CN110545153B - 一种能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法，同步时，从节点先检测信道是否可用，若信道可用，则给即将发送的同步请求消息打上时间戳并立即发送，以此避免发送时延和接入时延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。本发明能够在维持较高精度的前提下大幅降低能耗。

Description

一种能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法

技术领域

本发明是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，晶振在制造材料和制作工艺上的微小差异是无法避免的，且会受到诸如温度和湿度等环境因素的影响。晶振频偏差异的积累又会导致节点本地时钟的不同，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趋于同步，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低时延无线传感器网络，而无法克服水下声传播过程中产生的变化的高时延的影响。水声无线传感器网络具有部署范围大、节点资源有限的特点，所以如何在大面积网络中利用有限资源并同时在高时延状况下实现精确的时间同步是水声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。例如TSHL算法，分两步完成同步：第一步通过多次单向发送同步信息来拟合出时钟频率偏移，第二步通过一次双向信息交互来计算时钟偏移。但是该算法想要达到需要的精度能耗很大，这也是现有同步算法的共同局限性，这使得他们都不能很好的适用于资源受限的水下无线网络。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法，能够在维持较高精度的前提下大幅降低能耗。

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，把待同步节点称为从节点；从节点以设定频率向主节点发送同步请求信息，发送a次，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为发送信息轮数，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)主节点收到同步请求后，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，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相同位置上打上时间戳 T_i,3m+1到T_i,4m；

3)若单向发送两次，从节点利用时间戳T_i,1到T_i,2m拟合求得时钟频率偏移

若单向发送次数大于两次，则利用最小二乘法进行拟合，求得更高精度的时钟频率偏移；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，计算第i轮的时钟频率偏移α_i＝(α_i,1+α_i,2)/2；从节点利用时间戳T_i,1、T_i,m+1、 T_i,2m+1、T_i,3m+1估算出时钟偏移

4)按估算出的时钟频率偏移和时钟偏移对从节点的本地时钟进行补偿，对补偿后的从节点的本地时钟再运用最小二乘进行一次时钟频率偏移的拟合后补偿，完成一轮同步；

5)从至少第3轮开始对本轮的时钟偏移用指数平滑法做预测，β′_i+1＝α_iβ_i+(1-α)β′_i，其中β′_i+1是在第i轮同步中对第i+1轮同步时钟偏移的估计，β_i是第i轮同步的实际时钟偏移，β′_i是第i-1轮同步对第i轮同步时钟偏移的估计值，α是平滑算法的加权系数，α∈[0，1]；用变化率k_i＝(β_i-β_i-1)/t_e每隔若干秒做一次补偿，其中t_e为单轮同步时间；补偿值为变化率乘以补偿的时间点离这一轮同步开始时间。

所述的步骤1)中，a至少为两次。

所述的步骤1)中，从节点首次向主节点发送同步请求信息时，单轮内同步消息发送间隔和两轮间消息发送间隔均大于预估的节点间传播时长；从节点再次向主节点发送同步请求信息时，单轮内同步消息发送间隔和两轮间消息发送间隔均大于上一轮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。

所述的步骤2)中，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。

所述的步骤2)中，当信道环境发生发生变化时，调整发送间隔至大于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。

所述的步骤3)中，对一轮同步内的a次同步请求和a次反馈同步，把从节点发往主节点的每一次消息都与所有主节点反馈给从节点的消息组合，利用往返消息的4a 个时间戳进行一次时钟偏移的估算，根据设定的阈值滤掉抖动过大的值，对剩下的值求均值。

所述的步骤3)中，阈值设定为上一轮时钟偏移的1.5倍。

本发明的有益效果是：

1)对交互信息交互信息充分利用，平滑滤除掉部分信道抖动对精度带来的影响，比起已有的同步算法，同样的信息交互次数里，本发明达到的精度更高；

2)可以在短时间内通过预测对时间偏移进行补偿，使得相同信息交互次数里精度提高，相同精度下，开销变小；

3)通过指数平滑算法预测时钟偏移值，契合了时钟偏移的变化既具有连续性也具有实时抖动性的特点，既从先前的时钟偏移量中提取了变化的趋势，也防止了时间点上相近的受信道质量影响太大的时钟偏移值对本轮的估计造成太大影响，很好的适应了信道的时变特性；

4)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；

5)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；

6)方法简单有效，开销小，操作简单，具有可实施性；

7)该方法拥有广泛的应用场景，除了两点间同步，也适用于各种水下无线多跳网络。

附图说明

图1是信息交互过程的示意图；

图2是本发明的仿真过程示意图；

图3是本发明数据包格式示意图；

图4是本发明仿真得到的时钟频率偏移精度示意图；

图5是本发明仿真得到的时钟偏移精度示意图；

图6是指数平滑算法中加权系数对时钟偏移精度影响对比图；

图7是本发明单轮同步内节点发送同步信息时间间隔分别为10ms和30ms时的时钟偏移精度对比图。

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。

本发明为了克服现有时间同步方法精度、能耗无法满足需求，对水下无线网络契合度的不足的问题，给出一种适用于水下无线网络的高精度低能耗的时间同步方法，能够避免冲突，单次同步信息交互次数少，耗时短，且在信息交互过程中充分利用交互信息并通过预测进行补偿，达到长时间来看精度更高的效果，使得水下节点间用较少的信息交互次数完成高精度的时间同步。

本发明把基准节点称为主节点，把待同步节点称为从节点。同步时，从节点先检测信道是否可用，若信道可用，则给即将发送的同步请求消息打上时间戳并立即发送，以此避免发送时延和接入时延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，要想达到更高精度而不过大增加开销，也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。

2)在第一轮同步过程中，根据预先粗略估计的节点间传播时长来调整单轮内同步消息发送间隔和两轮间消息发送间隔(至少大于这个传播时长)。从第二轮同步开始，根据上一轮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发送时间间隔(至少大于这个时间差)，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，但一样的，要至少大于这个时间差。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为发送信息轮数，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，m∈[1，a]；

3)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。预设两轮同步之间相差时间足够长(所有多径完全到达后)，则两轮同步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。当信道环境发生发生变化时，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(至少大于这个时间差)；

4)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，其中i为同步轮数，n为同步轮数，m为单轮同步次数：

以第i轮为例，从节点利用时间戳T_i,1到T_i,2m，可以进行拟合求得这个时刻的时钟频率偏移

其中，α为从节点的时钟频率偏移，β为从节点的时钟偏移，这里是单向发送两次的时候，如果单向发送次数大于两次，则利用最小二乘法进行拟合，求得更高精度的时钟频率偏移；

6)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；

7)从节点利用时间戳T_i,1、T_i,m+1、T_i,2m+1、T_i,3m+1估算出时钟偏移为

8)同样的，对一轮同步内的a次同步请求和a次反馈同步进行循环组合来求时钟偏移，即把从节点发往主节点的每一次消息都与所有主节点反馈给从节点的消息组合，利用这往返消息的4a个时间戳进行一次时钟偏移的估算，组合有a²组，根据实际信道状况及已有同步信息对这些估算出的时钟偏移设定一个阈值(可根据实际状况自行调阈值类型，比如上一轮时钟偏移的1.5倍)滤掉抖动过大的值，对剩下的值求均值；

9)按估算出的时钟频率偏移和时钟偏移对从节点的本地时钟进行补偿，对补偿后的从节点的本地时钟再运用最小二乘进行一次时钟频率偏移的拟合后补偿，完成一轮同步；

10)从至少第3轮开始对本轮的时钟偏移用指数平滑法做预测，预测时只有到上轮i轮为止的数据，假设本轮为第i+1轮，则β′_i+1＝α_iβ_i+(1-α)β′_i，其中β′_i+1是在第i轮同步中对第i+1轮同步时钟偏移的估计，β_i是第i轮同步的实际时钟偏移，β′_i是第i-1轮同步对第i轮同步时钟偏移的估计值，α是平滑算法的加权系数，α值越大，对实际数据的变动反应越快，α值越小，则对数据的平滑作用越强，α∈[0，1]，α的值可以根据信道质量作出调整，这里设初始估计值为最早三个数据的平均值β′₁＝(β₁+β₂+β₃)/3；

11)然后在这一轮中，用变化率k_i＝(β_i-β_i-1)/t_e每隔几秒做一次补偿，其中t_e为单轮同步时间；补偿值为变化率乘以补偿的时间点离这一轮同步开始时间。

本发明涉及的指标如下：

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，此时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，仿真以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。又因为有时钟偏移预测，保证精度的情况下大大延长了两轮同步间隔，进一步减少了整体耗时。

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，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；

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，本发明通过对时钟频率偏移的两次拟合和对时钟偏移的预测估算，使得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：本发明在实际应用中往往需要根据信道环境、节点距离等调节加权系数，发送间隔以及主节点接收同步请求到反馈同步信息的间隔。这个间隔不能对精度有太大影响。本发明当间隔调大之后，误差短时间内会有动荡，然而误差很快收敛，依然能达到原有精度级别，灵活度很好，适应性很强。对加权系数值的调整也使得误差收敛速度快，误差抖动更小。

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1.00002，基础时钟偏移为10ms。两节点间固定时时延3.1s，会发生0％-10％的上下抖动。图6所示仿真为固定时延抖动为0～10％时，指数平滑算法加权系数a对同步精度的影响。同步一轮时间为30s，单轮同步内两个发送间隔(节点发送同步信息时间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)分别为10ms和30ms。图7所示仿真为节点发送同步信息时间间隔对时间同步精度的影响，这个间隔分别为 10ms和30ms，主节点接收到同步请求后到反馈同步信息的时间间隔仍然为30ms。

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，发送两次。两次消息时间间隔为10ms。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)预设传播时延为3.1s，传播时延会发生10％的抖动变化，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，两轮同步之间相差 30s。

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。主节点在T_i,3时间过去10ms后向从节点反馈第一个同步信息并打上主节点本地时间戳T_i,5，再过10ms后向从节点反馈第二个同步信息并打上主节点本地时间戳T_i,6。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，其中i为同步轮数；

4)以第i轮为例，从节点利用时间戳T_i,1、T_i,2、T_i,3、T_i,4采用MATLAB中的Polyfit函数进行最小二乘拟合求得时钟频率偏移，这里单次发送两次计算过程如式(1)、(2)、 (3)：

T_i,3＝(T_i,1-β_i)/α_i,1+d_i (1)

T_i,4＝(T_i,2-β_i)/α_i,1+d_i (2)

5)从节点利用时间戳T_i,1、T_i,3、T_i,5、T_i,7，可以如式(4)、(5)估算出时钟偏

T_i,3＝(T_i,1-β_i)/α_i,1+d_i (4)

T_i,7＝α_i,1T_i,5+β_i+d_i (5)

得到这个时刻的时钟偏移为

6、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α_i,2，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；

7)对一轮同步内的两次同步请求和两次反馈同步进行循环组合来求时钟偏移，即把从节点发往主节点的每一次消息都与所有主节点反馈给从节点的消息组合，利用这往返消息的四个时间戳进行一次时钟偏移的估算，对这些估算出的时钟偏移设定一个阈值，滤掉抖动过大的值，对剩下的值求一个平均；

8)按估算出的时钟频率偏移和时钟偏移对从节点的本地时钟进行补偿，如下对补偿后的从节点的本地时钟再用polyfit进行一次时钟频率偏移的拟合，进一步提高精度；

9)从第3轮开始对本轮的时钟偏移用指数平滑法做预测，预测过程如下，

β′_i+1＝α β_i+(1-α )β′_i (6)

其中β′_i+1是在第i轮同步中对第i+1轮同步时钟偏移的估计，β_i是第i轮同步的实际时钟偏移，β′_i是第i-1轮同步对第i轮同步时钟偏移的估计值，α 是平滑算法的加权系数，α 值越大，对实际数据的变动反应越快，α 值越小，则对数据的平滑作用越强，α ∈[0,1]，它的值可以根据信道质量作出调整，这里设初始估计值为最早三个数据的平均值：β′₁＝(β₁|β₂|β₃)/3；

10)然后在这一轮中，用这个变化率每隔几秒做一下时钟偏移补偿，这里以每3.5s补偿一次为例，变化率计算为k_t＝(β_t-β_t-1)/t_e，补偿值为变化率乘以补偿的时间点离这一轮同步开始时间。

本实施例涉及的指标包括：

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；

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，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；

同步精度：由图4图5可知，本发明通过对时钟频率偏移的两次拟合和对时钟偏移的预测估算，使得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6可知，根据信道质量调整α的值可以使时钟偏移误差抖动更小，收敛速度更快。本发明在实际应用中往往需要根据信道环境、节点距离等调节发送间隔以及主节点接收同步请求到反馈同步信息的间隔。这个间隔不能对精度有太大影响。由图7可知，当发送同步信息时间间隔变大之后，误差短时间内会有动荡，然而误差很快收敛，依然能达到原有精度级别，这说明本发明时间同步算法的灵活度很好，适应性很强。

Claims (7)

1.一种能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法，其特征在于包括以下步骤：

1)把基准节点称为主节点，把待同步节点称为从节点；从节点以设定频率向主节点发送同步请求信息，发送a次，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为发送信息轮数，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)主节点收到同步请求后，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，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相同位置上打上时间戳T_i,3m+1到T_i,4m；

3)若单向发送两次，从节点利用时间戳T_i,1到T_i,2m拟合求得时钟频率偏移

若单向发送次数大于两次，则利用最小二乘法进行拟合，求得更高精度的时钟频率偏移；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，计算第i轮的时钟频率偏移α_i＝(α_i,1+α_i,2)/2；从节点利用时间戳T_i,1、T_i,m+1、T_i,2m+1、T_i,3m+1估算出时钟偏移

4)按估算出的时钟频率偏移和时钟偏移对从节点的本地时钟进行补偿，对补偿后的从节点的本地时钟再运用最小二乘进行一次时钟频率偏移的拟合后补偿，完成一轮同步；

5)从至少第3轮开始对本轮的时钟偏移用指数平滑法做预测，β′_i+1＝α_iβ_i+(1-α)β′_i，其中β′_i+1是在第i轮同步中对第i+1轮同步时钟偏移的估计，β_i是第i轮同步的实际时钟偏移，β_i′是第i-1轮同步对第i轮同步时钟偏移的估计值，α是平滑算法的加权系数，α∈[0，1]；用变化率k_i＝(β_i-β_i-1)/t_e每隔若干秒做一次补偿，其中t_e为单轮同步时间；补偿值为变化率乘以补偿的时间点离这一轮同步开始时间。

2.根据权利要求1所述的能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法，其特征在于：所述的步骤1)中，a至少为两次。

3.根据权利要求1所述的能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法，其特征在于：所述的步骤1)中，从节点首次向主节点发送同步请求信息时，单轮内同步消息发送间隔和两轮间消息发送间隔均大于预估的节点间传播时长；从节点再次向主节点发送同步请求信息时，单轮内同步消息发送间隔和两轮间消息发送间隔均大于上一轮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。

4.根据权利要求1所述的能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法，其特征在于：所述的步骤2)中，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。

5.根据权利要求1所述的能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法，其特征在于：所述的步骤2)中，当信道环境发生变化时，调整发送间隔至大于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。

6.根据权利要求1所述的能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法，其特征在于：所述的步骤3)中，对一轮同步内的a次同步请求和a次反馈同步，把从节点发往主节点的每一次消息都与所有主节点反馈给从节点的消息组合，利用往返消息的4a个时间戳进行一次时钟偏移的估算，根据设定的阈值滤掉抖动过大的值，对剩下的值求均值。

7.根据权利要求1所述的能适应信道环境的水下无线网络时间同步方法，其特征在于：所述的步骤3)中，阈值设定为上一轮时钟偏移的1.5倍。

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