CN115103432B - 随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法 - Google Patents

随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法，属于无线传感器网络领域。该方法针对时延存在的随机移动传感器网络，在节点进行发包之前对逻辑频偏补偿值进行误差分析，并判断通信范围内是否存在能够进行通信的节点，当满足触发条件时，对邻居节点进行广播。节点作为接收方工作时，利用序贯最小二乘法对相对频偏进行估计，并采用加权最大一致性算法使全局逻辑时钟趋于一致。本发明考虑了无线网络中传感器节点随机移动以及通信时延存在的场景，能够在降低通信开销的同时，保持了一定同步精度，并有效提高了收敛速度。

Description

随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络领域，涉及一种随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法。
背景技术
时间同步是无线传感器网络中一项关键技术，为局部传感器节点提供了一个通用的全局时间尺度。这种技术满足了无线传感器网络中众多应用的基本需求，主要服务于与协作和数据相关的两类，与协作相关的应用以统一的时间标准为参考进行相关调度，例如协作传输以及协同睡眠等；与数据相关的应用需要利用数据与采集时间的关系，去除冗余信息减少通信量，例如数据融合、目标跟踪以及定位等。
一致性方法是时间同步中十分重要的一类，由于其具有良好的鲁棒性和可扩展性，得到了广泛的关注。一致性时间同步需要依赖可靠通信链路进行数据包的交互，实现对时钟补偿，最终使全局逻辑时钟趋同。而在随机移动无线传感器网络中，传感器具有随机移动性，其通信链路是动态而随机的，这使得为其设计同步方法有一定挑战性。随机移动无线网络下现有的时间同步方法将动态拓扑建模为马尔科夫链，考虑测量噪声存在的场景，提出一种分布式算法。但现有研究着重于对拓扑的理论分析，仅考虑理想的网络场景，忽略通信时延的存在，并且同步过程中会产生较大的通信开销。
因此，亟需对通信时延存在的随机移动无线网络提出一种时间同步方法，并且由于无线网络中传感器的能源有限性，如何降低同步过程中的通信开销也是一大考虑因素。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法，解决如何消除随机移动网络下通信时延对同步精度的不利影响以及降低全网同步开销的问题，为传感器节点随机移动的网络场景提供一种基于事件触发的通信方案，在保证一定同步精度的前提下，有效降低了同步过程中所产生的通信开销，并在消除通信时延影响的同时，提升了同步误差的收敛速度。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法，针对无线网络中传感器节点随机移动的场景，为降低同步过程中的通信开销，使节点在发送数据包之前对触发条件进行判断(即在节点进行发包之前对逻辑频偏补偿值进行误差分析，并判断通信范围内是否存在能够进行通信的节点，当满足触发条件时，对邻居节点进行广播)；同时考虑网络中通信时延存在的情况，采用序贯最小二乘法以及加权最大一致性算法使全局时钟趋于一致；该方法具体包括以下步骤：
S1：对每个逻辑时钟设置频偏补偿值、权重、置信度参数以及相对频偏估计值，为网络中设置更新周期，并在节点的每个更新周期满足时，判断当前的触发条件是否满足，满足时对邻居节点进行数据包的广播，并记录下广播的时钟参数；
S2：当节点接收到数据包时，采用序贯最小二乘法对两节点间的逻辑频偏的比值即相对频偏进行估计，利用得到相对频偏估计值依据加权最大一致性算法对逻辑时钟频偏进行更新，并利用频偏值进行逻辑时钟的补偿，周期性重复上述步骤，直至网络实现逻辑时钟的全局同步。
进一步，步骤S1中，为网络进行初始化，并在更新周期对触发条件进行判断，具体包括以下步骤：
S11：初始化网络：为网络设置一个更新周期T，对于网络中的节点i，将初始更新次数设为k＝1，设置初始逻辑时钟的频偏补偿值
Figure BDA0003678995200000021
权重si＝i，置信度参数ωi＝0以及初始相对频偏估计值/>
Figure BDA0003678995200000022
并记录下当前节点i的硬件时钟读数/>
Figure BDA0003678995200000023
其中/>
Figure BDA0003678995200000024
为此时的真实物理时间；
S12：当k＝1或k＞2且节点i的硬件时钟值满足
Figure BDA0003678995200000025
当前更新的逻辑频偏值/>
Figure BDA0003678995200000026
和最后一次广播给邻居节点逻辑频偏值/>
Figure BDA0003678995200000027
进行比较，代入如下触发条件方程：
Figure BDA0003678995200000028
其中，cw和hw表示指数型触发方程中的权衡参数；
S13：若满足步骤S12中的触发条件，并且利用邻居节点探测协议发现附近有能进行通信的节点时，记录当前时刻
Figure BDA0003678995200000029
并进行参数更新/>
Figure BDA00036789952000000210
然后将更新后的逻辑时钟参数和硬件时钟值广播给邻居节点。
进一步，步骤S2中，节点在接收到邻居节点发送的信息后，由此对自身逻辑时钟进行补偿，需要进行相对逻辑估计，逻辑频偏补偿以及逻辑时钟更新，具体包括以下步骤：
S21：当节点j接收到邻居节点i发送的数据包后，将接收的数据包序列号设为l，并将收到数据包的时钟值记为
Figure BDA00036789952000000211
数据包中来自节点i的硬件时钟值记为/>
Figure BDA00036789952000000212
储存时钟信息/>
Figure BDA0003678995200000031
S22：采用序贯最小二乘法得到相对逻辑频偏
Figure BDA0003678995200000032
当l≥1时，计算逻辑频偏的相对大小qij(l)：
Figure BDA0003678995200000033
其中，
Figure BDA0003678995200000034
表示节点j本轮更新的逻辑频偏补偿值；
S23：如果sj≠si且qij(l)＞1，或sj＝si且ωj＞ωi，分别对权重、初始序列号以及逻辑时钟的频偏补偿值进行更新：
ωj←ωi+1,sj←si,
Figure BDA0003678995200000035
如果sj≠si且qij(l)＝1，则对权重、初始序列号进行更新：
ωj←ωi+1,sj←si
S24：得到本轮更新的逻辑频偏补偿值
Figure BDA0003678995200000036
进行权重值更新＝γj＝γj+1；令
Figure BDA0003678995200000037
进行逻辑相偏的补偿：
Figure BDA0003678995200000038
其中，
Figure BDA0003678995200000039
表示逻辑时钟值，＝γi、＝γj分别表示节点i、j的更新权重值；
在节点j收到下一个来自邻居的数据包之前，其逻辑时钟
Figure BDA00036789952000000310
的表达式为：
Figure BDA00036789952000000311
本发明的有益效果在于：
1)本发明考虑了现有随机移动传感器网络场景下同步方法产生通信开销过大的问题，为所提场景在逻辑频偏补偿的误差值和邻居节点探测两方面考虑，提出节点通信的触发条件，使节点在更新周期对触发条件进行判断，满足时进行广播，相较于基于时间触发的通信方案所提通信方案能够在保证一定同步精度的前提下，有效降低同步过程中所产生的通信开销。
2)本发明相较于现有随机移动无线网络下的同步方法，在相对频偏的估计过程中引入序贯最小二乘法，能够有效地消除通信时延的影响；另一方面，为避免逻辑时钟误差在时延影响下持续增加，在最大一致性的基础上考虑加权算法，进一步使逻辑频率在时延下趋于一致，从而使全网逻辑时钟保证一定同步精度。
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为本发明实施例所考虑的随机移动传感器网络关系图；
图2为本发明随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法流程图。
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2，图1为本实施例考虑随机移动传感器网络的关系图，如图1所示，一个随机移动无线网络，具有N个可进行随机移动的传感器，且具有相同的传输范围R。在传输范围内，每两个节点可进行通信，而由于节点是随机移动的，节点之间是否进行通信由节点移动的概率决定。假设节点i与节点j之间的通信频率满足参数为λij的泊松分布。若节点i与节点j之间无法进行通信，λij＝0；若能一直通信，则λij＝∞，在随机移动无线网络中，这种情况仅存在于λii，即节点总能与自己通信。λij＜0或λij＝∞满足时，设矩阵B中对应的元素为Bij＝1；当λij＝0时，Bij＝0。将网络中所有移动传感器节点用一个集合表示为
