CN114980297B - 基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法 - Google Patents

基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法 Download PDF

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CN114980297B CN202210506594.8A CN202210506594A CN114980297B CN 114980297 B CN114980297 B CN 114980297B CN 202210506594 A CN202210506594 A CN 202210506594A CN 114980297 B CN114980297 B CN 114980297B
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Abstract

本发明涉及一种基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法，属于无线传感器网络技术领域，本方法将部分时间戳信息同步机制与监听机制进行结合，隐含节点通过监听活动节点和时钟源节点间的部分时间戳信息交互就能获得足够的同步信息，并针对高斯随机时延和指数随机时延，分别利用最大似然估计方法和最佳线性无偏估计方法，联合估计隐含节点相对于时钟源节点的时钟频偏与相偏，实现节点间的同步。本方法减少了通信开销，降低了同步能耗。

Description

基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法。
背景技术
无线传感器网络由大量的传感器节点构成，网络中的每个节点都维持一个时钟，由于制造工艺的差异和外界环境的影响，节点间的时钟会出现偏差，然而许多基础的网络功能都要求节点运行在统一的时间基准上，例如数据融合、传输调度、功率管理等。因此，时间同步技术是无线传感器网络中不可或缺的关键技术之一。
监听机制是一种典型的低功耗同步方案，其中隐含节点利用无线广播特性监听两节点间的双向信息交互同步过程，从中获取时间戳信息来估计时钟参数，实现节点间的同步。它通过监听机制避免同步信息的发送，只需接收同步信息，显著减少同步信息传输的数量，从而达到降低同步能耗的目的。免时间戳同步是另一种低功耗同步方案，与监听机制通过消除发送消息，减少能耗的方式不同，它通过接收者对发送者的预定义响应来传递同步信息，避免了采用专用同步帧传递时间戳，参数估计功能可以嵌入到普通的数据收发中，大幅度降低了同步能量开销。
将这两种同步方案联合优化，可以进一步降低同步能耗。但是，目前在监听机制与免时间戳同步相结合的同步方案中，隐含节点只能估计时钟频偏，不能估计时钟相偏，只对时钟频率偏移进行了校正，没有补偿初始时钟偏差，无法实现节点间完整的同步。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于部分时间戳信息交互与监听机制的同步方法，隐含节点通过监听活动节点与时钟源节点之间的部分时间戳信息交互过程，就能同时估计时钟频偏与相偏，实现与时钟源节点的同步。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法，将部分时间戳信息同步机制与监听机制进行结合，隐含节点通过监听活动节点和时钟源节点间的部分时间戳信息交互就能获得足够的同步信息，并针对高斯随机时延和指数随机时延，分别利用最大似然估计方法和最佳线性无偏估计方法，联合估计隐含节点相对于时钟源节点的时钟频偏与相偏，实现节点间的同步。
进一步，具体包括以下步骤：
A1：在第i个同步周期中，活动节点A在
Figure BDA0003619419220000021
时刻发送不含时间戳的数据包给时钟源节点B；
A2：时钟源节点B在
Figure BDA0003619419220000022
时刻接收到数据包，并根据关系式/>
Figure BDA0003619419220000023
计算返回确认帧的时间，其中ρ是一个大于1且接近于1的已知常数，Di＝ρ(i-1)T是响应时间间隔补偿，T是活动节点A发送数据包的周期；
A3：隐含节点C监听到来自活动节点A的数据包，并记录接收时间为
Figure BDA0003619419220000024
A4：时钟源节点B等待一段时间之后，在
Figure BDA0003619419220000025
时刻返回不含时间戳的确认帧；
A5：活动节点A在
Figure BDA0003619419220000026
时刻接收到确认帧；
A6：隐含节点C接收到来自时钟源节点B的确认帧，并记录接收时间为
Figure BDA0003619419220000027
同时根据通信周期计算响应时间间隔补偿Di；
A7：判断同步轮次是否达到设定值N，若已达到，则隐含节点C根据记录的观测信息估计相对于时钟源节点B的时钟频偏与相偏，反之返回步骤A1，继续监听信息交互；
A8：基于计算出的时钟参数值，隐含节点C调整时钟频偏与相偏，与时钟源节点B实现时钟同步。
进一步，步骤A6中，根据通信周期计算响应时间间隔补偿Di，获取部分时间戳信息
Figure BDA0003619419220000028
和响应时间间隔信息/>
Figure BDA0003619419220000029
计算：
Figure BDA00036194192200000210
进一步，基于时间戳之间的关系，计算得到时钟参数估计模型为：
Figure BDA00036194192200000211
