送的带有协作信标的协作通信报文;
计算单元,用于根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;
发送单元,用于将所述时钟同步误差反馈给各个协作节点,由协作节点根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
其中,更具体地,所述计算单元,具体包括:
提取子单元,用于获取所述多个协作节点发送的协作信标序列信息;
时间差计算子单元,用于根据所述协作信标序列信息匹配各个相互叠加的协作通信报文,根据最大似然性估计获取所述相互叠加的通信报文的到来时间差;
误差计算子单元,用于根据所述到来时间差进行所述协作节点的时钟同步误差估计,最终获取到所述协作节点之间的时钟同步误差。
图5是本发明协作通信的中继节点的结构示意图;根据所述示意图,所述中继节点,包括:
接收单元,用于接收触发节点发送的带有触发信标的触发通信报文;
时钟计算单元,用于根据所述触发信标的到来时间,对协作节点的协作通信报文发送计时进行统一置位;
信息发送单元,用于根据所述置位信息在同一时间内发送的带有协作信标的协作通信报文给信息汇集节点。
其中,所述接收单元,还用于获取反馈的时钟同步误差;
所述时钟计算单元,还用于根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
本装置实施例具有前述方法实施例任一实施例的优点,也就是说,本申请能够实现高精度的时钟同步,以满足协作通信的需求。并且,本申请能够节省节点的存储空间,降低了协作通信系统对节点的硬件资源的要求,有利于推进传感器的微型化发展。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种协作通信的时钟同步方法,包括:
A、信息汇集节点获取多个协作节点在同一时间内向信息汇集节点发送的带有协作信标的协作通信报文;
B、根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;
C、将所述时钟同步误差反馈给各个协作节点,由协作节点根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
2.根据权利要求1所述的协作通信的时钟同步方法,其特征在于,步骤A前,还包括:
触发节点向多个协作节点发送带有触发信标的触发通信报文;
协作节点根据所述触发信标的到来时间,对协作节点的协作通信报文发送计时进行统一置位。
3.根据权利要求1或2所述的协作通信的时钟同步方法,其特征在于,进一步还包括:
重复步骤A-C,直至所述各个协作节点之间的时钟同步误差小于设定的误差阈值。
4.根据权利要求3所述的协作通信的时钟同步方法,其特征在于,所述协作节点根据所述触发信标的到来时间,对协作节点的协作通信报文发送计时进行统一置位,具体包括:
对接收到的触发通信报文进行互相关计算;
根据互相关计算结果确定触发信标的到来时间,并对协作节点的报文发送计时进行统一置位。
5.根据权利要求3所述的协作通信的时钟同步方法,其特征在于,步骤B中,具体包括:
获取所述多个协作节点发送的协作信标序列信息;
根据所述协作信标序列信息匹配各个相互叠加的协作通信报文,根据最大似然性估计获取所述相互叠加的通信报文的到来时间差;
根据所述到来时间差进行所述协作节点的时钟同步误差估计,最终获取到所述协作节点之间的时钟同步误差。
6.一种协作通信的时钟同步系统,包括:
信息汇集节点,用于获取多个协作节点在同一时间内向信息汇集节点发送的带有协作信标的协作通信报文;
根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;
协作节点,用于获取反馈的时钟同步误差,并根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
7.根据权利要求6所述的协作通信的时钟同步系统,其特征在于,还包括:
触发节点,用于向多个协作节点发送带有触发信标的触发通信报文;
所述协作节点,用于根据所述触发信标的到来时间,对协作节点的报文发送计时进行统一置位。
8.一种信息汇集节点,包括:
接收单元,用于获取多个协作节点在同一时间内向信息汇集节点发送的带有协作信标的协作通信报文;
计算单元,用于根据所述协作信标计算各个协作通信报文之间的到来时间差,并基于所述到来时间差计算各个协作节点的时钟同步误差;
发送单元,用于将所述时钟同步误差反馈给各个协作节点,由协作节点根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
9.根据权利要求8所述的信息汇集节点,其特征在于,所述计算单元,具体包括:
提取子单元,用于获取所述多个协作节点发送的协作信标序列信息;
时间差计算子单元,用于根据所述协作信标序列信息匹配各个相互叠加的协作通信报文,根据最大似然性估计获取所述相互叠加的通信报文的到来时间差;
误差计算子单元,用于根据所述到来时间差进行所述协作节点的时钟同步误差估计,最终获取到所述协作节点之间的时钟同步误差。
10.一种中继节点,包括:
接收单元,用于接收触发节点发送的带有触发信标的触发通信报文;
时钟计算单元,用于根据所述触发信标的到来时间,对协作节点的协作通信报文发送计时进行统一置位;
信息发送单元,用于根据所述置位信息在同一时间内发送的带有协作信标的协作通信报文给信息汇集节点。
11.根据权利要求10所述的中继节点,其特征在于,所述接收单元,还用于获取反馈的时钟同步误差;
所述时钟计算单元,还用于根据所述时钟同步误差进行协作节点的时钟校正。
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