Figure BDA0003678995200000041
节点间可靠通信链路的集合表示为/>
Figure BDA0003678995200000042
并且(i,j)∈ε表示数据包可以成功地从节点i传播到节点j，也能从节点j传播到节点i。将网络中节点i的所有邻居节点表示为/>
Figure BDA0003678995200000043
而仅有当λij＞0时，(i,j)∈ε且/>
Figure BDA0003678995200000044
成立。当一个移动传感器网络的邻接矩阵为B时，设/>
Figure BDA0003678995200000045
为移动传感器网络的关系图。由于各传感器节点传输范围相同，其关系图/>
Figure BDA0003678995200000046
为一个无向连通图。
为网络设置一个更新周期T，对于网络中的节点i，将初始更新次数设为k＝1，设置初始逻辑时钟补偿值
Figure BDA0003678995200000047
权重si＝i，置信度参数ωi＝0以及初始相对频偏估计值
Figure BDA0003678995200000048
并记录下当前节点i的硬件时钟读数/>
Figure BDA0003678995200000049
当k＝1或k＞2且节点i的硬件时钟值满足
Figure BDA0003678995200000051
当前更新的逻辑频偏值/>
Figure BDA0003678995200000052
和最后一次广播给邻居节点逻辑频偏值/>
Figure BDA0003678995200000053
进行比较，代入如下触发方程：
Figure BDA0003678995200000054
其中，cw和hw代表触发方程中的权衡参数。
若上述触发条件满足，并且利用邻居节点探测协议发现附近有可进行通信的节点时，记录当前时刻
Figure BDA0003678995200000055
并进行参数更新/>
Figure BDA0003678995200000056
接下来将更新后的逻辑时钟参数和硬件时钟值广播给邻居节点。
当节点j接收到邻居节点i发送的数据包后，将接收的数据包序列号设为l，并将收到数据包的时钟值记为
Figure BDA0003678995200000057
数据包中来自节点i的硬件时钟值记为/>
Figure BDA0003678995200000058
储存时钟信息
Figure BDA0003678995200000059
由序贯最小二乘法得到相对逻辑频偏
Figure BDA00036789952000000510
当l≥1时，计算逻辑频偏的相对大小qij(l)：
Figure BDA00036789952000000511
如果sj≠si且qij(l)＞1，或sj＝si且ωj＞ωi，分别对权重、初始序列号以及逻辑时钟补偿值进行更新：
ωj←ωi+1,sj←si,
Figure BDA00036789952000000512
如果sj≠si且qij(l)＝1，则对权重、初始序列号进行更新：
ωj←ωi+1,sj←si。
得到本轮更新的逻辑频偏补偿值
Figure BDA00036789952000000513
进行权重值更新γj＝γj+1。令/>
Figure BDA00036789952000000514
进行逻辑相偏的补偿：/>
Figure BDA00036789952000000515
在节点j收到下一个来自邻居的数据包之前，其逻辑时钟的表达式为：
Figure BDA00036789952000000516
实施例：
图2为本发明随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法流程图。本实施例提供了适用于通信时延存在的随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
S1：随机移动无线网络下时钟同步过程开始。
S2～S3：为全网设置一个更新周期，为各节点设置更新次数、相对频偏估计值、逻辑时钟补偿值、权重以及置信度参数，记录此时的硬件时钟读数，并按此周期逐步进行逻辑频偏估计值的更新。
S4～S5：依据逻辑频偏值误差与指数型触发函数的阈值大小，以及利用邻居节点探测协议检测附近是否有可进行通信的节点，判断节点是否满足广播条件。
S6：若触发条件满足，节点将此时的硬件时钟读数以及逻辑时钟的相关参数广播给其他邻居节点，并记录下本次更新后的逻辑频偏估计值。
S7～S9：节点收到其邻居节点发的数据包后，依据其中的时钟参数利用序贯最小二乘法进行相对频偏值的估计，并利用最大一致性算法对逻辑频偏值进行更新，周期性重复上述步骤，直至网络实现逻辑时钟的全局同步。
S10～S11：判断网络中所有时钟的最大逻辑频偏误差以及最大逻辑时钟误差是否保持在一个较小的范围，若这两个条件满足，则说明同步条件已满足，结束时钟同步的操作，否则继续上述步骤。
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)

1.一种随机移动无线网络下基于事件触发的时间同步方法，其特征在于，针对无线网络中传感器节点随机移动的场景，使节点在发送数据包之前对触发条件进行判断；同时考虑网络中通信时延存在的情况，采用序贯最小二乘法以及加权最大一致性算法使全局时钟趋于一致；该方法具体包括以下步骤：
S1：对每个逻辑时钟设置频偏补偿值、权重、置信度参数以及相对频偏估计值，为网络中设置更新周期，并在节点的每个更新周期满足时，判断当前的触发条件是否满足，满足时对邻居节点进行数据包的广播，并记录下广播的时钟参数；具体包括以下步骤：
S11：初始化网络：为网络设置一个更新周期T，对于网络中的节点i，将初始更新次数设为k＝1，设置初始逻辑时钟的频偏补偿值
Figure FDA0004188165650000011
权重si＝i，置信度参数ωi＝0以及初始相对频偏估计值/>
Figure FDA0004188165650000012
并记录下当前节点i的硬件时钟读数/>
Figure FDA0004188165650000013
其中/>
Figure FDA00041881656500000113
为此时的真实物理时间；
S12：当k＝1或k＞2且节点i的硬件时钟值满足
Figure FDA0004188165650000014
当前更新的逻辑频偏值/>
Figure FDA00041881656500000115
和最后一次广播给邻居节点逻辑频偏值/>
Figure FDA00041881656500000114
进行比较，代入如下触发条件方程：
Figure FDA0004188165650000015
其中，cw和hw表示指数型触发方程中的权衡参数；
S13：若满足步骤S12中的触发条件，并且利用邻居节点探测协议发现附近有能进行通信的节点时，记录当前时刻
Figure FDA0004188165650000016
并进行参数更新/>
Figure FDA0004188165650000017
然后将更新后的逻辑时钟参数和硬件时钟值广播给邻居节点；
S2：当节点接收到数据包时，采用序贯最小二乘法对两节点间的逻辑频偏的比值即相对频偏进行估计，利用得到相对频偏估计值依据加权最大一致性算法对逻辑时钟频偏进行更新，并利用频偏值进行逻辑时钟的补偿，周期性重复上述步骤，直至网络实现逻辑时钟的全局同步；具体包括以下步骤：
S21：当节点j接收到邻居节点i发送的数据包后，将接收的数据包序列号设为l，并将收到数据包的时钟值记为
Figure FDA0004188165650000018
数据包中来自节点i的硬件时钟值记为/>
Figure FDA0004188165650000019
储存时钟信息
Figure FDA00041881656500000110
S22：采用序贯最小二乘法得到相对逻辑频偏
Figure FDA00041881656500000111
当l≥1时，计算逻辑频偏的相对大小qij(l)：
Figure FDA00041881656500000112
其中，
Figure FDA0004188165650000021
表示节点j本轮更新的逻辑频偏补偿值；
S23：如果sj≠si且qij(l)＞1，或sj＝si且ωj＞ωi，分别对权重、初始序列号以及逻辑时钟的频偏补偿值进行更新：
ωj←ωi+1,sj←si,
Figure FDA0004188165650000022
如果sj≠si且qij(l)＝1，则对权重、初始序列号进行更新：
ωj←ωi+1,sj←si
S24：得到本轮更新的逻辑频偏补偿值
Figure FDA0004188165650000023
进行权重值更新γj＝γj+1；令/>
Figure FDA0004188165650000024
进行逻辑相偏的补偿：
Figure FDA0004188165650000025
其中，
Figure FDA0004188165650000026
表示逻辑时钟值，γi、γj分别表示节点i、j的更新权重值；
在节点j收到下一个来自邻居的数据包之前，其逻辑时钟
Figure FDA0004188165650000027
的表达式为：
Figure FDA0004188165650000028
/>
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