其中，d(BC)表示时钟源节点B到隐含节点C链路中的固定时延，d(AB)表示活动节点A到时钟源节点B链路中的固定时延，d(AC)表示活动节点A到隐含节点C链路中的固定时延，ψ(CB)表示隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟频偏，θ(CB)表示隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟相偏，
Figure BDA00036194192200000212
表示时钟源节点B到隐含节点C链路中的随机时延，/>
Figure BDA00036194192200000213
表示活动节点A到时钟源节点B链路中的随机时延，/>
Figure BDA00036194192200000214
表示活动节点A到隐含节点C链路中的随机时延。
进一步，针对高斯随机时延，利用最大似然估计方法估计时钟参数，具体包括：根据监听部分时间戳信息交互过程获得的观测信息
Figure BDA0003619419220000031
推导隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟频偏ψ(CB)和时钟相偏θ(CB)的估计量，计算公式如下：
Figure BDA0003619419220000032
ΦC_MLE＝(RHR)-1RHQ
ψ(CB)＝[ΦC_MLE]1
θ(CB)＝[ΦC_MLE]2
Figure BDA0003619419220000033
Figure BDA0003619419220000034
其中，
Figure BDA0003619419220000035
进一步，针对指数随机时延，利用最佳线性无偏估计方法估计时钟参数，具体步骤如下：
B1：重构隐含节点C的时钟参数估计模型为：
Figure BDA0003619419220000036
其中，λ是指数随机时延的速率参数；
B2：根据监听过程中获得的观测数据
Figure BDA0003619419220000037
计算隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟频偏ψ(CB)和时钟相偏θ(CB)的估计量，计算公式如下：
Figure BDA0003619419220000041
Figure BDA0003619419220000042
Figure BDA0003619419220000043
Figure BDA0003619419220000044
其中
Figure BDA0003619419220000045
C2是噪声矢量矩阵V的协方差矩阵。
本发明的有益效果在于：本发明所述的方法联合部分时间戳交互机制和监听同步机制，隐含节点只需监听不含时间戳的同步消息，就能够联合估计时钟频偏与相偏，实现与时钟源节点的同步，克服了监听机制与免时间戳同步机制结合使用的缺点，同时也继承了其高效节能的优点。本发明所述的方法针对两种典型的随机时延模型，高斯随机时延和指数随机时延，利用最大似然估计方法和最佳线性无偏估计方法完成隐含节点时钟频偏与相偏的联合估计，实现了时间同步方法的多场景应用。
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为本发明的同步方法通信示意图；
图2为本发明实施例的同步方法流程图；
图3为本发明实施例的高斯随机时延下隐含节点C的时钟频偏估计结果图；
图4为本发明实施例的高斯随机时延下隐含节点C的时钟相偏估计结果图；
图5为本发明实施例的指数随机时延下隐含节点C的时钟频偏估计结果图；
图6为本发明实施例的指数随机时延下隐含节点C的时钟相偏估计结果图。
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。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图6，图1是本发明所提时间同步方法通信示意图，其中，节点B是时钟源节点，提供基准时间，节点A是活动节点，既发送又接收同步信息，与节点B进行部分时间戳信息交互，节点C是位于节点A和节点B公共通信领域内的隐含节点，能监听两节点之间的信息交互。在第i个通信周期中，活动节点A在
Figure BDA0003619419220000051
时刻发送不含时间戳的数据包给时钟源节点B；时钟源节点B在/>
Figure BDA0003619419220000052
时刻接收到数据包，并且在/>
Figure BDA0003619419220000053
时刻返回不含时间戳的确认帧，其中/>
Figure BDA0003619419220000054
ρ是一个大于1且接近于1的已知常数，Di＝ρ(i-1)T是响应时间间隔补偿，而T是活动节点A发送数据包的周期；活动节点A在/>
Figure BDA0003619419220000055
时刻接收到确认帧；隐含节点C在本地时间/>
Figure BDA0003619419220000056
时刻监听到数据包，然后等待一段时间，在/>
Figure BDA0003619419220000057
时刻接收到来自时钟源节点B的确认帧，同时根据通信周期计算响应时间间隔补偿Di，获取部分时间戳信息/>
Figure BDA0003619419220000058
和响应时间间隔信息/>
Figure BDA0003619419220000059
(即：/>
Figure BDA00036194192200000510
)。基于时钟模型，可得三个节点之间的通信过程中时间戳的数学关系式如下：
Figure BDA00036194192200000511
Figure BDA0003619419220000061
Figure BDA0003619419220000062
其中，ψ(AB)表示活动节点A相对于时钟源节点B的时钟频偏，d(AB)表示活动节点A到时钟源节点B链路中的固定时延，
Figure BDA0003619419220000063
