CN105722209A - 基于wia-pa传感器网络的能量有效时间同步算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于WIA?PA传感器网络的能量有效时间同步算法，它涉及能量有效时间同步算法技术领域；本发明的算法包括以下步骤：步骤一、在统一时钟源广播m个消息包的情况下，路由节点接收到其他邻居节点的m个参考包，并根据m个包的情况获得他们之间的平均时间误差；步骤二、对所述平均时间误差进行最大后验估计，得到所述路由节点接收到其他邻居节点的各个时间偏差估计值，并依据此偏差来修正节点的当前时钟。本发明有益效果为：它解决了WIA?PA网络中大规模节点同步通信的问题，可以取得较高的时间同步精度，并且使得同步过程所需要的能量损耗大大减少,适合大规模工业应用。

Description

基于WIA-PA传感器网络的能量有效时间同步算法

技术领域

本发明涉及能量有效时间同步算法技术领域，具体涉及基于WIA_PA传感器网络的能量有效时间同步算法。

背景技术

WIA-PA(wireless networks for industrial automation processautomation)，一种面向工业过程自动化的工业无线网络标准在2010年被中国工业无线联盟提出，并与Wireless HAPT协议并称两大无线通信国际标准。WIA-PA协议能够广泛应用于森林防火、医疗检测、工业监控以及过程自动化等领域，有着广泛的商业前景，但是由于传输时延、传感器节点处理时延以及随机时延误差等因素，WIA-PA的时间同步总是面临巨大的挑战。因此，必须有一种简易合理的同步机制来实时地调整时间误差，使得数据传输能够在正确的时隙链路中进行。针对WIA-PA网络对时间同步的特殊要求，近几年很多学者提出了低复杂度、节能的同步算法，但是这些算法存在没有考虑WIA-PA网络的低发射功率特性、不适宜大规模组网、未减少同步数据交换的次数，不适合大规模的工业应用等问题。

发明内容

本发明的目的是提供基于WIA-PA传感器网络的能量有效时间同步算法，它解决了WIA-PA网络中大规模节点同步通信的问题，可以取得较高的时间同步精度，并且使得同步过程所需要的能量损耗大大减少,适合大规模工业应用。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明的算法包括以下步骤：

步骤一、在统一时钟源广播m个消息包的情况下，路由节点接收到其他邻居节点的m个参考包，并根据m个包的情况获得他们之间的平均时间误差；

步骤二、对所述平均时间误差进行最大后验估计，得到所述路由节点接收到其他邻居节点的各个时间偏差估计值，并依据此偏差来修正节点的当前时钟。

所述平均时间误差的计算公式如下所示：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}(T_{p,k}-T_{q,k}).$

采用上述结构后，本发明有益效果为：它解决了WIA-PA网络中大规模节点同步通信的问题，可以取得较高的时间同步精度，并且使得同步过程所需要的能量损耗大大减少,适合大规模工业应用。

附图说明

图1为WIA-PA网络构架；

图2为WIA-PA网络模型；

图3为RBS算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所示，本发明的基于WIA_PA传感器网络的能量有效时间同步算法的实施方式如下：

一、建立系统模型

1.1WIA-PA网络体系构架

WIA-PA网络的体系构架如图1所示，整个网络包含路由器、现场设备、手持设备、网络管理器等；现场设备负责现场信息传感，路由器则负责网络的组建以及信息的传输，网络管理器负责整个通信链路的调度；路由器与现场设备的连接采用星形网络，一个路由器可以负责多个现场设备的信息汇聚与转发；各个路由器之间则组建成分层的网状网络拓扑结构，路由器在转发数据时可以有多条冗余路径的选择，使得网络传输的可靠性大大提升。

由于在实际的网络结构中，具有路由转发功能的是路由器节点，因此WIA-PA网络拓扑结构简化为考虑路由节点的拓扑构造；与传统的WSN不同，WIA-PA网络的分层拓扑如图2所示；网络以度分层，形成网状网的结构,处在同一层的节点彼此之间不建立链路连接，被称为兄弟节点，处在上下层的节点被称为父节点和子节点,统称为邻居节点,我们假设在实际的WIA-PA网络中邻居节点的数量是固定的。

