CN115550867B - 一种无线传感网络微功耗时间同步方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线传感器网络技术领域，公开了一种无线传感网络微功耗时间同步方法、系统及设备。本发明由子节点监听一对父节点的同步消息，基于节点关于时钟信息交换的时间戳建立关于子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数，进行求解得到对应的相对时钟频偏估计和相对时钟偏移估计，以对相应子节点进行时钟补偿，根据子节点的时钟同步成功数据分别构建相对时钟频偏、相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的线性回归模型，当出现子节点时钟同步失败时，利用线性回归模型进行相对时钟频偏及偏移的计算，并根据计算得到的结果重新进行时钟补偿。本发明能够在实现可靠的时钟同步的同时降低无线传感器节点的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种无线传感网络微功 耗时间同步方法、系统及设备。
背景技术
无线传感网络技术在输电网中的应用主要是监测并采集输电线路和线路 途中高压铁塔周边的环境数据和信息，以便于管理人员了解线路的运行环境 和灾害发生的等级状况。在输电网环境监测这类无线传感器网络应用中，无 线传感器网络的各节点位置比较偏远且孤立，并且自身携带的电池容量有限。 因此，如何降低无线传感器节点的功耗来增加无线传感器网络的使用周期成 为该领域的核心问题。
目前通过令没有业务需求的无线传感器节点进入待机休眠状态的方式来 节省节点功耗。然而，传感器节点进入休眠状态后仅有实时时钟(RTC)模块 保持工作，以此来达到与父节点的时钟同步，但是该模块较敏感，容易受温 湿度等外界环境因素影响，可能会导致无法在预定的时刻被唤醒而错过与父 节点的通信，造成时钟同步精度的损失，难以实现可靠的时钟同步。
发明内容
本发明提供了一种无线传感网络微功耗时间同步方法、系统及设备，解 决了如何在实现可靠的时钟同步的同时降低无线传感器节点的功耗的技术问 题。
本发明第一方面提供一种无线传感网络微功耗时间同步方法，所述无线 传感器网络包括进行双向时钟信息交换的两个父节点以及位于所述两个父节 点的通信范围交集中的子节点，所述方法包括：
建立关于子节点监听到所寻求同步的父节点的同步消息时的时间戳的第 一表达式和关于所述所寻求同步的父节点接收到同步消息的时间戳的第二表 达式，根据所述第一表达式和所述第二表达式建立相应的一元回归模型；所 述同步消息包含有对应的时钟信息；
根据所述一元回归模型，建立关于子节点及其所寻求同步的父节点的相 对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数，利用导数法求取极值使所述损失函 数达到最小，得到所述子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏估计 和相对时钟偏移估计，根据得到的估计结果对相应子节点的时钟系数进行补 偿；
采集子节点的多个时钟同步成功数据；所述时钟同步成功数据为对应子 节点成功实现时钟同步时的相关数据，包括对应子节点与其所寻求同步的父 节点的通信距离、子节点的剩余能量、子节点所寻求同步的父节点的剩余能 量、子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移；
根据所述时钟同步成功数据，构建相对时钟频偏关于通信距离和节点剩 余能量的第一线性回归模型以及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量 的第二线性回归模型；
当出现子节点时钟同步失败时，利用所述第一线性回归模型进行对应子 节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏的计算，并利用所述第二线性 回归模型进行对应子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟偏移的计算， 根据计算得到的结果对相应子节点的时钟系数进行补偿。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述建立关于子节点监听 到所寻求同步的父节点的同步消息时的时间戳的第一表达式和关于所述所寻 求同步的父节点接收到同步消息的时间戳的第二表达式，根据所述第一表达 式和所述第二表达式建立相应的一元回归模型，包括：
构建所述第一表达式为：
式中，P为子节点所寻求同步的父节点，表示P在第i次接收到同步消 息的时间戳，A为与P进行双向时钟信息交换的父节点，/>为A与P的相对 时钟频偏，/>为A与P的相对时钟偏移，/>为A在第i次发送同步消息的时 间戳，/>为A在第1次发送同步消息的时间戳，d(AP)为A与P进行双向时钟 信息交换时的固定时延，/>为A与P进行双向时钟信息交换时的随机时延；
