CN109068385B - 一种具有容错性的水下无线网络时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有容错性的水下无线网络时间同步方法，从节点向主节点发送同步请求信息，主节点收到同步请求信息后，对接收到的同步请求信息打上时间戳，主节点和从节点之间进行同步后，求得时钟频率偏移，并估算出第i轮的时钟偏移，对距离进行归一化，并进行加权计算后重新赋给间戳，用重新赋值后的时间戳重新估算，完成一轮时间同步。本发明的有益效果具有一定的容错性，加快了时钟偏移的收敛速度，通过预设参数和根据交互信息更新参数避免了部分冲突造成的资源浪费，消息发送接收排列更密集，完成单次同步所需时间少，受信道影响更少，精度更高，方法简单有效，开销小，操作简单，具有可实施性。

Description

一种具有容错性的水下无线网络时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种适用于水下无线网络的时间同步方法，属于自组织无线传感器网络技术领域，适用于水声网络及各种无线自组织传感器网络系统。

背景技术

时间同步是无线传感器网络的一种支撑技术和必要前提，在无线传感器网络这种分布式系统中，功率管理、数据融合、定位跟踪、安全协议、传输调度等功能都需要较高的时间同步精度，因此不同节点间的时间同步是一个不可忽略的问题。在无线传感器网络中，每个传感器节点都有一个自己的本地时间，这个本地时间是由节点内部的晶振与计数器决定的。然而，晶振在材料和制造上的微小差异是无法避免的。通常情况下，晶振频偏差异的积累会导致节点本地时钟的不同。同时，晶振频率还会受到诸如温度和湿度等环境因素的影响，不同节点的时钟即使已经同步，也会在一段时间后由于晶振频率的变化而不再同步。修正各传感器节点的逻辑时钟，使得不同的传感器节点之间的时间不至于相差太多，是分布式网络能够协同工作的必要前提。现有的时间同步技术只适用于传统的无线传感器网络，并没有考虑到水下声波传播会产生变化的高时延的状况。现有算法往往把注意力放在如何改善信息交互模式上，希望通过改善信息交互顺序和组合方式来提高精度和降低能耗。但是，同步算法受恶劣信道状况影响严重，信息传输过程中的抖动和错误一样会造成严重的信息浪费，影响精度的同时也造成了严重的信息浪费，一般情况下，水声网络部署范围较大，节点资源有限，所以如何利用有效资源来达到大面积网络的时间同步是传感器网络技术研究的重要问题。

至今为止，国内外众多科研机构的学者已经针对水下无线网络设计了时间同步算法，例如TSHL算法、Tri-Message算法、Tiny-Sync算法等等。这些算法都致力于补偿时钟频率偏移和时钟偏移。但现有算法能耗较高且精度有限，都不能很好的适用于资源受限的水下无线网络。

现阶段国内外对水下无线网络时间同步问题的研究才刚刚开始。为此，设计出一种高精度，低能耗，并且适用于水下无线网络恶劣通信条件的时间同步方法是迫在眉睫的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适用于水下恶劣无线网络环境的高精度、低能耗的时间同步方法，让同步算法具有一定的容错性，充分利用交互信息，使得在信道环境恶劣的条件下依然能完成相当精度的时间同步。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)把基准节点称为主节点，待同步节点称为从节点；从节点以一定频率向主节点发送a次同步请求信息，a≥2，并对每次同步请求信息都打上从节点的本地时间戳T_i，m，其中i为同步轮数，m为单轮同步内从节点向主节点发送信息次序数(m∈[1，a])；

2)主节点收到同步请求信息后，对接收到的同步请求信息打上主节点本地时间戳T_i，m+1到T_i，2m；之后主节点在本地时间T_i，m+1过去一个预设接收发射时间间隔后以预设发射信息间隔向从节点反馈同步信息并打上主节点本地时间戳T_i，2m+1到T_i，3m，单轮同步中主节点向从节点反馈同步信息的消息发送间隔与从节点向主节点发送同步消息的时间间隔保持一致，主节点发射a次反馈同步信息之后视为完成一轮同步；从节点收到反馈同步信息后在接受同步数据包的相同位置上打上时间戳T_i，3m+1到T_i，4m；