1.2RBS和ERBS同步算法

WIA-PA网络工作于TDMA和FHSS模式，路由器节点之间的通信遵循严格的时序关系。网络在组建时或在工作状态时都需要进行节点之间的时间同步；以网关作为主时钟源，各层路由器节点通过彼此之间的时间交换来估算与主时钟的偏差，继而进行时间同步。

WIA-PA网络完成时间同步使用的传统的代表算法是参考广播时间同步协议RBS(reference broadcast synchroniza-tion)；如图3所示，RBS基于接收方—接收方的同步算法，是Elson等人以“第三节点”实现同步的思想而提出的。其基本思想为：在发送端发送多个参考广播同步消息，而且消息中不包含时间戳，接收节点间通过计算彼此接收到的时间同步消息的本地时间差来调整自身时间，从而实现同步。

通过RBS时间同步算法，任意接收到广播参考包的节点i与节点j之间的平均时间偏差可以计算如下：

$\∀i\∈n,j\∈n:offset\[i,j\]=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(T_{j,k}-T_{i,k}\right)$

其中n表示接收者的数量，m表示参考包的数量，而Tj,k表示接收节点j接收到参考包时k的时钟。

此算法并不是同步发送者和接收者，而是使接收者彼此同步，有效避免了发送访问时间对同步的影响，将发送方延迟的不确定性从关键路径中排除，误差的来源主要是传输时间和接收时间的不确定性，从而获得了比利用节点间双向信息交换实现同步的方法更高的精确度。这种方法的最大弊端是信息的交换次数太多，发送节点和接收节点之间、接收节点彼此之间，都要经过消息交换后才能达到同步。计算复杂度较高，网络流量开销和能耗太大，不适合能量供应有限的场合。

此外，改进型的ERBS算法中，节点只与不与之相邻的节点交换参考消息，并对每个节点计算出来的平均时间偏差进行了最大后验估计，最后通过该估计值调整所有节点的本地时钟。该算法在一定程度上改善了同步精度，缩减了算法复杂度，但是对于WIA-PA能量有限性网络依然是无法承载的。

根据图2，由于传感器节点的能量有限性，节点的发射功率有限，有连接的节点之间可以建立链路，本文提出的局部最优化时间同步算法就是充分考虑了WIA-PA的节点链路连接情况，采取了复杂度低、精确度高、节能的算法来实现。

二、能量有效时间同步算法

2.1算法复杂度

能量有效的局部最优时间同步算法分为两个部分，第一部分对同步源(网关)的同步消息包接收时间进行邻居间的信息交换，第二部分根据最大后验估计估算各个节点的时间偏差并及时做出调整。

如图2所示，节点4的邻居节点分别为1，2，6和7，节点4和节点5是兄弟节点，他们之间无链路连接，需要注意，节点4的同步过程如下：首先邻居节点1，2，6和7将各个收包时间发送给节点4，传输方向如箭头所示，节点4计算出平均时间偏差，并对这些偏差进行最大后验估计，得到时间偏差的估计值，继而进行调整。相对于ERBS而言，本算法忽略了邻居节点外的其他节点，保证了最大的相关性；同时极大地简化了算法复杂度，使得同步能耗大大减少。我们假定节点的邻居数量为5，那么对于N各节点和M条同步信息的同步复杂度为5MN。

对于RBS算法，假如该算法在网络中有n个接收节点m个参考广播包，则任意一个节点接收到m个参考包后，会拿这些参考包到达的时间与其它n-l个接收节点接收到的参考包到达的时间进行比较，然后进行信息交换，那么对于N各节点和M条同步信息的同步复杂度为MN(N-1)。

对于ERBS算法，对于同样的网络模型，则任意一个节点接收到m参考包后，会拿这些参考包到达的时间与其它n-5个接收节点接收到的参考包到达的时间进行比较，然后进行信息交换，那么对于N各节点和M条同步信息的同步复杂度为MN(N-5)。

3种算法的复杂度对比如表1所示。通过对比可以发现，本文算法的时间复杂度相对较低，尤其当网络拓扑足够大之后，算法的能量有效性将显得格外突出。

表1 3种算法的复杂度分析

2.2算法流程

能量有效的局部最优时间同步算法的具体流程如下所示。首先，在统一时钟源广播m个消息包的情况下，路由节点p接收到其他邻居节点的m个参考包，并根据m个包的情况获得他们之间的平均时间误差，计算公式如下所示：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}(T_{p,k}-T_{q,k})$