构建所述第二表达式为：
式中，B为子节点，P为B所寻求同步的父节点，表示B在第i次双 向时钟信息交换时监听到所寻求同步的父节点的同步消息时的时间戳，/>为 A与B的相对时钟频偏，为A与B的相对时钟偏移，d(AB)为A与B进行时钟 信息交换时的固定时延，/>为A与B进行时钟信息交换时的随机时延；
将所述第一表达式和第二表达式作差，得到相应的一元回归模型。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述建立关于子节点及其 所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数，包括：
建立关于子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏 移的损失函数为：
式中，Q表示损失函数值，N为同步消息交换次数。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述构建相对时钟频偏关 于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归模型以及相对时钟偏移关于通信 距离和节点剩余能量的第二线性回归模型，包括：
构建相对时钟频偏关于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归方程以 及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的第二线性回归方程；
基于所述时钟同步成功数据对所述第一线性回归方程和所述第二线性回 归方程的系数进行求解，将求解得到的系数值代入相应的线性回归方程，得 到所述第一线性回归模型和所述第二线性回归模型。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述基于所述时钟同步成 功数据对所述第一线性回归方程和所述第二线性回归方程的系数进行求解， 包括：
采用归一化算法对所述时钟同步成功数据进行处理，将处理得到的数据 分为关于相对时钟频偏的第一目标训练数据和关于相对时钟偏移的第二目标 训练数据；
基于所述第一目标训练数据采用梯度下降法计算所述第一线性回归方程 的系数；
基于所述第二目标训练数据采用梯度下降法计算所述第一线性回归方程 的系数。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述构建相对时钟频偏关 于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归方程以及相对时钟偏移关于通信 距离和节点剩余能量的第二线性回归方程，包括：
构建所述第一线性回归方程为：
式中，B为子节点，P为B所寻求同步的父节点，为B与P的相对时 钟频偏，dBP为B与P的通信距离，eB为B的剩余能量，eP为P的剩余能量，w1为第一通信距离权重系数，w2为第一能量权重系数，w3为第二能量权重系数， b1为第一偏移系数；
构建所述第二线性回归方程为：
式中，为B与P的相对时钟偏移，w4为第二通信距离权重系数，w5为 第三能量权重系数，w6为第四能量权重系数，b2为第二偏移系数。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述父节点和所述子节点 采用k-maens聚类算法进行部署。
本发明第二方面提供一种无线传感网络微功耗时间同步系统，所述无线 传感器网络包括进行双向时钟信息交换的两个父节点以及位于所述两个父节 点的通信范围交集中的子节点，所述系统包括：
第一建立模块，用于建立关于子节点监听到所寻求同步的父节点的同步 消息时的时间戳的第一表达式和关于所述所寻求同步的父节点接收到同步消 息的时间戳的第二表达式，根据所述第一表达式和所述第二表达式建立相应 的一元回归模型；所述同步消息包含有对应的时钟信息；
第一时钟补偿模块，用于根据所述一元回归模型，建立关于子节点及其 所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数，利用导数 法求取极值使所述损失函数达到最小，得到所述子节点及其所寻求同步的父 节点的相对时钟频偏估计和相对时钟偏移估计，根据得到的估计结果对相应 子节点的时钟系数进行补偿；
数据采集模块，用于采集子节点的多个时钟同步成功数据；所述时钟同 步成功数据为对应子节点成功实现时钟同步时的相关数据，包括对应子节点 与其所寻求同步的父节点的通信距离、子节点的剩余能量、子节点所寻求同 步的父节点的剩余能量、子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和 相对时钟偏移；
第二建立模块，用于根据所述时钟同步成功数据，构建相对时钟频偏关 于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归模型以及相对时钟偏移关于通信 距离和节点剩余能量的第二线性回归模型；