表示活动节点A到时钟源节点B链路中的随机时延，θ(AB)表示活动节点A相对于时钟源节点B的时钟相偏，ψ(CB)表示隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟频偏，d(BC)表示时钟源节点B到隐含节点C链路中的固定时延，/>
Figure BDA0003619419220000064
表示时钟源节点B到隐含节点C链路中的随机时延，θ(CB)表示隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟相偏，ψ(AC)表示活动节点A相对于时钟源节点B的时钟频偏，d(AC)表示活动节点A到隐含节点C链路中的固定时延，/>
Figure BDA0003619419220000065
表示活动节点A到隐含节点C链路中的随机时延，θ(AC)表示活动节点A相对于时钟源节点B的时钟相偏。
将式(1)和式(2)带入关系式
Figure BDA0003619419220000066
然后再减去ρ倍的式(3)，得到隐含节点C的时钟参数估计模型为：
Figure BDA0003619419220000067
假设
Figure BDA0003619419220000068
和/>
Figure BDA0003619419220000069
均是高斯随机变量，并且相互独立，均值为0，方差为σ2，则累积随机时延/>
Figure BDA00036194192200000610
也是高斯随机变量，均值为0，方差为(1+2ρ2)σ2。根据在监听过程中获得的观测数据/>
Figure BDA00036194192200000611
利用最大似然估计方法推导隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟频偏ψ(CB)和时钟相偏θ(CB)的估计量，计算公式如下：
Figure BDA00036194192200000612
ΦC_MLE＝(RHR)-1RHQ (6)
ψ(CB)＝[ΦC_MLE]1 (7)
θ(CB)＝[ΦC_MLE]2 (8)
Figure BDA0003619419220000071
Figure BDA0003619419220000072
其中，
Figure BDA0003619419220000073
为了评估最大似然估计器的性能，可以推导出时钟参数估计量
Figure BDA0003619419220000074
和/>
Figure BDA0003619419220000075
的克拉美罗下限(Cramer-Rao Lower Bound，CRLB)如下：
Figure BDA0003619419220000076
Figure BDA0003619419220000077
假设
Figure BDA0003619419220000078
和/>
Figure BDA0003619419220000079
均是指数随机变量，并且相互独立，速率参数为λ，则累积随机时延/>
Figure BDA00036194192200000710
是独立指数随机变量的线性组合。利用最佳线性无偏估计方法估计时钟参数。首先，重构隐含节点C的时钟参数估计模型为：
Figure BDA00036194192200000711
然后，根据在监听过程中获得的观测数据
Figure BDA00036194192200000712
推导隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟频偏ψ(CB)和时钟相偏θ(CB)的估计量，计算公式如下：
Figure BDA00036194192200000713
Figure BDA00036194192200000714
Figure BDA0003619419220000081
/>
Figure BDA0003619419220000082
其中
Figure BDA0003619419220000083
C2是噪声矢量矩阵V的协方差矩阵。
实施例：
图2为本发明实施例的时间同步方法流程图，本发明提供了隐含节点基于部分时间戳信息交互机制和监听机制的时钟频偏与相偏联合估计方法，如图2所示，具体步骤如下：
S1：同步过程开始；
S2：活动节点A在
Figure BDA0003619419220000084
时刻发送数据包给时钟源节点B；
S3：时钟源节点B在
Figure BDA0003619419220000085
时刻接收到数据包，并根据关系式/>
Figure BDA0003619419220000086
计算返回确认帧的时间；
S4：隐含节点C监听到来自活动节点A的数据包，并记录接收时间为
Figure BDA0003619419220000087
S5：时钟源节点B等待一段时间之后，在
Figure BDA0003619419220000088
时刻返回确认帧；
S6：活动节点A在
Figure BDA0003619419220000089
时刻接收到确认帧；
S7：隐含节点C接收到来自时钟源节点B的确认帧，并记录接收时间为
Figure BDA00036194192200000810
同时计算响应时间间隔补偿Di；
S8～S10：判断同步轮次是否达到设定值N，若已达到，则隐含节点C根据记录的观测信息估计相对于时钟源节点B的时钟频偏与相偏，反之，则进入步骤S2，继续监听信息交互；
S11：基于计算出的时钟参数值，隐含节点C调整时钟频偏与相偏，与时钟源节点B实现时钟同步；
S12：同步过程结束。
图3给出了高斯随机时延下隐含节点C的时钟频偏估计结果图，由图可知，时钟频偏最大似然估计器
Figure BDA00036194192200000811
的均方误差与CRLB重合，并且随着观测次数的增加不断较小，这表明本发明所述的高斯随机时延下隐含节点C的时钟频偏估计器是有效的。图4给出了高斯时延下隐含节点C的时钟相偏估计结果图，同样地，由图可知，本发明所述的高斯随机时延下隐含节点C的时钟相偏估计器是有效的。
