CN110460553B - 一种免时间戳交互的隐含节点时钟频率偏移估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种免时间戳交互的隐含节点时钟频率偏移估计方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法融合免时间戳交互机制与监听机制，并将主节点M、从节点S和隐含节点F之间的时钟关系统一到同一参照尺度，形成最大似然估计或一种低复杂度估计方法，估计出隐含节点F相对从节点S与主节点M的时钟频率偏移。本发明将免时间戳交互机制应用到隐含同步场景，不依赖专门的同步协议，无需发送任何数据包便可估计出隐含节点的相对频率偏移，进一步降低了通信开销，减少了能量消耗。除了给出隐含节点频偏参数的最大似然估计，本发明还提供了另一种低复杂度估计方法，在不造成估计性能太大损失的基础上，有效降低了估计算法的复杂度。

Description

一种免时间戳交互的隐含节点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络技术领域，涉及一种免时间戳交互的隐含节点时钟频率偏移估计方法。
背景技术
随着制造工艺的不断进步，传感器节点设备已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，由这些空间分布的传感器节点组成的无线传感器网络也因其低功耗、低成本、自治等优势成为业界研究热点。无线传感器网络广泛应用于数据融合、目标定位与跟踪、确定性调度及功率管理，这些应用要求所有传感器节点都同步到一个统一的时间基准。因此，时间同步是无线传感器网络不可或缺的一项关键技术。
实际上，受初始制造公差、老化程度、温度、压强及其他因素影响，传感器节点晶体振荡器之间的频率偏差是不可避免的，而相对频率偏移的存在也使得传感器节点间的相位偏差不断累积。因此，估计时钟频率偏移以提高同步精度是很有必要的，这能有效减少再同步次数进而节省大量能量。然而，传感器节点设备的成本和尺寸约束也对其能量、存储和带宽带来了相应限制，这使得诸如NTP等传统时间同步协议不再适用于无线传感器网络，必须研究契合无线传感器网络低功耗、低成本特征的专有同步协议。
目前，无线传感器网络时间同步算法研究面临的挑战主要有两点：1)如何减少或消除随机时延对同步精度的影响；2)如何尽可能的降低同步过程导致的能量消耗。针对前者，可利用统计信号估计理论，将随机时延的影响最小化，有效估计时钟参数；针对后者，可通过设计精巧的同步协议，对低功耗同步协议进行持续改进。
本发明旨在将监听机制与免时间戳交互机制进行联合设计，形成进一步降低通信开销的低能耗时钟参数估计方法。从统计信号处理角度，利用最大似然估计有效估计隐含节点的时钟频率偏移参数，并提出了另一种低复杂度估计方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种免时间戳交互的隐含节点时钟频率偏移估计方法，该方法使得位于主、从节点共同通信范围内的隐含节点只需通过监听它们之间的免时间戳交互过程，无需发送任何数据包，便可估计出相对主节点与从节点的频率偏移参数。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种免时间戳交互的隐含节点时钟频率偏移估计方法，融合免时间戳交互机制与监听机制，并将主节点M、从节点S和隐含节点F之间的时钟关系统一到同一参照尺度，形成最大似然估计或一种低复杂度估计方法，估计出隐含节点F相对从节点S与主节点M的时钟频率偏移。
进一步，所述融合免时间戳交互机制与监听机制，具体包括以下步骤：
A1：在从节点S本地时刻
Figure BDA0002201260300000021
向主节点M发送数据包的同时，隐含节点F利用无线媒介的广播特性监听得到该数据包，并记录本地时间
Figure BDA0002201260300000022
A2：隐含节点F接收到主节点M间隔时间Δi回复给从节点S的确认帧，记录下本地时间为
Figure BDA0002201260300000023
A3：重复上述步骤A1～A2；假设节点S以周期T发送数据包，且起始时间为0，节点F计算得到
Figure BDA0002201260300000024
经过N个周期后，隐含节点F获得一系列时间值
Figure BDA0002201260300000025
进一步，所述将主节点M、从节点S和隐含节点F之间的时钟关系统一到同一参照尺度，具体包括：根据频偏的差值法定义，即
Figure BDA0002201260300000026
其中fM和fS分别表示节点M和节点S的晶振频率，节点M、S和F之间的相对时钟频率偏移关系表述为：
Figure BDA0002201260300000027
基于上述相对时钟频率偏移关系，将三个节点的本地时钟统一到同一参照尺度，得到如下通式：