第二时钟补偿模块，用于当出现子节点时钟同步失败时，利用所述第一 线性回归模型进行对应子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏的计 算，并利用所述第二线性回归模型进行对应子节点及其所寻求同步的父节点 的相对时钟偏移的计算，根据计算得到的结果对相应子节点的时钟系数进行 补偿。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述第一建立模块包括：
第一构建单元，用于构建所述第一表达式为：
式中，P为子节点所寻求同步的父节点，表示P在第i次接收到同步消 息的时间戳，A为与P进行双向时钟信息交换的父节点，/>为A与P的相对 时钟频偏，/>为A与P的相对时钟偏移，/>为A在第i次发送同步消息的时 间戳，/>为A在第1次发送同步消息的时间戳，d(AP)为A与P进行双向时钟 信息交换时的固定时延，/>为A与P进行双向时钟信息交换时的随机时延；
第二构建单元，用于构建所述第二表达式为：
式中，B为子节点，P为B所寻求同步的父节点，表示B在第i次双 向时钟信息交换时监听到所寻求同步的父节点的同步消息时的时间戳，/>为 A与B的相对时钟频偏，为A与B的相对时钟偏移，d(AB)为A与B进行时钟 信息交换时的固定时延，/>为A与B进行时钟信息交换时的随机时延；
第三构建单元，用于将所述第一表达式和第二表达式作差，得到相应的 一元回归模型。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述第一时钟补偿模块包 括：
第四构建单元，用于建立关于子节点及其所寻求同步的父节点的相对时 钟频偏和相对时钟偏移的损失函数为：
式中，Q表示损失函数值，N为同步消息交换次数。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，第二构建模块包括：
第五构建单元，用于构建相对时钟频偏关于通信距离和节点剩余能量的 第一线性回归方程以及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的第二线 性回归方程；
求解单元，用于基于所述时钟同步成功数据对所述第一线性回归方程和 所述第二线性回归方程的系数进行求解，将求解得到的系数值代入相应的线 性回归方程，得到所述第一线性回归模型和所述第二线性回归模型。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述求解单元：
预处理子单元，用于采用归一化算法对所述时钟同步成功数据进行处理， 将处理得到的数据分为关于相对时钟频偏的第一目标训练数据和关于相对时 钟偏移的第二目标训练数据；
第一计算子单元，用于基于所述第一目标训练数据采用梯度下降法计算 所述第一线性回归方程的系数；
第二计算子单元，用于基于所述第二目标训练数据采用梯度下降法计算 所述第一线性回归方程的系数。
在一种能够实现的方式中，所述第五构建单元包括：
第一构建子单元，用于构建所述第一线性回归方程为：
式中，B为子节点，P为B所寻求同步的父节点，为B与P的相对时 钟频偏，dBP为B与P的通信距离，eB为B的剩余能量，eP为P的剩余能量，w1为第一通信距离权重系数，w2为第一能量权重系数，w3为第二能量权重系数， b1为第一偏移系数；
第二构建子单元，用于构建所述第二线性回归方程为：
式中，为B与P的相对时钟偏移，w4为第二通信距离权重系数，w5为 第三能量权重系数，w6为第四能量权重系数，b2为第二偏移系数。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述父节点和所述子节点 采用k-maens聚类算法进行部署。
本发明第三方面提供了一种无线传感网络微功耗时间同步设备，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项能够实 现的方式所述的无线传感网络微功耗时间同步方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
本发明第四方面一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上 存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项能够 实现的方式所述的无线传感网络微功耗时间同步方法。