图5给出了指数随机时延下隐含节点C的时钟频偏估计结果图，从图中可以看出，时钟频偏最佳线性无偏估计器
Figure BDA0003619419220000091
的均方误差达到10-3数量级，并且随着观测次数N的增加不断减少，这表明本发明所述的指数随机时延下隐含节点C的时钟频偏估计器是有效的。图6给出了指数随机时延下隐含节点C的时钟相偏估计结果图，同样地，从图中可以看出，本发明所述的指数随机时延下隐含节点C的时钟相偏估计器是有效的。
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)

1.一种基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法，其特征在于：将部分时间戳信息同步机制与监听机制进行结合，隐含节点通过监听活动节点和时钟源节点间的部分时间戳信息交互就能获得足够的同步信息，并针对高斯随机时延和指数随机时延，分别利用最大似然估计方法和最佳线性无偏估计方法，联合估计隐含节点相对于时钟源节点的时钟频偏与相偏，实现节点间的同步；
具体包括以下步骤：
A1：在第i个同步周期中，活动节点A在
Figure FDA0004188164770000011
时刻发送不含时间戳的数据包给时钟源节点B；
A2：时钟源节点B在
Figure FDA0004188164770000012
时刻接收到数据包，并根据关系式/>
Figure FDA0004188164770000013
计算返回确认帧的时间，其中ρ是一个大于1且接近于1的已知常数，Di＝ρ(i-1)T是响应时间间隔补偿，T是活动节点A发送数据包的周期；
A3：隐含节点C监听到来自活动节点A的数据包，并记录接收时间为
Figure FDA0004188164770000014
A4：时钟源节点B等待一段时间之后，在
Figure FDA0004188164770000015
时刻返回不含时间戳的确认帧；
A5：活动节点A在
Figure FDA0004188164770000016
时刻接收到确认帧；
A6：隐含节点C接收到来自时钟源节点B的确认帧，并记录接收时间为
Figure FDA0004188164770000017
同时根据通信周期计算响应时间间隔补偿Di；
A7：判断同步轮次是否达到设定值N，若已达到，则隐含节点C根据记录的观测信息估计相对于时钟源节点B的时钟频偏与相偏，反之返回步骤A1，继续监听信息交互；
A8：基于计算出的时钟参数值，隐含节点C调整时钟频偏与相偏，与时钟源节点B实现时钟同步；
步骤A6中，根据通信周期计算响应时间间隔补偿Di，获取部分时间戳信息
Figure FDA0004188164770000018
和响应时间间隔信息/>
Figure FDA0004188164770000019
计算：
Figure FDA00041881647700000110
基于时间戳之间的关系，计算得到时钟参数估计模型为：
Figure FDA00041881647700000111
其中，d(BC)表示时钟源节点B到隐含节点C链路中的固定时延，d(AB)表示活动节点A到时钟源节点B链路中的固定时延，d(AC)表示活动节点A到隐含节点C链路中的固定时延，ψ(CB)表示隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟频偏，θ(CB)表示隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟相偏，
Figure FDA0004188164770000021
表示时钟源节点B到隐含节点C链路中的随机时延，/>
Figure FDA0004188164770000022
表示活动节点A到时钟源节点B链路中的随机时延，/>
Figure FDA0004188164770000023
表示活动节点A到隐含节点C链路中的随机时延；
针对高斯随机时延，利用最大似然估计方法估计时钟参数，具体包括：根据监听部分时间戳信息交互过程获得的观测信息
Figure FDA0004188164770000024
推导隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟频偏ψ(CB)和时钟相偏θ(CB)的估计量，计算公式如下：
Figure FDA0004188164770000025
ΦC_MLE＝(RHR)-1RHQ
ψ(CB)＝[ΦC_MLE]1
θ(CB)＝[ΦC_MLE]2
Figure FDA0004188164770000026
Figure FDA0004188164770000027
其中，
Figure FDA0004188164770000028
针对指数随机时延，利用最佳线性无偏估计方法估计时钟参数，具体步骤如下：
B1：重构隐含节点C的时钟参数估计模型为：
Figure FDA0004188164770000029
其中，λ是指数随机时延的速率参数；
B2：根据监听过程中获得的观测数据
Figure FDA0004188164770000031
计算隐含节点C相对于时钟源节点B的时钟频偏ψ(CB)和时钟相偏θ(CB)的估计量，计算公式如下：
Figure FDA0004188164770000032
Figure FDA0004188164770000033
Figure FDA0004188164770000034
Figure FDA0004188164770000035
/>
Figure FDA0004188164770000036
是噪声矢量矩阵V的协方差矩阵。
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