Figure BDA0002201260300000028
其中，φ'＝φ(SM)-φ(SF)-φ(FM)，δ'＝δ(SM)-δ(SF)-δ(MF)，zi＝wi (SM)-wi (SF)+wi (MF)；φ(SF)和
Figure BDA0002201260300000029
分别表示节点S与节点F之间的初始时钟相位偏移和频率偏移，δ(SF)和
Figure BDA00022012603000000216
表示节点S到节点F传输过程中的固定时延和随机时延；φ(SM)和
Figure BDA00022012603000000210
分别表示节点S与节点M之间的初始时钟相位偏移和频率偏移，δ(SM)和
Figure BDA00022012603000000211
表示节点S到节点M传输过程中的固定时延和随机时延；φ(FM)和
Figure BDA00022012603000000215
分别表示节点F与节点M之间的初始时钟相位偏移和频率偏移，δ(MF)和wi (MF)表示节点M到节点F传输过程中的固定时延和随机时延。
进一步，根据本地获取的一系列时间值
Figure BDA00022012603000000212
采用最大似然估计方法，估计出隐含节点F相对从节点S与主节点M的频率偏移参数，即
Figure BDA00022012603000000213
和
Figure BDA00022012603000000214
计算公式如下：
M＝ΙN-R(RHR)-1RH
Figure BDA0002201260300000031
Figure BDA0002201260300000032
Figure BDA0002201260300000033
Figure BDA0002201260300000034
其中，ΙN表示N阶单位矩阵，
Figure BDA0002201260300000035
η为三个节点间初始相偏与固定时延累积值的和。
进一步，在三个节点本地时钟关系通式的基础上，得出另一种低复杂度的频率偏移估计方法，其具体包括以下步骤：
B1：将第i+1周期估计通式减去第i周期通式，从而消除无关参数η的影响，减少频偏估计的计算量；
B2：重复步骤B1，经过N个周期后，得到N-1个简化估计式，并根据公式：
Figure BDA0002201260300000036
Figure BDA0002201260300000037
Figure BDA0002201260300000038
估计出隐含节点F相对从节点S与主节点M的频率偏移参数
Figure BDA0002201260300000039
其中，
Figure BDA00022012603000000310
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所述方法充分考虑了数据包接收过程中的各类时延，同时还解决了隐含同步场景中隐含节点、主节点及从节点之间时钟关系参照尺度不一致的问题，使系统模型更符合实际情况，估计结果更准确。
(2)本发明所述方法由免时间戳交互机制与监听机制融合设计而成，无需发送任何数据包，不依赖专门的同步协议获取时间戳，隐含节点就能有效估计自身时钟频率偏移，不仅大大扩展了免时间戳同步的应用，与现有隐含节点同步方法相比，还进一步降低了节点同步的能量消耗，这对资源受限型传感器设备意义重大。
(3)本发明所述方法不仅包含估计性能较好的基础方法，还包括另一种低复杂度估计方法，有效消除了无关参数的影响，进而降低了算法复杂度，且自身估计性能不受太大影响。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所提供的隐含节点基于监听机制的免时间戳同步示意图；
图2为本发明所提供的隐含节点时钟频率偏移估计方法流程图；
图3为本发明所提供的两种隐含节点时钟频率偏移估计结果及CRLB性能对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图3，图1为本发明所提供的隐含节点基于监听机制的免时间戳同步示意图，如图1所示，主节点M作为时钟参考节点，隐含节点F位于主节点M和从节点S的共同通信范围内，利用无线媒介的广播特性监听主、从节点的免时间戳通信过程，具体步骤如下：
对于第i个周期，从节点S在本地时刻
Figure BDA0002201260300000041
发送数据包给主节点M，
Figure BDA0002201260300000042
的实施模型可表示为
Figure BDA0002201260300000043
其中，φ(SM)和
Figure BDA0002201260300000044
分别表示节点S与节点M之间的初始时钟相位偏移和频率偏移，δ(SM)和
Figure BDA0002201260300000045
代表数据包传输过程中的固定时延和随机时延。
与此同时，隐含节点F监听得到该数据包，并记录下本地时间
Figure BDA0002201260300000051
Figure BDA0002201260300000052
的实施模型可表示为：
Figure BDA0002201260300000053
其中，φ(SF)和
Figure BDA0002201260300000054
分别表示节点S与节点F之间的初始时钟相位偏移和频率偏移，δ(SF)和
Figure BDA0002201260300000055
代表数据包传输过程中的固定时延和随机时延。
类似地，隐含节点F接收到主节点M间隔时间Δi回复给从节点S的确认帧，同样记录下本地时间为
Figure BDA0002201260300000056
则有：
Figure BDA0002201260300000057
根据时钟频偏的差值法定义，例如
Figure BDA0002201260300000058
可推导出节点S、节点M和节点F间的时钟频率偏移相对关系：
Figure BDA0002201260300000059
基于上述相对频偏关系，可把节点M、S和F的本地时钟统一到同一参照尺度，将等式(3)减去(2)，再减去等式(1)，得到通式
Figure BDA00022012603000000510
式中φ'＝φ(SM)-φ(SF)-φ(FM)，δ'＝δ(SM)-δ(SF)-δ(MF)，zi＝wi (SM)-wi (SF)+wi (MF)。
实际上，可假设节点S发起免时间戳交互是周期进行的，定义交互周期为
Figure BDA00022012603000000511
节点F容易计算得到
Figure BDA00022012603000000512
将三个节点间的累积相偏φ'和累积固定时延δ'视为一个整体η，经过N个周期可得到如下估计模型
Figure BDA00022012603000000513
利用最大似然估计法，估计出隐含节点F相对从节点S和主节点M的时钟频率偏移，即
Figure BDA00022012603000000514
和
Figure BDA00022012603000000515
公式如下：
M＝ΙN-R(RHR)-1RH (7)
Figure BDA00022012603000000516
Figure BDA0002201260300000061
Figure BDA0002201260300000062
Figure BDA0002201260300000063
基于通式(5)，本发明还提供了一种低复杂度估计方法，通过将第i+1周期估计通式减去第i周期通式，消除无关参数η的影响，有效减了少频偏估计的计算量。经过N个周期后，得到简化估计模型
Figure BDA0002201260300000064
其中，
Figure BDA0002201260300000065
yi＝zi+1-zi为高斯随机变量。根据公式
Figure BDA0002201260300000066
Figure BDA0002201260300000067
Figure BDA0002201260300000068
估计出节点F相对S与M的频率偏移
Figure BDA0002201260300000069
为了验证本发明提供的免时间戳交互的隐含节点时钟频率偏移估计方法的有效性，基于模型(6)求出矢量参数
Figure BDA00022012603000000610
的克拉美罗下限(Cramer-Rao LowerBound，CRLB)
Figure BDA00022012603000000611
Figure BDA00022012603000000612
其中
Figure BDA00022012603000000613
Figure BDA00022012603000000614
Figure BDA00022012603000000615
Figure BDA0002201260300000071
Figure BDA0002201260300000072
Figure BDA0002201260300000073
实施例：
图2为本发明实施例的隐含节点时钟频率偏移估计方法流程图。本实施例提供了免时间戳交互的隐含节点时钟频率偏移估计方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
C1：同步过程开始。
C2：从节点S在本地时刻
Figure BDA0002201260300000074
向主节点M发送一个数据包。
C3：主节点M在成功接收该数据包后，等待时间Δi回复一个ACK。
C4：位于主、从节点共同通信范围内的隐含节点F监听到该数据包和ACK，分别记录下本地时间为
Figure BDA0002201260300000075
C5～C7：判断同步周期数是否达到设定值N，若已达到，则估计出隐含节点的时钟频率偏移；反之，则i＝i+1，进入流程C2继续免时间戳交互过程。
C8：隐含节点F利用估计出的时钟频率偏移补偿本地时钟。
C9：同步过程结束。
图3给出了两种隐含节点时钟频率偏移估计结果及CRLB性能对比图。由图3可知，两种估计方法中，隐含节点F相对主节点M的频偏估计量
Figure BDA0002201260300000076
的均方误差随着观测数目的增加而降低，均方误差曲线无限接近CRLB，证明了隐含节点频偏估计器的有效性，且估计性能接近最优估计。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种免时间戳交互的隐含节点时钟频率偏移估计方法，其特征在于，该方法融合免时间戳交互机制与监听机制，并将主节点M、从节点S和隐含节点F之间的时钟关系统一到同一参照尺度，形成最大似然估计或一种低复杂度估计方法，估计出隐含节点F相对从节点S与主节点M的时钟频率偏移；
所述融合免时间戳交互机制与监听机制，具体包括以下步骤：
A1：在从节点S本地时刻
Figure FDA0003174128410000011
向主节点M发送数据包的同时，隐含节点F利用无线媒介的广播特性监听得到该数据包，并记录本地时间
Figure FDA0003174128410000012
A2：隐含节点F接收到主节点M间隔时间Δi回复给从节点S的确认帧，记录下本地时间为
Figure FDA0003174128410000013
A3：重复上述步骤A1～A2；假设节点S以周期T发送数据包，且起始时间为0，节点F计算得到
Figure FDA0003174128410000014
经过N个周期后，隐含节点F获得一系列时间值
Figure FDA0003174128410000015
所述将主节点M、从节点S和隐含节点F之间的时钟关系统一到同一参照尺度，具体包括：根据频偏的差值法定义，即
Figure FDA0003174128410000016
其中fM和fS分别表示节点M和节点S的晶振频率，节点M、S和F之间的相对时钟频率偏移关系表述为：
Figure FDA0003174128410000017
基于上述相对时钟频率偏移关系，将三个节点的本地时钟统一到同一参照尺度，得到如下通式：
Figure FDA0003174128410000018
其中，φ′＝φ(SM)-φ(SF)-φ(FM)，δ′＝δ(SM)-δ(SF)-δ(MF)，zi＝wi (SM)-wi (SF)+wi (MF)；φ(SF)和
Figure FDA0003174128410000019
分别表示节点S与节点F之间的初始时钟相位偏移和频率偏移，δ(SF)和
Figure FDA00031741284100000110
表示节点S到节点F传输过程中的固定时延和随机时延；φ(SM)和
Figure FDA00031741284100000111
分别表示节点S与节点M之间的初始时钟相位偏移和频率偏移，δ(SM)和
Figure FDA00031741284100000112
表示节点S到节点M传输过程中的固定时延和随机时延；φ(FM)和
Figure FDA00031741284100000113
分别表示节点F与节点M之间的初始时钟相位偏移和频率偏移，δ(MF)和wi (MF)表示节点M到节点F传输过程中的固定时延和随机时延；
隐含节点F根据本地获取的一系列时间值
Figure FDA00031741284100000114
采用最大似然估计方法，估计出相对从节点S与主节点M的频率偏移参数，即
Figure FDA00031741284100000115
和
Figure FDA00031741284100000116
计算公式如下：
M＝IN-R(RHR)-1RH
Figure FDA0003174128410000021
Figure FDA0003174128410000022
Figure FDA0003174128410000023
Figure FDA0003174128410000024
其中，IN表示N阶单位矩阵，
Figure FDA0003174128410000025
η为三个节点间初始相偏与固定时延累积值的和；
在三个节点本地时钟关系通式的基础上，得出另一种低复杂度的频率偏移估计方法，其具体包括以下步骤：
B1：将第i+1周期估计通式减去第i周期通式；
B2：重复步骤B1，经过N个周期后，得到N-1个简化估计式，并根据公式：
Figure FDA0003174128410000026
Figure FDA0003174128410000027
Figure FDA0003174128410000028
估计出隐含节点F相对从节点S与主节点M的频率偏移参数
Figure FDA0003174128410000029
其中，
Figure FDA00031741284100000210
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