CN106452650B - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106452650B CN106452650B CN201611099645.0A CN201611099645A CN106452650B CN 106452650 B CN106452650 B CN 106452650B CN 201611099645 A CN201611099645 A CN 201611099645A CN 106452650 B CN106452650 B CN 106452650B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- node
- time
- synchronized
- clock
- network
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
- H04J3/00—Time-division multiplex systems
- H04J3/02—Details
- H04J3/06—Synchronising arrangements
- H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
- H04J3/0685—Clock or time synchronisation in a node; Intranode synchronisation
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
- H04J3/00—Time-division multiplex systems
- H04J3/02—Details
- H04J3/06—Synchronising arrangements
- H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
- H04J3/0638—Clock or time synchronisation among nodes; Internode synchronisation
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L27/00—Modulated-carrier systems
- H04L27/0014—Carrier regulation
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W84/00—Network topologies
- H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L27/00—Modulated-carrier systems
- H04L27/0014—Carrier regulation
- H04L2027/0024—Carrier regulation at the receiver end
- H04L2027/0026—Correction of carrier offset
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Synchronisation In Digital Transmission Systems (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
本发明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,属于无线传感器网络技术领域。在本方法中,根据节点对同步精度的需求分为转发法和透传法两种:A、转发法,中间层节点在每次校正时间后,间隔同等的时间再发起向下一层次节点的同步交互;B、透传法,将中间层节点的处理时间视为额外引入的固定时延和随机时延,节点直接与根节点建立同步关系。本发明所提供的估计方法,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,从而克服同步参数估计过程中同步精度不可控的问题。
Description
技术领域
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。
发明内容
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AL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AL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AL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AL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μi,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AL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AL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AL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μi,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μi。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AL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。
Claims (2)
1.一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,其特征在于: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;具体如下:
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,其中 分别为相邻节点AL-1的发送时间戳和AL的接收时间戳,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;
所述采用转发法,当网络中第L级节点AL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AL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AL根据公式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AL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μi,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,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为时间同步的周期数。
2.根据权利要求1所述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,其特征在于:采用透传法,第L级节点待同步,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AL利用两个时间戳的差值据得到调整量并在随后的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AL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,估计出时钟频率偏移,公式如下
其中,
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201611099645.0A CN106452650B (zh) | 2016-12-01 | 2016-12-01 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201611099645.0A CN106452650B (zh) | 2016-12-01 | 2016-12-01 | 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 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106452650A CN106452650A (zh) | 2017-02-22 |
CN106452650B true CN106452650B (zh) | 2019-02-22 |
Family
ID=58224079