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明由子节点监听一对父节点的同步消息，基于子节点和父节点针对 时钟信息交换的时间戳数据建立关于子节点及其所寻求同步的父节点的相对 时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数，进行求解得到子节点及其所寻求同步 的父节点的相对时钟频偏估计和相对时钟偏移估计，以对相应子节点的时钟 参数进行补偿，并根据子节点以往的多个时钟同步成功数据分别构建相对时 钟频偏、相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的线性回归模型，当出 现子节点时钟同步失败时，利用线性回归模型进行相对时钟频偏及相对时钟 偏移的计算，以根据计算得到的结果重新进行时钟补偿；本发明中子节点只 监听不发送的特性降低了本地功耗，且在后续子节点进行时钟同步失败后， 利用线性回归模型进行对时偏与频偏的预测，并基于预测值再次进行时钟同 步，保证了时钟同步的成功率，能够有效提高时钟同步的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一个可选实施例提供的无线传感网络的节点部署示意图；
图2为本发明一个可选实施例提供的同步消息交换模型的示意图；
图3为本发明一个可选实施例提供的一种无线传感网络微功耗时间同步 方法的流程图；
图4为本发明一个可选实施例提供的一种无线传感网络微功耗时间同步 系统的结构连接框图。
附图标记：
1-第一建立模块；2-第一时钟补偿模块；3-数据采集模块；4-第二建立模 块；5-第二时钟补偿模块。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种无线传感网络微功耗时间同步方法、系统及设 备，用于解决如何在实现可靠的时钟同步的同时降低无线传感器节点的功耗 的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将 结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部 的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性 劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明下述实施例中，所针对的无线传感器网络包括进行双向时钟信息 交换的两个父节点以及位于所述两个父节点的通信范围交集中的子节点。作 为具体的实施方式，该子节点以所述两个父节点中距离最近的父节点作为所 寻求同步的父节点。
由于受能量限制，传感器的通讯距离被严格限制在它的半径之内，而半 径的大小则依赖于它的传输功率，因此，在节点功率半径内，需要合理地布 置两个父节点，以使两个父节点的通信范围交集最大，从而使要同步的节点 尽量多。
为此，在一种能够实现的方式中，所述父节点和所述子节点采用k-maens 聚类算法进行部署。节点部署示意图如图1所示，其中A和P为父节点，B 为待时钟同步的子节点。
采用k-maens聚类算法进行节点部署时，具体地，将无线传感器网络中的 节点进行分类，每一类中部署一个父节点，使每一类中的子节点到父节点的 距离加权平均和最小，反复迭代后重新定位父节点的位置，并计算其到子节 点的平均距离，直到单个父节点在前后轮迭代的物理距离偏差小于某个正数 如下式：
式中，(xpre,ypre)为上一轮父节点的坐标，(xcur,ycur)为当前轮父节点的坐标。
由此，可以在两个父节点进行通信的同时，其通信半径可以覆盖到拓扑 图中尽可能多的子节点，让子节点能监听到父节点间的通信从而进行时钟同 步。
如图1所示，A和P两个父节点进行同步信息交换时，无线传感网络的 子节点(例如B)可以从父节点P和A处收到数据包。在P和A之间进行双 向的时序信息交换，P为子节点寻求同步的父节点。此时，在两个圆圈的交 集内，子节点B可以监听到包含一对由P和A构成的同步时刻标志的报文。 在这段时间内，该交集内的其它待时钟同步的子节点不需要发送额外的时钟 信息给父节点，这种方法可以极大地减少传输时钟信息的数量，达到一次发 送、多次复用的目的，从而降低了无线传感器网络的功耗，延迟了网络的使 用时长。
图2示出了本发明实施例提供的同步消息交换模型的示意图，本发明下 述实施例中所针对的无线传感器网络，其中节点基于该图2所示的同步消息 交换模型进行同步消息交换。图2中，P为子节点B所寻求同步的父节点，A 为与P进行双向时钟信息交换的父节点，为A与P的相对时钟频偏，/>为A与P的相对时钟偏移。
假定时钟信息被交换N次，如图2所示，节点A将同步报文中的识别码(ID)和在发送报文时的时间戳T1,1(A)发送给节点P。在T2,1(P)时间点，节 点P接收到这个同步报文分组，并在T3,1(P)时间将包含自己识别码(ID) 的应答信息发送给节点A，最后在T4,1(A)时间点，节点A接收到了这个报文， 所以总共记录了4个时戳。在信息交流中，延迟是一个不容忽视的问题。数 据包延迟包括处理延迟、传输延迟、发送延迟及接收延迟等。这些时延又可分成随机时延与固定时延两大类。随机时延遵循正态分布，均值为u0，方差 为σ0 2，在(u0-σ0,u0+σ0)的可接受范围内波动。
