CN106604387A - 一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法，主要针对传统无线传感器网络RBS时间同步算法，在一个同步周期内，将参考节点发送的同步广播信令储存，每n个信令到达时间信息合并一次与传感器同步时间点，本发明在两个同步周期之间设定静默间隔周期，在此周期内不进行时间同步操作，以此达到将更多能量分配给性能差的传感器的目的。

Description

一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络、UWB超宽带及博弈协商决策策略领域，具体涉及一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法。

背景技术

随着微型机械电子系统，数字电子系统，无线通信技术，和分布式系统及多媒体信息处理技术的飞速进展，无线传感器技术在许多应用场景得到了广泛地推广，这些传感器具有多功能，低能耗，低成本等特点，能够承担传感，处理及无线通信等功能模块。无线传感器网络由部署在一定范围内的无线传感器节点组成，其目的是协作完成对某些物理量的感知和采集、处理并汇总。由于其高度灵活性，最早由美国军方提出对WSN的理论及应用进行研究，并由军事领域拓展至民用领域，如工业机械，人体健康监测，家庭电器控制，生物化学监测等等。因为其广泛的应用前景，业界已将其视为未来通信的基本构架之一。

做为无线传感器网络的骨干支撑技术，时间同步对多节点间的数据整合，链路层协议设计，测距定位等有着至关重要的意义。目前，绝大部分无线传感器节点因为受成本及能耗等因素制约，只能采用低廉的晶体振荡器作为其自身的时钟计时设备。不同厂家在晶振器制作工艺上的差别，以及晶振器本身振荡频率受温度，电压，老化程度等的影响，使得晶振器在使用过程中或多或少产生频率漂移，从而导致时间的不一致。时间同步技术可有效降低这种误差，确保网络中时间框架的稳定性，保证网络各项功能的质量。

目前，时间同步技术已经发展出相当多的时间同步算法，这些算法的侧重方向主要针对两个方面：第一是针对不同模型，运用多种估计方法，提高同步的精度；第二是利用不同的信息交换机制，降低能耗的要求。在时间同步技术中，精度与能耗是两个难以兼顾的要素，提高精度往往意味着消耗更多资源，为了降低能量的耗费，往往又会带来精度的限制。针对现有时间同步算法，业界提出多种划分方式，常见的如基于发射接收机制的分类。第一种为接收机——发射机同步，以DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)为代表；第二种为接收机——接收机同步，典型算法如RBS(Reference BroadcastSynchronization)；第三种为成双同对同步TPSN(Time-sync Protocol for SensorNetworks)即为此类型算法。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法，包括如下步骤：

步骤1随机挑选参考节点，开始第T个同步周期；

步骤2参考节点等间隔广播同步信令；

步骤3同步节点收到广播信令，记录到达时间T_i,k，并记录广播数K；

步骤4当K≤X时，执行现有RSB算法操作即交换时间点T_i,k，返回步骤2，否则进行步骤5；

步骤5如果X+(T-1)*n<K<X+T*n，T＝1,2,3……记录信令到达时间并储存，但不交换时间点信息，返回步骤2；

步骤6如果K＝X+T*n，记录第k个信令到达时间并储存，执行现有RSB算法，即交换第X+(T-1)*n至X+T*n个广播信令到达时间点，返回步骤2；

步骤7如果广播是第T个同步周期的最后一个广播，则与同步传感器交换时间点，进入下一个步骤；

步骤8根据设定的精度要求，计算传感器对之间的静默间隔期，并设定静默间隔期时间，时间结束，则返回步骤1，进行第T+1个同步周期。

X取值5，n的取值为5。

所述静默间隔期具体为：

其中T_i,j表示节点i、j之间的静默间隔期，假设WSN中有四个传感器节点需要执行同步操作，则执行以上操作一个同步周期结束后，两节点间时钟漂移值offset_i,j，时钟抖动值skew_i,j。

采用UWB技术确定两节点间时钟漂移值offset_i,j，时钟抖动值skew_i,j。

本发明的有益效果：

(1)利用了UWB技术来产生同步脉冲信号，在时延模型满足高斯分布的假设下，时钟漂移精度可达1μs级别，好于现有技术中的29μs精度级别；

(2)本发明利用UWB技术特点，在确保时钟漂移稳定性的前提下，将相邻的广播信令到达时间信息合并存储，并在一个数据包中统一进行发送，相较于原算法机制，有效减少了每个同步周期发送的数据包数；

(3)本发明利用时钟抖动估计值，判断节点之间的时钟性能，进行决策，将能量资源向性能较差节点倾斜，减少性能较好节点之间的能量耗费，相较于全网络无差别同步机制，有效降低了全网络的平均能耗。

附图说明

图1为本发明一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法的流程图；

图2为本发明的时间误差示意图；

图3为现有技术中RBS算法时钟示意图模型；

图4为本发明时钟示意图模型；

图5为本发明时钟漂移仿真图；

图6为时钟抖动仿真图。

图7为本发明不同性能传感器节点之间消耗数据包仿真图；

图8为本发明原算法与本发明平均消耗数据包仿真图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图8所示，一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法，包括如下步骤：