3)主节点和从节点之间进行至少一轮同步后，从节点利用时间戳T_i，1到T_i，2m，采用最小二乘或者整体最小二乘的方法进行拟合，求得时钟频率偏移α_i，1；同样，对时间戳T_i，2m+1到T_i，4m作拟合运算得到时钟频率偏移α_i，2；得到第i轮的时钟频率偏移α_i＝(α_i，1+α_i，2)/2；

4)从节点利用时间戳T_i，1、T_i，m+1、T_i，2m+1、T_i，3m+1估算出第i轮的时钟偏移

5)将一次消息发送看做一个点，其中主节点的本地时间戳看做一个点的横坐标，从节点的本地时间戳看做纵坐标，则第i轮同步就得到(T_i，a+m，T_i，m)、(T_i，2a+m，T_i，3a+m)的2a个点，其中m∈[1，a]；

6)从第i＝2轮开始，计算当前一轮的2a个点到第i-1轮同步拟合出直线的距离d_i，n，对距离进行归一化得到

其中，μ_i和σ_i为前i轮同步中所有点距离第i-1轮同步拟合出的时间直线的距离的均值和均方差；

7)计算得到权值

其中n取1到2a；利用权值来对每轮同步中的点求乘积以加权，其中，T_i，1＝T_i，1*V_i，1，T_i，m+1＝T_i，m+1*V_i，1，T_i，m＝T_i，m*V_i，m，T_i，2m＝T_i，2m*V_i，m，T_i，2m+1＝T_i，2m+1*V_i，m+1，T_i，3m+1＝T_i，3m+1*V_i，m+1，T_i，3m＝T_i，3m*V_i，2m，T_i，4m＝T_i，4m*V_i，2m；再把加权后的值重新赋给2a个时间戳；

8)用重新赋值后的时间戳重新估算出时间频率偏移和时间偏移，补偿后更新时间直线、μ以及σ完成一轮时间同步。

对上一轮同步过程中的收发信号进行分析，得到信道冲激响应图，其中，首轮参数任意确定，根据直达径与能量最大的非直达径之间的到达时间差，调整单轮内发送时间间隔和两轮同步之间的时间间隔，所述两个时间间隔均大于到达时间差；当信道环境发生变化时，根据两轮同步之间的信息传输得到的信道状况调整发送间隔来避免冲突。

本发明的有益效果是：

1、具有一定的容错性，当信道质量变差、数据发生抖动时，仍能维持相当精度，适用于更加宽泛的水声条件；

2、加快了时钟偏移的收敛速度，使抖动发生在较小的范围内；

3、通过预设参数和根据交互信息更新参数避免了部分冲突造成的资源浪费；

4、消息发送接收排列更密集，完成单次同步所需时间少，受信道影响更少，精度更高；

5、方法简单有效，开销小，操作简单，具有可实施性。

附图说明

图1是信息交互过程示意图；

图2是同步校正过程示意图；

图3是两节点仿真具体实施示意图；

图4是数据包格式示意图；

图5是时钟频率偏移精度示意图；

图6是时钟偏移精度对比示意图；

图7是不同信道质量下的时钟偏移精度对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明把基准节点称为主节点，待同步节点称为从节点。需要同步时，从节点要先检测信道是否可用，信道可用时给即将发送的同步请求消息打上时间戳并立即发送，这样就避免了发送时延和接入时延会对同步精度造成的影响。把同步请求的优先级设置为最高，在处理同步消息的过程中，避免其他中断处理对同步精度造成的影响。主节点收到同步请求消息后，按要求向从节点发送同步消息并对消息打上时间戳。具体实施过程如下：