在父节点A、P功率半径圆交集之间的所有节点，在图2中如B，它能监 听到A、P之间交换的同步消息，其中该同步消息含有时钟信息。这样，在B 节点监听到来自A的数据包时，B可以观察到它的本地时钟上的时钟读数 T2,1(B)，还可以从节点P的接收包中获取与时间标记有关的信息，例如 T2,1(P)。
图3示出了本发明实施例提供的一种无线传感网络微功耗时间同步方法 的流程图。
请参阅图3，本发明实施例提供的一种无线传感网络微功耗时间同步方 法，包括步骤S1-S5。
步骤S1，建立关于子节点监听到所寻求同步的父节点的同步消息时的时 间戳的第一表达式和关于所述所寻求同步的父节点接收到同步消息的时间戳 的第二表达式，根据所述第一表达式和所述第二表达式建立相应的一元回归 模型；所述同步消息包含有对应的时钟信息。
在一种能够实现的方式中，所述建立关于子节点监听到所寻求同步的父 节点的同步消息时的时间戳的第一表达式和关于所述所寻求同步的父节点接 收到同步消息的时间戳的第二表达式，根据所述第一表达式和所述第二表达 式建立相应的一元回归模型，包括：
构建所述第一表达式为：
式中，P为子节点所寻求同步的父节点，表示P在第i次接收到同步消 息的时间戳，A为与P进行双向时钟信息交换的父节点，/>为A与P的相对 时钟频偏，/>为A与P的相对时钟偏移，/>为A在第i次发送同步消息的时 间戳，/>为A在第1次发送同步消息的时间戳，d(AP)为A与P进行双向时钟 信息交换时的固定时延，/>为A与P进行双向时钟信息交换时的随机时延；
构建所述第二表达式为：
式中，B为子节点，P为B所寻求同步的父节点，表示B在第i次双 向时钟信息交换时监听到所寻求同步的父节点的同步消息时的时间戳，/>为 A与B的相对时钟频偏，为A与B的相对时钟偏移，d(AB)为A与B进行时钟 信息交换时的固定时延，/>为A与B进行时钟信息交换时的随机时延；
将所述第一表达式和第二表达式作差，得到相应的一元回归模型。
具体地，将所述第一表达式和第二表达式作差，即可得到一元回归模型 的表达式为：
式中，为B与P的相对时钟频偏，/>为B与P的相对时钟偏移。
步骤S2，根据所述一元回归模型，建立关于子节点及其所寻求同步的父 节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数，利用导数法求取极值使所 述损失函数达到最小，得到所述子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟 频偏估计和相对时钟偏移估计，根据得到的估计结果对相应子节点的时钟系 数进行补偿。
定义 代入一元回归模型的表达式，得到：
则单次的通信损失如下：
基于此，在一种能够实现的方式中，可采用绝对值法，建立关于子节点 及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数为：
式中，Q表示损失函数值，N为同步消息交换次数。
该损失函数的分段函数形式如下：
为了使损失函数Q达到最小，可以看作Q是因变量，与/>是自变 量的关系，这就将其转化成一个求极值的问题，可以通过令Q对/>的偏导数 等于0，以及令Q对/>的偏导数等于0，来求得极小值：
令N＝N1+N2，N1为w[i]＜0的个数，N2为w[i]≥0的 个数，则有：
当w[i]＜0时，
当w[i]≥0时，
同理，对进行拆分，其中令N＝N3+N4。
最后解得极值点如下：
计算出极值点后可以使Q达到极小，保证了对时钟偏移与时钟频偏的估计 的损失达到极小。同理其他在交集中的子节点也能在不发送数据包的情况下 只进行监听就能达到时钟同步的目的，这极大降低了传感器节点的功耗。
步骤S3，采集子节点的多个时钟同步成功数据；所述时钟同步成功数据 为对应子节点成功实现时钟同步时的相关数据，包括对应子节点与其所寻求 同步的父节点的通信距离、子节点的剩余能量、子节点所寻求同步的父节点 的剩余能量、子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏 移。
其中，可以采集子节点时钟同步失败之前近段时间的时钟同步成功数据。 具体的时间段长度可以根据实际情况进行设置。
步骤S4，根据所述时钟同步成功数据，构建相对时钟频偏关于通信距离 和节点剩余能量的第一线性回归模型以及相对时钟偏移关于通信距离和节点 剩余能量的第二线性回归模型。
在一种能够实现的方式中，所述构建相对时钟频偏关于通信距离和节点 剩余能量的第一线性回归模型以及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能 量的第二线性回归模型，包括：
构建相对时钟频偏关于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归方程以 及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的第二线性回归方程；
基于所述时钟同步成功数据对所述第一线性回归方程和所述第二线性回 归方程的系数进行求解，将求解得到的系数值代入相应的线性回归方程，得 到所述第一线性回归模型和所述第二线性回归模型。
在一种能够实现的方式中，所述基于所述时钟同步成功数据对所述第一 线性回归方程和所述第二线性回归方程的系数进行求解，包括：
采用归一化算法对所述时钟同步成功数据进行处理，将处理得到的数据 分为关于相对时钟频偏的第一目标训练数据和关于相对时钟偏移的第二目标 训练数据；
基于所述第一目标训练数据采用梯度下降法计算所述第一线性回归方程 的系数；
基于所述第二目标训练数据采用梯度下降法计算所述第一线性回归方程 的系数。
具体地，通过采用归一化算法，将上述时钟同步成功数据的各种数据分 别进行归一化处理，以将每个数据转换到[0,1]的范围，从而便于后续的系数 求解。
其中，线性归一化算法包括线性比例变换法和极差变换法，在本实施例 中，所采用的线性归一化算法为极差变换法。该方法通过利用变量取值的最 大值和最小值(或者最大值)将原始数据转换为界于某一特定范围的数据，从而 消除量纲和数量级影响，改变变量在分析中的权重来解决不同度量的问题。
在一种能够实现的方式中，所述构建相对时钟频偏关于通信距离和节点 剩余能量的第一线性回归方程以及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能 量的第二线性回归方程，包括：
构建所述第一线性回归方程为：
式中，B为子节点，P为B所寻求同步的父节点，为B与P的相对时 钟频偏，dBP为B与P的通信距离，eB为B的剩余能量，eP为P的剩余能量，w1为第一通信距离权重系数，w2为第一能量权重系数，w3为第二能量权重系数， b1为第一偏移系数；
构建所述第二线性回归方程为：
式中，为B与P的相对时钟偏移，w4为第二通信距离权重系数，w5为 第三能量权重系数，w6为第四能量权重系数，b2为第二偏移系数。
需要说明的是，梯度下降法属于现有技术，基于所述第一目标训练数据 采用梯度下降法计算所述第一线性回归方程的系数，以及基于所述第二目标 训练数据采用梯度下降法计算所述第一线性回归方程的系数时，可以参照现 有的计算过程实现，本实施例中，对采用梯度下降法进行方程系数的计算的 过程不做限定。
步骤S5，当出现子节点时钟同步失败时，利用所述第一线性回归模型进 行对应子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏的计算，并利用所述 第二线性回归模型进行对应子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟偏移 的计算，根据计算得到的结果对相应子节点的时钟系数进行补偿。
本实施例中，基于线性回归模型得到对应子节点及其所寻求同步的父节 点的相对时钟频偏及相对时钟偏移的预测值，进而重新根据预测值进行相应 子节点的时钟补偿，极大地提高了时钟同步的可靠性。
本发明还提供了一种无线传感网络微功耗时间同步系统，该系统可用于 执行本发明上述任一项实施例所述的无线传感网络微功耗时间同步方法。
请参阅图4，图4示出了本发明实施例提供的一种无线传感网络微功耗时 间同步系统的结构连接框图。
本发明实施例提供的一种无线传感网络微功耗时间同步系统，包括：
第一建立模块1，用于建立关于子节点监听到所寻求同步的父节点的同步 消息时的时间戳的第一表达式和关于所述所寻求同步的父节点接收到同步消 息的时间戳的第二表达式，根据所述第一表达式和所述第二表达式建立相应 的一元回归模型；所述同步消息包含有对应的时钟信息；
第一时钟补偿模块2，用于根据所述一元回归模型，建立关于子节点及其 所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数，利用导数 法求取极值使所述损失函数达到最小，得到所述子节点及其所寻求同步的父 节点的相对时钟频偏估计和相对时钟偏移估计，根据得到的估计结果对相应 子节点的时钟系数进行补偿；
数据采集模块3，用于采集子节点的多个时钟同步成功数据；所述时钟同 步成功数据为对应子节点成功实现时钟同步时的相关数据，包括对应子节点 与其所寻求同步的父节点的通信距离、子节点的剩余能量、子节点所寻求同 步的父节点的剩余能量、子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和 相对时钟偏移；
第二建立模块4，用于根据所述时钟同步成功数据，构建相对时钟频偏关 于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归模型以及相对时钟偏移关于通信 距离和节点剩余能量的第二线性回归模型；
第二时钟补偿模块5，用于当出现子节点时钟同步失败时，利用所述第一 线性回归模型进行对应子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏的计 算，并利用所述第二线性回归模型进行对应子节点及其所寻求同步的父节点 的相对时钟偏移的计算，根据计算得到的结果对相应子节点的时钟系数进行 补偿。
在一种能够实现的方式中，所述第一建立模块1包括：
第一构建单元，用于构建所述第一表达式为：
式中，P为子节点所寻求同步的父节点，表示P在第i次接收到同步消 息的时间戳，A为与P进行双向时钟信息交换的父节点，/>为A与P的相对 时钟频偏，/>为A与P的相对时钟偏移，/>为A在第i次发送同步消息的时 间戳，/>为A在第1次发送同步消息的时间戳，d(AP)为A与P进行双向时钟 信息交换时的固定时延，/>为A与P进行双向时钟信息交换时的随机时延；
第二构建单元，用于构建所述第二表达式为：
式中，B为子节点，P为B所寻求同步的父节点，表示B在第i次双 向时钟信息交换时监听到所寻求同步的父节点的同步消息时的时间戳，/>为 A与B的相对时钟频偏，为A与B的相对时钟偏移，d(AB)为A与B进行时钟 信息交换时的固定时延，/>为A与B进行时钟信息交换时的随机时延；
第三构建单元，用于将所述第一表达式和第二表达式作差，得到相应的 一元回归模型。
在一种能够实现的方式中，所述第一时钟补偿模块2包括：
第四构建单元，用于建立关于子节点及其所寻求同步的父节点的相对时 钟频偏和相对时钟偏移的损失函数为：
式中，Q表示损失函数值，N为同步消息交换次数。
在一种能够实现的方式中，第二构建模块包括：
第五构建单元，用于构建相对时钟频偏关于通信距离和节点剩余能量的 第一线性回归方程以及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的第二线 性回归方程；
求解单元，用于基于所述时钟同步成功数据对所述第一线性回归方程和 所述第二线性回归方程的系数进行求解，将求解得到的系数值代入相应的线 性回归方程，得到所述第一线性回归模型和所述第二线性回归模型。
在一种能够实现的方式中，所述求解单元：
预处理子单元，用于采用归一化算法对所述时钟同步成功数据进行处理， 将处理得到的数据分为关于相对时钟频偏的第一目标训练数据和关于相对时 钟偏移的第二目标训练数据；
第一计算子单元，用于基于所述第一目标训练数据采用梯度下降法计算 所述第一线性回归方程的系数；
第二计算子单元，用于基于所述第二目标训练数据采用梯度下降法计算 所述第一线性回归方程的系数。
在一种能够实现的方式中，所述第五构建单元包括：
第一构建子单元，用于构建所述第一线性回归方程为：
式中，B为子节点，P为B所寻求同步的父节点，为B与P的相对时 钟频偏，dBP为B与P的通信距离，eB为B的剩余能量，eP为P的剩余能量，w1为第一通信距离权重系数，w2为第一能量权重系数，w3为第二能量权重系数， b1为第一偏移系数；
第二构建子单元，用于构建所述第二线性回归方程为：
式中，为B与P的相对时钟偏移，w4为第二通信距离权重系数，w5为 第三能量权重系数，w6为第四能量权重系数，b2为第二偏移系数。
本发明还提供了一种无线传感网络微功耗时间同步设备，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项实施例 所述的无线传感网络微功耗时间同步方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上 存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项实施 例所述的无线传感网络微功耗时间同步方法。
本发明上述实施例，父节点的部署采用了k-means聚类算法，该算法能合 理地部署父节点的位置，可以最大程度上依据节点的发送功率半径来兼顾大 部分子节点，两父节点的广播通信可以被通信圆交集内的所有子节点监听到， 从而进行后续的时钟同步计算操作；通过建立损失函数模型，然后利用导数 法求取极值使损失函数达到最小，从而达到对时钟频偏与时钟时偏的合理估 计，然后将造成时钟不同步的两个主要因素(频偏、时偏)进行补偿(反向 相加)，达到了时钟同步的目的，同时子节点只监听不发送的特性降低了本地 功耗，达到了微功耗的目的；本发明基于子节点时钟同步成功的数据，建立 线性回归模型，在后续子节点进行时钟同步失败后，利用该模型进行对时偏 与频偏的预测，进行再次时钟同步，保证了时钟同步的成功率。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描 述的系统、设备和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应 过程，上述描述的系统、设备和模块的具体有益效果，可以参考前述方法实 施例中的对应有益效果，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、设备和 方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示 意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可 以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个 