步骤1随机挑选参考节点，开始第T个同步周期，T的取值为1、2、3……；

步骤2参考节点等间隔广播同步信令；

步骤3同步节点收到广播信令，记录到达时间T_i,k，并记录广播数K；

步骤4当K≤X时，执行现有RSB算法操作即交换时间点T_i,k，返回步骤2，否则进行步骤5；

本实施例中X取5。

步骤5如果X+(T-1)*n<K<X+T*n，T＝1,2,3……记录信令到达时间并储存，但不交换时间点信息，返回步骤2，本实施例中n取值为5；

步骤6如果K＝X+T*n，记录第k个信令到达时间并储存，执行现有RSB算法，即交换第X+(T-1)*n至X+T*n个广播信令到达时间点，返回步骤2；

步骤7如果广播是第T个同步周期的最后一个广播，则与同步传感器交换时间点，进入下一个步骤，本实施例中一个同步周期有50个广播；

步骤8根据设定的精度要求，计算传感器对之间的静默间隔期，不同的传感器同步对之间的静默间隔差异化设置，对时钟抖动较大的传感器同步对，采用缩短间隔期以增加同步的频率，时钟抖动较小的传感器同步对之间，则减少同步的频率，以此达到将更多能量分配给性能差的传感器的目的。

并设定静默间隔期时间，时间结束，则返回步骤1，进行第T+1个同步周期。

在原RBS算法中，如图3，参考节点发送同步广播信令，该信令中不包含具体时间戳信息，仅作为一个参考信息，本发明中继续采用该机制，需进行同步的传感器节点收到该信令后，根据其本地时钟，记录信令到达时间点信息，与另一个需进行同步的传感器节点交换该信息，在理想系统假设下，利用最小线性回归方法，便可估计得时钟漂移：

其中m为广播信令数，T_j,k为节点j收到第k个信令的时间

如系统存在时钟频率抖动，需考虑未知时间延迟的影响，假设网络中有两个传感器A,B需执行时间同步操作，参考节点P发射广播信令。对传感器A,B，其收到第i个信令的时间点分别为：

其差值为

结合费雪矩阵及最小方差估计方法，可求得时钟漂移及时钟抖动的估计式：

同时，也可获得其克拉美罗下限(CRLB)：

结合UWB技术，使用超短脉冲作为信号，在原算法基础上，采用合并信令到达时间信息，延后发送的方式。在同步周期开始阶段，仍采用原RBS算法机制，在传感器节点获得一定数量时间戳信息后(此处选取前5个信令时间到达信息)，开始将信令到达的时间合并在一个数据包中一次性交换，如图4，而后每5个时间信息交换一次，其中，选取5个时间信息合并一次的依据，可由仿真实验图5、6得，5个数据包可以使时间精度达到1μs的水平，在接下来将进行的仿真试验中，1μs为预设的精度水平要求。

若假设WSN中有4个传感器节点需执行同步操作，设执行以上操作一个同步周期结束后，分别测得两节点间时钟漂移值offset_i,j，时钟抖动值skew_i,j，节点间两两根据所需达到的精度要求，协商确定静默间隔期：

传感器消耗的能量直接与发送的数据包数量相关，如图7，两两性能相异的传感器间，随着时间增加，所需数据包数量相应增加，性能较差的节点对之间所需数据包数目明显较高。图8为全网络发射的平均数据包数，若采用以往全网络统一制定间隔周期的做法，为达到相应精度，需按照最差节点为衡量标准，消耗的资源明显高于采用本发明提出的改进算法。

一、在同步周期内，达到预设的时间精度要求后，将参考节点发来的同步广播信令到达时间储存，根据应用的需求，每n个信令到达时间信息合并成，一次性与需同步的传感器进行信息交换，取代传统RBS算法中每收到一个广播信令即进行一次信息交换的操作。二、在两个同步周期间，根据先前同步周期的时钟抖动估计值，传感器同步对之间协商设置静默间隔，在此间隔期内不再进行时间同步操作。不同的传感器同步对之间的静默间隔差异化设置，对时钟抖动较大的传感器同步对，采用缩短间隔期以增加同步的频率，时钟抖动较小的传感器同步对之间，则减少同步的频率，以此达到将更多能量分配给性能差的传感器的目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1随机挑选参考节点，开始第T个同步周期；

步骤2参考节点等间隔广播同步信令；

步骤3同步节点收到广播信令，记录到达时间T_i,k，并记录广播数K；

步骤4当K≤X时，执行现有RSB算法操作即交换时间点T_i,k，返回步骤2，否则进行步骤5；

步骤5如果X+(T-1)*n<K<X+T*n，T＝1,2,3……记录信令到达时间并储存，但不交换时间点信息，返回步骤2；

步骤6如果K＝X+T*n，记录第k个信令到达时间并储存，执行现有RSB算法，即交换第X+(T-1)*n至X+T*n个广播信令到达时间点，返回步骤2；

步骤7如果广播是第T个同步周期的最后一个广播，则与同步传感器交换时间点，进入下一个步骤；

步骤8根据设定的精度要求，计算传感器对之间的静默间隔期，并设定静默间隔期时间，时间结束，则返回步骤1，进行第T+1个同步周期。

2.根据权利要求1所述的无线传感器时间同步方法，其特征在于，X取值5，n的取值为5。

3.根据权利要求1所述的无线传感器时间同步方法，其特征在于，所述静默间隔期具体为：

$T_{i,j}=\frac{(accuracy-{\mathrm{offset}}_{i,j})}{{\mathrm{skew}}_{i,j}}$

其中T_i,j表示节点i、j之间的静默间隔期，假设WSN中有四个传感器节点需要执行同步操作，则执行以上操作一个同步周期结束后，两节点间时钟漂移值offset_i,j，时钟抖动值skew_i,j。

4.根据权利要求3所述的无线传感器时间同步方法，其特征在于，采用UWB技术确定两节点间时钟漂移值offset_i,j，时钟抖动值skew_i,j。