1.从节点以一定频率向主节点发送同步请求信息，发送a次。a至少为两次，根据对同步精度和能耗的要求可以上调这个次数同时调整两次信息发送的时间间隔，本发明算法要想达到更高精度而不过大增加开销，可以只提高前两轮发送及反馈次数，估算时钟频率偏移和时钟偏移原理不变。根据信道冲激响应中的直达径与能量最大的非直达径的时间差来调整从节点向主节点发送同步信息的消息发送时间间隔以避免发生信息传输冲突，两轮同步时间间隔根据具体应用对能耗的要求来调整。首先发送a次同步请求消息，对每次同步请求信息都打上从节点的本地时间戳T_i,m，其中i为同步轮数，m为单轮同步内从节点向主节点发送信息次序数，也是单轮同步内主节点向从节点反馈同步信息次序数；

2.单轮同步中主节点向从节点反馈同步信息的消息发送间隔与从节点向主节点发送同步消息的时间间隔保持一致。发射a次反馈同步信息之后视为完成一轮同步，把时延变化的因素纳入考量，单轮内同步信息发生冲突的可能性很小。预设两轮同步之间相差时间足够长(所有多径完全到达后)，则两轮之间就可以基本完全避免消息冲突造成的能耗浪费和精度下降的问题了。这里如果第一次反馈同步信息之前没有能估计时延的已知信息，可以先按照预先设定参数来发送同步信息，等到一轮同步完成后，再根据第一轮同步信息计算出大致时延及信道冲激响应直达径与最大能量非直达径之间的到达时间差，调整单轮内发送时间间隔和两轮同步之间的时间间隔。同样的，当信道环境发生变化时，也可以及时根据两轮同步之间的信息传输得到的信道状况(大致时延及信道冲激响应直达径与最大能量非直达径之间的到达时间差)来调整发送间隔来避免冲突；

3.主节点收到同步请求后，立即对接收到的同步请求信息打上主节点本地时间戳T_i,m+1到T_i,2m。之后主节点在本地时间T_i,m+1过去预设接收发射时间间隔后以预设发射信息间隔向从节点反馈同步信息并打上主节点本地时间戳T_i，2m+1到T_i，3m，从节点收到反馈同步信息后在相同位置上打上时间戳T_i，3m+1到T_i，4m，信息交互过程如图1所示；

4.先进行b轮普通时间同步，b≥1。得到基础时钟频率偏移和时钟偏移，如图2所示拟合出一条时钟同步直线，具体过程见步骤5、6、7；其中α为从节点的时钟频率偏移，β为从节点的时钟偏移，L₀为校正时钟频率偏移和时钟偏移后达到状态，L₁为只校正时钟频率偏移后的状态，L2为没有任何校正的原始状态。以第i轮为例(i＝1、2)，从节点利用时间戳T_i，1到T_i，2m可以用最小二乘或者整体最小二乘的方法进行拟合，求得高精度的时钟频率偏移α_i，1；

5.为了使同步信息得到充分利用，同时对抗信道环境的实时变化，本发明对时钟频率补偿实行双向拟合，即对时间戳T_i，2m+1到T_i，4m作同样的拟合运算得到时钟频率偏移α_i，2，这之后计算第i轮的时钟频率偏移为α_i＝(α_i，1+α_i，2)/2；

6.从节点利用时间戳T_i，1、T_i，m+1、T_i，2m+1、T_i，3m+1可以如下估算出时钟偏移：

T_i，m+1＝(T_i，1-β_i)/α_i+d_i (1)

T_i，3m+1＝α_iT_i，2m+1+β_i+d_i (2)

得到这个时刻的时钟偏移为

7.一轮同步完成之后，就相当于得到了一条时间同步直线，这时根据这条直线，开始对之后时间同步得到的数据进行加权，使得本发明算法能够具有容错性。把一次消息发送看做一个点，其中主节点的本地时间戳看做一个点的横坐标，从节点的本地时间戳看做纵坐标，这样一轮同步i中就得到了2a个点：(T_i，a+m，T_i，m)、(T_i，2a+m，T_i，3a+m)，其中m∈[1，a]；

8.从第i＝2轮开始，计算这一轮的2a个点到第i-1轮同步拟合出直线的距离d_i，n，对距离进行如下式所示的归一化处理后计算权值，原理如下：

其中n取1到2a，μ_i为前i轮同步中所有点距离第i-1轮同步拟合出的时间直线的距离的均值，V_i，n为计算得到的权值；

9.用这些加权值来对每轮中的四个点求乘积以加权，再把加权后的值重新赋给2a个时间戳，之后再进行和5、6、7步相同的计算补偿时钟频率偏移和时钟偏移，赋值过程如下：

T_i，1＝T_i，1*V_i，1 (5)

T_i，m+1＝T_i，m+1*V_i，1 (6)

T_i，m＝T_i，m*V_i，m (7)

T_i，2m＝T_i，2m*V_i，m (8)

T_i，2m+1＝T_i，2m+1*V_i，m+1 (9)

T_i，3m+1＝T_i，3m+1*V_i，m+1 (10)

T_i，3m＝T_i，3m*V_i，2m (11)

T_i，4m＝T_i，4m*V_i，2m (12)

10.用重新赋值后的时间戳重复第5、6、7步，重新估算出时间频率偏移和时间偏移，补偿后更新时间直线、μ以及σ完成一轮时间同步。

通过以上方法步骤，本发明在以下几个方面取得了技术进步：

(1)同步耗时：是考量时间同步算法的重要指标，尽量快的完成同步，会使节点整体通信更加高效，同时因为水下信道变化复杂，同步耗时往往会间接影响同步精度。

以两节点间同步为例，这里同步信息排布更紧密，发送接收过程并不完全分开，

单轮同步耗时6.22s，可以视对精度要求调整两轮同步间距，这里仿真是以30s为例的；比起现有算法，同样的信息交互次数下节省了近1/3的时间。又因为本发明具有一定的容错性，在保证同样精度的情况下可以延长两轮同步时间间隔，可以进一步减少整体耗时；

(2)同步能耗：水声网络属于资源受限网络，为了方便网络的大规模部署同时降低成本，水声网络节点的储能往往非常有限。为了使网络的寿命更长，需要尽量降低节点开销，所以节点同步耗能是衡量节点同步效益的重要指标。本发明在保证相同精度的情况下，信息交互次数较少，这对实现网络的长时间应用有很大贡献；

(3)同步精度：水声网络对时间同步的精度要求非常高，且现有算法很难满足这个要求，本发明通过对时间戳进行加权，使得算法能有一定的容错性，在较长时间内维持高精度，时钟频率偏移能精确到小数点后第7位，时钟偏移能精确到10μs以下；

(4)同步模式适应性：比起现有算法，本发明时间同步算法在信道质量变差的情况下仍能保持较高精度，对水声环境的适应性很强，具有较好的容错性，适用于更广泛的水声环境。

下面以两节点，单轮同步内信息交互2a次a＝2为例，给出相应时间同步方案。

采用MATLAB对本发明的性能进行仿真：基础晶振频率为32MHZ，设定基础时钟频率偏移为1.000002，基础时钟偏移为10ms。两节点间固定时延为3.1s，会发生0％-10％的上下抖动。图7所示仿真为时延抖动上限分别为10％和30％的信道对时间偏移精度造成的影响。同步一轮时间为30s，单轮同步内两个发送间隔(发送同步信息间隔和主节点接收到同步请求后到反馈同步信息的时间间隔)都为10ms。

具体步骤如下：

1、从节点以一定频率向主节点发送同步请求信息，发送2次。根据对同步精度和能耗的要求可以上调这个次数同时调整两次信息发送的时间间隔，这里以一次单向发送两次，两次消息时间间隔为10ms为例。对每次同步请求信息都打上从节点的本地时间戳T_i,1和T_i,2，其中i为发送信息轮数；

2、主节点先跟据已知信息，例如主从节点之间的距离、声速等等，来估计传播时延，从而调整向从节点反馈同步信息的消息发送时间间隔。这里以传播时延为3.1s为例：设定最早接收到同步消息10ms后发送反馈同步信息，反馈同步信息的间隔也为10ms。发射两次反馈同步信息之后视为完成一轮同步，把时延变化的因素纳入考量，单轮内同步信息发生冲突的可能性很小。预设两轮同步之间相差30s，则两轮之间就可以基本完全避免消息冲突造成的能耗浪费和精度下降的问题了。这里如果第一次反馈同步信息之前没有能估计时延的已知信息，可以先按照预先设定参数来发送同步信息，等到一轮同步完成后，再根据第一轮同步信息计算出大致时延，调整单轮内发送时间间隔和两轮同步之间的时间间隔。同样的，当信道环境发生变化时，也可以及时根据两轮同步之间的信息传输得到的信道状况(大致时延及信道冲激响应直达径与最大能量非直达径之间的到达时间差)调整发送间隔来避免冲突；

3、主节点收到同步请求后，立即对接收到的同步请求信息打上主节点本地时间戳T_i,3和T_i,4。之后主节点在本地时间T_i,3过去预设接收发射时间间隔后以预设发射信息间隔向从节点反馈同步信息并打上主节点本地时间戳T_i,5和T_i,6，这里以两个间隔都是10ms为例。从节点收到反馈同步信息后在相同位置上打上时间戳T_i,7和T_i,8，信息交互过程如图3所示。

4、先进行两轮普通时间同步，得到基础时钟频率偏移和时钟偏移，拟合出一条时钟同步直线，具体过程见5、6、7；

5、以第i轮为例(i＝1、2)，从节点利用时间戳T_i，1、T_i，2、T_i，3、T_i，4，可以拟合求得这个时刻的时钟频率偏移

6、从节点利用时间戳T_i，1、T_i，3、T_i，5、T_i，7，可以如式(1)、(2)估算出这个时刻的时钟偏移为

7、为了使同步信息得到充分利用，同时对抗信道环境的实时变化，本发明对时钟频率补偿实行双向拟合，即对时间戳T_i，5、T_i，6、T_i，7、T_i，8作同样的拟合运算得到

然后与由T_i，1、T_i，2、T_i，3、T_i，4拟合得来的时钟频率偏移α_i，1做平均，得到α_i＝(α_i，1+α_i，2)/2；

8、两轮同步完成之后，就相当于得到了一条时间同步直线，这时根据这条直线，开始对之后时间同步得到的数据进行加权，使得本发明算法能够具有容错性。本发明把一次消息发送作为一个点，其中主节点的本地时间戳作为一个点的横坐标，从节点的本地时间戳作为纵坐标，这样一轮同步i中就得到了四个点：(T_i，3，T_i，1)，(T_i，4，T_i，2)，(T_i，5，T_i，7)，(T_i，6，T_i，8)；

9、从第i＝2轮开始，计算这一轮的四个点到第i-1轮同步拟合出直线的距离d_i，n，对距离进行如(3)式所示的归一化处理后如式(4)计算权值，其中n＝1、2、3、4，为一轮同步的四个点，μ_i为前i轮同步中所有点距离第i-1轮同步拟合出的时间直线的距离的均值；

10、用这些加权值来对每轮中的四个点求乘积以加权，再把加权后的值重新赋给四个时间戳，之后再进行和5、6、7步相同的计算补偿时钟频率偏移和时钟偏移，赋值过程如式(5)～(12)；

11、用重新赋值后的时间戳重复第5、6、7步，重新估算出时间频率偏移时间偏移，补偿后完成一轮时间同步。

12、以第i轮得到的时间频率偏移和时间偏移为基准，更新时间直线，同时更新μ和σ的值。

同步耗时：单轮内信息发送间隔为10ms时单轮同步耗时6.22s，单轮内信息发送间隔为10ms时单轮同步耗时6.26s，可以视对精度要求调整两轮同步间距，这里仿真是以30s为例；比起现有算法，同样的信息交互次数下节省了近1/3的时间；

同步能耗：仿真同样条件下单轮发送四次消息，两轮同步间隔30s，也就是在达成仿真精度的时候，每30s发送四次同步信息；

同步精度：由图5图6可知，算法能在长时间内维持较高精度，时钟频率偏移能精确到小数点后第7位，时钟偏移能精确到10μs以下；

同步模式适应性：由图7可知，当信道条件抖动更大时，本发明算法具有更好的容错性和恶劣环境适应性。

Claims (2)

1.一种具有容错性的水下无线网络时间同步方法，其特征在于包括下述步骤：

1)把基准节点称为主节点，待同步节点称为从节点；从节点以一定频率向主节点发送a次同步请求信息，a≥2，并对每次同步请求信息都打上从节点的本地时间戳T_i,m，其中i为同步轮数，m为单轮同步内从节点向主节点发送信息次序数，m∈[1，a]；

2)主节点收到同步请求信息后，对接收到的同步请求信息打上主节点本地时间戳T_i,m+1到T_i,2m；之后主节点在本地时间T_i,m+1过去一个预设接收发射时间间隔后以预设发射信息间隔向从节点反馈同步信息并打上主节点本地时间戳T_i,2m+1到T_i,3m，单轮同步中主节点向从节点反馈同步信息的消息发送间隔与从节点向主节点发送同步消息的时间间隔保持一致，主节点发射a次反馈同步信息之后视为完成一轮同步；从节点收到反馈同步信息后在接受同步数据包的相同位置上打上时间戳T_i,3m+1到T_i,4m；

3)主节点和从节点之间进行至少一轮同步后，从节点利用时间戳T_i,1到T_i,2m，采用最小二乘或者整体最小二乘的方法进行拟合，求得时钟频率偏移α_i,1；同样，对时间戳T_i,2m+1到T_i,4m作拟合运算得到时钟频率偏移α_i,2；得到第i轮的时钟频率偏移α_i＝(α_i,1+α_i,2)/₂；

4)从节点利用时间戳T_i,1、T_i,m+1、T_i,2m+1、T_i,3m+1估算出第i轮的时钟偏移

5)将一次消息发送看做一个点，其中主节点的本地时间戳看做一个点的横坐标，从节点的本地时间戳看做纵坐标，则第i轮同步得到(T_i,a+m，T_i,m)、(T_i,2a+m，T_i,3a+m)的2a个点，其中m∈[1，a]；

6)从第i＝2轮开始，计算当前一轮的2a个点到第i-1轮同步拟合出直线的距离d_i,n，对距离进行归一化得到

其中，μ_i和σ_i为前i轮同步中所有点距离第i-1轮同步拟合出的时间直线的距离的均值和均方差；

7)计算得到权值

其中n取1到2a；利用权值对每轮同步中的点求乘积以加权，其中，T_i,1＝T_i,1*V_i,1，T_i,m+1＝T_i,m+1*V_i,1，T_i,m＝T_i,m*V_i,m，T_i,2m＝T_i,2m*V_i,m，T_i,2m+1＝T_i,2m+1*V_i,m+1，T_i,3m+1＝T_i,3m+1*V_i,m+1，T_i,3m＝T_i,3m*V_i,2m，T_i,4m＝T_i,4m*V_i,2m；再把加权后的值重新赋给2a个时间戳；

8)用重新赋值后的时间戳重新估算出时间频率偏移和时间偏移，补偿后更新时间直线、μ以及σ完成一轮时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种具有容错性的水下无线网络时间同步方法，其特征在于：

对上一轮同步过程中的收发信号进行分析，得到信道冲激响应图，其中，首轮参数任意确定，根据直达径与能量最大的非直达径之间的到达时间差，调整单轮内发送时间间隔和两轮同步之间的时间间隔，所述两个时间间隔均大于到达时间差；当信道环境发生变化时，根据两轮同步之间的信息传输得到的信道状况调整发送间隔来避免冲突。

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