最大后验估计方法可以有效的实现对接收节点时间偏差的预测。通过实验表明接收节点的相位偏移符合零均值的高斯随机分布，那么时间偏差的测量值可以通过估计得到。以时间偏差θ为条件的时间偏差测量值X＝[X1，X2，X3，·XN]T，在统计学上的条件概率密度为：

$p\left(x\right|\mathrm{\θ})={\left(\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\δ}}_n}\right)}^N\exp \left(-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(x_i-\mathrm{\θ}\right)}^2}{2{\mathrm{\δ}}_n^2}\right)$

其中：N表示的是邻居节点的数量，θ表示时间偏差的估计值，δ_n则表示第n个邻居节点的时间偏差的方差。根据测量结果，接收节点之间的时间偏差符合μ＝0.061、δ＝10.221的高斯随机分布，其相位偏差的概率密度为：

$p\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\δ}}\exp \left(-\frac{{\left(\mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}\right)}^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}\right)$

此外，成本函数C的取值为：

很显然，若假设θ为相位偏差的估计值，那么，当C取到最小时，p(θ|X)必须满足：

$\frac{\∂p\left(\mathrm{\θ}\right|x)}{\∂\mathrm{\θ}}{|}_{\mathrm{\θ}=\mathrm{\θ}}=0$

上面公式是计算时间偏差估计的最大后验方程，拆分此方程如下公式所示：

$p\left(\mathrm{\θ}\right|x=\frac{p\left(x\right|\mathrm{\θ})p\left(\mathrm{\θ}\right)}{p\left(x\right)}$

将 $p\left(\mathrm{\θ}\right|x=\frac{p\left(x\right|\mathrm{\θ})p\left(\mathrm{\θ}\right)}{p\left(x\right)}$ 带入并进行以下求导运算，可得：

$\[\frac{\∂\ln p\left(x\mathrm{\θ}\right)}{\∂\mathrm{\θ}}+\frac{\∂\ln p\left(x\right)}{\∂\mathrm{\θ}}\]{|}_{\mathrm{\θ}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}=0$

结合上面公式，相位偏差θ符合高斯分布，因此上式可以化为：

$\begin{array}{c}\frac{\∂\ln \left\{{\left(\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\δ}}_n}\right)}^N\exp \left(-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(x_i-\mathrm{\θ}\right)}^2}{2{\mathrm{\δ}}_n^2}\right)\right\}}{\∂\mathrm{\θ}}+\\ \frac{\∂\ln \left\{\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\δ}}\exp \left(-\frac{{\left(\mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}\right)}^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}\right)\right\}}{\∂\mathrm{\θ}}=0\end{array}$

继续化简，可得：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{x_i-\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\δ}}_n^2}+\frac{\mathrm{\μ}-\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\δ}}^2}=0$

令 $\mathrm{\θ}=\widehat{\mathrm{\θ}}:$

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{x_i}{{\mathrm{\δ}}_n^2}\×\frac{{\mathrm{\δ}}_n^2{\mathrm{\δ}}^2}{{\mathrm{N\δ}}^2+{\mathrm{\δ}}_n^2}$

以上便求得了接收节点相位偏差的理论估计量，将实际的N和δ_n等参数带入上面的方程式中可以求得每个接收点的时间偏差估计值，节点将依据此偏差来修正节点的当前时钟。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.基于WIA-PA传感器网络的能量有效时间同步算法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在统一时钟源广播m个消息包的情况下，路由节点接收到其他邻居节点的m个参考包，并根据m个包的情况获得他们之间的平均时间误差；

步骤二、对所述平均时间误差进行最大后验估计，得到所述路由节点接收到其他邻居节点的各个时间偏差估计值，并依据此偏差来修正节点的当前时钟。

2.如权利要求1所述的基于WIA-PA传感器网络的能量有效时间同步算法，其特征在于，所述平均时间误差的计算公式如下所示：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}\left(T_{p,k}-T_{q,k}\right).$