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201611099645.0A Active CN106452650B (zh) | 2016-12-01 | 2016-12-01 | 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 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106452650B (zh) |
Families Citing this family (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018098791A1 (zh) * | 2016-12-01 | 2018-06-07 | 重庆邮电大学 | 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 |
CN107528628B (zh) * | 2017-09-28 | 2020-01-10 | 中国电子科技集团公司第七研究所 | 卫星通信系统的信号同步方法、装置和系统 |
CN107835491B (zh) * | 2017-10-16 | 2020-04-17 | 北京邮电大学 | 一种基于uwb的信号同步方法、室内定位系统 |
CN108599885B (zh) * | 2018-03-08 | 2019-07-26 | 清华大学 | 高精度时间同步方法 |
JP6939664B2 (ja) | 2018-03-14 | 2021-09-22 | オムロン株式会社 | センサ管理装置、センサ情報同期方法、制御プログラム、及び記録媒体 |
CN110505683B (zh) * | 2019-09-23 | 2021-06-08 | 重庆邮电大学 | 一种面向平均一致性时钟同步的频率偏移估计方法 |
CN113099526B (zh) * | 2020-03-30 | 2022-06-28 | 深圳友讯达科技股份有限公司 | 一种权重柔性递减调整的时间同步方法 |
CN111447673B (zh) * | 2020-04-03 | 2022-06-10 | 南京大鱼半导体有限公司 | 无线自组网的同步方法、装置、存储介质及其节点 |
CN113079563A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-07-06 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法 |
CN113259081B (zh) * | 2021-07-05 | 2021-09-28 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种跨时间域的数据同步系统及方法 |
CN113781839A (zh) * | 2021-08-24 | 2021-12-10 | 东风汽车集团股份有限公司 | 一种基于车路协同的十字路口高效通行方法及交通系统 |
CN114050884B (zh) * | 2021-11-08 | 2023-05-12 | 重庆邮电大学 | 一种面向工业无线与tsn融合的跨网时间同步方法 |
CN115549884B (zh) * | 2022-09-30 | 2024-04-26 | 东风商用车有限公司 | 一种传感器时间同步方法、装置、设备及可读存储介质 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101594673A (zh) * | 2009-06-29 | 2009-12-02 | 中兴通讯股份有限公司 | 一种分布式处理1588时间戳的方法及系统 |
CN102938676A (zh) * | 2011-08-16 | 2013-02-20 | 中兴通讯股份有限公司 | 时间同步处理方法、装置及系统 |
CN104968043A (zh) * | 2015-04-29 | 2015-10-07 | 重庆邮电大学 | 一种适用于wia-pa网络的时钟同步频率偏移估计方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7023884B2 (en) * | 2000-12-19 | 2006-04-04 | Lucent Technologies Inc. | Clock offset estimation with bias correction |
-
2016
- 2016-12-01 CN CN201611099645.0A patent/CN106452650B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101594673A (zh) * | 2009-06-29 | 2009-12-02 | 中兴通讯股份有限公司 | 一种分布式处理1588时间戳的方法及系统 |
CN102938676A (zh) * | 2011-08-16 | 2013-02-20 | 中兴通讯股份有限公司 | 时间同步处理方法、装置及系统 |
CN104968043A (zh) * | 2015-04-29 | 2015-10-07 | 重庆邮电大学 | 一种适用于wia-pa网络的时钟同步频率偏移估计方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN106452650A (zh) | 2017-02-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106452650B (zh) | 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 | |
CN106488550B (zh) | 确定终端与基站时钟时间偏差的方法与装置 | |
Moreira et al. | White rabbit: Sub-nanosecond timing distribution over ethernet | |
CN101335587B (zh) | 工业无线网络的精确时间同步方法 | |
CN105743598B (zh) | 一种工业以太网时钟同步方法及系统 | |
Garner et al. | Synchronization of audio/video bridging networks using IEEE 802.1 AS | |
US20100098111A1 (en) | Method and system for precise-clock synchronization, and device for precise-clock frequency/time synchronization | |
CN113055117A (zh) | 一种无线分布式网络的时钟同步装置及方法 | |
CN104968043A (zh) | 一种适用于wia-pa网络的时钟同步频率偏移估计方法 | |
CN106357362B (zh) | 一种时间同步方法、装置及ptp系统 | |
WO2023077760A1 (zh) | 一种面向工业无线与tsn融合的跨网时间同步方法 | |
KR20100131015A (ko) | 시분할 다중 접속 방법을 애드-혹 멀티호핑 무선 네트워크에 구현하는 방법 및 시스템 | |
CN107070578B (zh) | 一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法 | |
KR20050025582A (ko) | 무선 네트워크에서 클록 드리프트의 정정 및 동기의유지를 위한 시스템 및 방법 | |
CA2749427A1 (en) | Method of synchronisation within a base station system | |
CN104080115B (zh) | 一种时间同步性能监测方法、装置及系统 | |
WO2018098791A1 (zh) | 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 | |
CN101854240A (zh) | 一种提高无线授时精度的方法 | |
WO2017071276A1 (zh) | 中继系统的空口时间同步方法、设备 | |
Pinho et al. | A robust gradient clock synchronization algorithm for wireless sensor networks | |
CN106559157A (zh) | 一种时钟同步方法、装置及通信设备 | |
CN110225544A (zh) | 一种基于光纤网络的移动通信基站高精度时间同步方法 | |
CN109921871A (zh) | 一种时间同步方法、装置及网络系统 | |
CN104836654B (zh) | 一种基于Ethernet POWERLINK的时钟同步方法 | |
Zhou et al. | A scalable and adaptive clock synchronization protocol for IEEE 802.11-based multihop ad hoc networks |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |