CN109936519B - 基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法，属于无线传感网技术领域。在该方法中，待同步节点向参考节点发出数据包，参考节点接收到数据包后，根据数据包序列号映射出相应的定时响应时间，经过该时间间隔后回复确认消息，待同步节点和参考节点之间无需交换时间戳信息，经过多次通信交互之后，待同步节点便可估计出节点时钟之间的相对频率偏移和固定时延。本发明易于集成到具有时隙机制的工业无线传感网中，无需单独收发专门用于时间同步参数估计的报文，只需较小的计算成本便可实现对时钟频率偏移的长期跟踪，减小通信开销，降低能量消耗；同时，本发明无需在节点间交互时间戳，提高了时间同步参数估计的安全性。

Description

基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法

技术领域

本发明属于无线传感器网技术领域，涉及一种适用于工业无线传感网的定时响应时钟频率偏移的估计方法。

背景技术

无线传感器网由空间分布、廉价、微小的许多传感器节点组成，其计算、存储和能源都有限，节点各自运行在自己独立的时钟上。由于无线传感网络具有部署灵活、成本低廉等特点，在诸多领域已经获得了广泛的应用，如工业领域等。传统的工业网络大多采用有线的连接方式，其部署灵活性，工业过程的智能化控制都受到了一定的限制。正是基于无线传感器网的优势，工业无线传感器网应运而生，无线的微型传感器节点被安装在工业现场的诸多设备上，负责工业环境数据和工业过程数据的采集，大量的传感器节点协同工作，实现了高效、灵活、智能化的工业过程。复杂的工业现场环境导致工业无线传感网对可靠性、实时性、低功耗等方面有较高需求，目前已产生了ISA100.11a等专门用于工业现场的无线传感网标准。

时间同步技术是工业无线传感网应用的重要支撑技术，在工业无线传感器网的实际应用中要求不同的节点运行在一个共同的时间尺度上，而时钟频率偏移是造成节点间同步误差的主要因素，因此获取节点时钟的频率偏移参数对工业无线传感网来说具有重要意义。现有的时钟频率偏移估计方法一般需要专门的同步报文，而且需要在传输过程中交互时间戳信息，从而造成较大的同步开销。

针对上述问题，本发明面向具有时隙机制的工业无线传感网，提出了基于定时响应的相对时钟频率估计方法。通过将频率偏移估计的实施嵌入到普通数据包的发送及确认(ACK)过程中，无需单独传输专门的时间同步报文和时间戳信息便可实现对频率偏移的长期跟踪，并避免了时间戳遭受攻击的可能性，降低了资源受限的工业无线传感网的同步开销，提高了同步安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法，该方法不需要专门的数据帧在同步的节点间交互时间戳信息，伴随着网络数据包传输过程节点便可实现对时钟同步频率偏移的长期平滑跟踪，用一种低成本的方式获取到更为准确的时钟频率偏移参数，减少网络中消息的传输量，降低资源受限节点的通信开销，避免了时间戳消息在时间同步交互过程受到攻击的潜在可能性，提高了安全性、可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法，在无线传感网中无需专用于时钟同步参数估计的通信带宽来传递专用于时间同步的报文，节点间无需时间戳交互。当网络中任意待同步节点S需要与参考节点R实现同步时，节点间利用单向数据包+ACK的通信方式进行双向通信。

时间同步算法伴随着发送节点S的数据收发进行，假设在其本地时间

时刻，向参考节点R发送一个数据包，参考节点R经过一段时间后接收到该数据包，这段时间主要是受数据包传输过程的固定时延d₁和随机时延X_i影响，参考节点R在其本地时间的

时刻接收到该消息，在接收到S节点发送的数据包消息后，经过定时响应时间间隔w_i后的

时刻回复确认消息。这里，该时间间隔根据网络中数据包的不同序列号Seq，采用序列号对i(i≥2)取模的方式，计算出不同数据包对应的定时响应时间间隔，具体地，当序列号Seq％i＝0时，定时w₁时间间隔后返回ACK；当序列号Seq％i＝1时，定时w₂时间间隔后返回ACK；当序列号Seq％i＝2时，定时w₃时间间隔后返回ACK；…；当Seq％i＝i-2时，定时w_i-1时间间隔后返回ACK；当Seq％i＝i-1时，定时w_i时间间隔后返回ACK，(收发双方都提前知晓相应计算规则，并按该规则执行等待)。

时刻，参考节点R回复一个ACK给节点S，节点S记录下收到响应消息的时刻

值得注意的是，在此过程中，各发送、接收时刻的时间戳信息没有被携带在交互的数据帧中。重复上述流程，经过N次消息交互以后，发送节点S可以获得一组本地时间戳

同样地，节点R可以获得时间戳组

结合节点R的不同定时响应时间w_i，利用统计信号处理的方法，便可估计出节点间的频率偏移和传输过程中的固定时延。

所述时钟频率偏移估计方法具体包括以下步骤：

S1：时钟频率偏移的估计伴随着节点的数据包收发进行，假设待同步节点S在其本地时间

时刻，向参考节点R发送一个数据包，并记录发送时刻

S2：节点R和节点S的晶振具有不同的频率，若f_R表示节点R的晶振频率，而f_S代表节点S的晶振频率，参考节点R在接收到节点S发送的数据帧时，记录其本地时间

受数据包传输过程的固定时延d₁和上行随机时延X_i影响，则有

其中，

表示节点S相对于节点R的时钟频率偏移，

表示节点间的初始相位偏移，X_i表示独立同分布的高斯变量，d₁表示数据包传输过程的固定时延；

节点R在定时响应间隔时间w_i后回复一个ACK消息给待同步节点S，同时记录下返回ACK消息的本地时间

时间间隔w_i的大小取决于节点R每周期接收到的数据包序列号对i取模的具体情况，且i≥2；

S3：待同步节点S在接收到参考节点R的响应消息时，记录其本地时间

基于ACK数据包长度通常小于网络中数据包长度，而固定时延主要受数据包长度的影响，这里，假设ACK数据包在传输过程的固定时延d₂等于数据包传输过程的固定时延d₁减去一个常数值m，即d₂＝d₁-m；同理，受传输过程的固定时延d₂和下行链路随机时延Y_i影响，则有时间戳关系表达式：

其中，Y_i是独立同分布的高斯变量；

S4：重复上述步骤S1～S3，若取

利用矩阵存入时间戳

以及节点R的不同定时响应间隔时间w_i，则N个周期后，能够估计出时钟同步参数：时钟频率偏移α和数据包传播过程的固定时延d₁，公式如下：

其中，

是时钟频率偏移的估计量，

是数据包传输过程的固定时延估计量，Z_i＝X_i+Y_i服从独立同分布的高斯变量，即Z_i:N(0,σ²)。

进一步，步骤S2中，所述的时间间隔w_i的大小，以节点R每周期接收到的数据包序列号Seq对i取模，且i≥2为例进行说明，相应的规则为：

当序列号Seq％i＝0时，返回ACK的定时响应时间间隔为w₁；

当序列号Seq％i＝1时，返回ACK的定时响应时间间隔为w₂；

当序列号Seq％i＝2时，返回ACK的定时响应时间间隔为w₃；

…；

当序列号Seq％i＝i-2时，返回ACK的定时响应时间间隔为w_i-1；

当序列号Seq％i＝i-1时，返回ACK的定时响应时间间隔为w_i。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明所述方式是基于普通数据包发送及ACK通信机制，待同步节点在普通数据包的收发过程便可实现对时钟频率偏移、固定时延的估计和长期平滑跟踪，节省了资源受限型的传感器节点的能量，满足无线传感网的低功耗需求。

(2)本发明所述方法在时钟频率偏移和固定时延的估计过程中，节点间不需要专用于时间同步的报文携带时间戳信息进行交互。事实上，时间戳是时间同步协议中潜在的攻击点，而本发明提供的时钟频率偏移估计方法在实现过程中无需传输时间戳，所以提高了网络的安全性。

(3)在本发明提供的基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法中，以ISA100.11a时隙模板为例进行了说明，对ISA100.11a定义返回ACK的定时响应时间进行了扩展，接收节点根据接收到的数据包的不同序列号，采用建立映射表进行映射、采用序列号取模等策略使得定时响应时间间隔出现两个或两个以上的不同值，计算出不同序列号反馈ACK消息的定时响应时间间隔，易于集成到具有时隙机制的现有工业无线传感网中，具有良好的实际应用价值。

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为本发明所述的同步节点间的数据包交互机制示意图；

图2为本发明所述的钟频率偏移估计方法的流程图；

图3为本发明所述的时钟频率偏移和固定时延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为本发明所述的基于定时响应的工业无线传感器网时钟频率偏移估计方法的同步节点间数据包交互机制示意图，如图1所示，在工业无线传感网中，普通节点S作为待同步节点，接收节点R作为时钟源节点，两节点间利用单向数据包+ACK的通信机制进行双向通信。

本发明所述的基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法，由于没有时间戳交互，因此同步功能可以嵌入到数据包的收发过程中，假设发送节点S在其本地时间

时刻，向参考节点R发送一个数据包，参考节点R经过一段时间后接收到该数据包，在接收到S节点发送的数据包消息后，节点R在定时响应间隔时间w_i后回复一个ACK消息给待同步节点S，同时记录下返回ACK消息的本地时间

定时响应时间间隔w_i的大小取决于节点R每周期接收到的数据包序列号对i(i≥2)取模的具体情况，相应的映射规则为：当序列号Seq％i＝0时，返回ACK的定时响应时间间隔为w₁；当序列号Seq％i＝1时，返回ACK的定时响应时间间隔为w₂；当序列号Seq％i＝2时，返回ACK的定时响应时间间隔为w₃；…；当Seq％i＝i-2时，返回ACK的定时响应时间间隔为w_i-1；当Seq％i＝i-1时，返回ACK的定时响应时间间隔为w_i。随后节点S记录下收到响应消息的时刻

重复上述流程，利用统计信号处理的方法，便可估计出节点间的时钟频率偏移和数据包传输过程中的固定时延。

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α分别表示t₀时刻的初始时钟相位偏移和频率偏移，数据包传输过程中的固定时延和上行随机延时分别为d₁，X₁。

这里，假设数据交互的第一个数据包序列号为Seq₀，且Seq₀是3的整数倍，即Seq₀％3＝0。间隔一定时间后，节点R反馈一个ACK给节点S，由前面的数据包序列号和定时响应的时间间隔映射关系，可得第一个周期节点R返回ACK的定时响应时间为w₁。

假设节点R反馈ACK的时间为

则有：

节点R反馈ACK的时间

和节点S接收到ACK的时间

满足：

这里，ACK数据包在传输过程的固定时延d₂等于数据包传输过程的固定时延d₁减去一个常数值m，即d₂＝d₁-m，Y₁是在第一个周期下行链路存在的随机时延。

同理，对于第二个同步周期，

可表示为，

其中，X₂为数据包传输过程中网络中的上行链路随机时延。

由第二周期的数据包序列号Seq₁％3＝1，由映射关系，可以得到返回ACK的时间间隔为w₂。节点S反馈ACK的时间

为：

与

满足关系：

N轮数据包交互后，可以得到交互流程的数学模型，

w_i∈(w₁,w₂,…,w_i) (7)

N个周期后，发送节点S可以获得一组本地时间戳

同样地，节点R可以获得一组本地时间戳

再结合节点R的不同响应时间w_i，利用统计信号处理的方法，便可估计出节点间的频率偏移和数据包传输过程中存在的固定时延。公式如下：

由此，可得到发送节点S相对于节点R的频率偏移的估计量

以及数据包传输过程的固定时延估计量

其中Z_i＝X_i+Y_i服从独立同分布的高斯变量，即Z_i:N(0,σ²)，N为两节点间的同步周期数。

为了验证本发明提供的基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法的有效性，求出的克拉美罗下限(Cramer-Rao Lower Bound，CRLB)

这里，β是待估计量频率偏移α的倒数，即

d₁为数据包传输过程的固定时延。根据参数变换，在已知β的CRLB时，可以得到关于β的更一般的函数α＝g(β)的CRLB。具体的变换公式如下：

由此可得，频率偏移α的CRLB为：

实施例：

图2为本发明所述的基于定时响应的时钟频率偏移估计方法流程图，如图2所示，该时钟频率偏移估计方法具体包括以下步骤：

S1：同步过程开始。

S2：发送节点S向接收节点R发送一个序列号为Seq的数据包，并记录下发送时刻

S3：接收节点R接收到数据包，并记录接收时刻

S4：接收节点R根据接收到的数据包序列号，利用计算规则Seq％i，求得反馈ACK需要等待的定时响应时间间隔w_i。

S5：接收节点R间隔w_i时间后响应ACK，并记录相应的发送时刻

S6：节点S接收到节点R的响应ACK消息，并记录下相应的接收时刻

S7～S9：判断同步周期数是否达到设定值N，若已达到，则估计出节点的频率偏移和固定时延；反之，则i＝i+1，进入流程S2继续重复数据包收发过程。

S10：待同步节点S估计出时钟同步参数：频率偏移和固定时延，为工业无线传感网的时间同步奠定基础。

S11：同步过程结束。

图3为本发明所述时钟频率偏移估计方法，对频率偏移和固定时延的估计结果与相应的CRLB性能的对比图。由图3可知，两估计量的均方误差均随着观测数目的增加而降低；均方误差曲线与其相应的CRLB基本重合，仿真结果验证了估计器

的有效性，且估计性能接近最优估计。

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做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法，其特征在于，在无线传感网中，当网络中任意待同步节点S需要与参考节点R实现同步时，节点间利用单向数据包+ACK的通信方式进行双向通信，时间同步参数的估计无需依赖交互诸多的时间戳信息，由于无需时间戳交换，因此同步功能能嵌入到现有的数据交互过程中，参考节点R在接收到待同步节点S发送的数据包消息后，根据接收到的数据包序列号Seq，采用相应规则，使得定时响应时间间隔出现两个或两个以上的不同值，该方法具体包括以下步骤：

S1：时钟频率偏移的估计伴随着节点的数据包收发进行，假设待同步节点S在其本地时间

时刻，向参考节点R发送一个数据包，并记录发送时刻

S2：参考节点R和待同步节点S的晶振具有不同的频率，若f_R表示参考节点R的晶振频率，而f_S代表待同步节点S的晶振频率，参考节点R在接收到待同步节点S发送的数据包时，记录其本地时间

受数据包传输过程的固定时延d₁和上行随机时延X_i影响，则有

其中，

表示待同步节点S相对于参考节点R的时钟频率偏移，

表示t₀时刻的初始时钟相位偏移，X_i表示上行随机时延，服从独立同分布的高斯变量，d₁表示数据包传输过程的固定时延；

参考节点R在定时响应间隔时间w_i后回复一个ACK消息给待同步节点S，同时记录下返回ACK消息的本地时间

定时响应时间间隔w_i的大小由参考节点R每周期接收到的数据包序列号与定时响应的相应规则求得；

S3：待同步节点S在接收到参考节点R的ACK消息时，记录其本地时间

假设ACK消息在传输过程的固定时延d₂等于数据包传输过程的固定时延d₁减去一个常数值m，即d₂＝d₁-m；同理，受传输过程的固定时延d₂和下行链路随机时延Y_i影响，则有时间戳关系表达式：

其中，Y_i是下行链路随机时延，服从独立同分布的高斯变量；

S4：重复上述步骤S1～S3，若取

利用矩阵存入时间戳

以及参考节点R的不同定时响应间隔时间w_i，则N个周期后，能够估计出时钟同步参数，其中i＝1,…,N：时钟频率偏移α和数据包传播过程的固定时延d₁，公式如下：

其中，

是时钟频率偏移的估计量，

是数据包传输过程的固定时延估计量，Z_i＝X_i+Y_i为随机变量，它服从数学期望为0、方差为σ²的高斯分布；

步骤S2中，所述的定时响应时间间隔w_i的大小，由相应规则，得到两个或两个以上的不同值；当参考节点R每周期接收到的数据包序列号Seq对i取模，且i≥2时，相应的规则为：

当序列号Seq％i＝0时，返回ACK的定时响应时间间隔为w’₁；

当序列号Seq％i＝1时，返回ACK的定时响应时间间隔为w’₂；

当序列号Seq％i＝2时，返回ACK的定时响应时间间隔为w’₃；

…；

当序列号Seq％i＝i-2时，返回ACK的定时响应时间间隔为w’_i-1；

当序列号Seq％i＝i-1时，返回ACK的定时响应时间间隔为w’_i。

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