系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间 的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合 或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作 为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方， 或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或 者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中， 也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模 块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模 块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售 或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本 发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的 全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个 存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机， 服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步 骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘 等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应 当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其 中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案 的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种无线传感网络微功耗时间同步方法，其特征在于，所述无线传感网络包括进行双向时钟信息交换的两个父节点以及位于所述两个父节点的通信范围交集中的子节点，所述方法包括：
建立关于子节点监听到所寻求同步的父节点的同步消息时的时间戳的第一表达式和关于所述所寻求同步的父节点接收到同步消息的时间戳的第二表达式，根据所述第一表达式和所述第二表达式建立相应的一元回归模型；所述同步消息包含有对应的时钟信息；
根据所述一元回归模型，建立关于子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数，利用导数法求取极值使所述损失函数达到最小，得到所述子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏估计和相对时钟偏移估计，根据得到的估计结果对相应子节点的时钟参数进行补偿；
采集子节点的多个时钟同步成功数据；所述时钟同步成功数据为对应子节点成功实现时钟同步时的相关数据，包括对应子节点与其所寻求同步的父节点的通信距离、子节点的剩余能量、子节点所寻求同步的父节点的剩余能量、子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移；
根据所述时钟同步成功数据，构建相对时钟频偏关于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归模型以及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的第二线性回归模型；
当出现子节点时钟同步失败时，利用所述第一线性回归模型进行对应子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏的计算，并利用所述第二线性回归模型进行对应子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟偏移的计算，根据计算得到的结果对相应子节点的时钟参数进行补偿。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络微功耗时间同步方法，其特征在于，所述建立关于子节点监听到所寻求同步的父节点的同步消息时的时间戳的第一表达式和关于所述所寻求同步的父节点接收到同步消息的时间戳的第二表达式，根据所述第一表达式和所述第二表达式建立相应的一元回归模型，包括：
构建所述第一表达式为：
；
式中，为子节点所寻求同步的父节点，/>表示/>在第/>次接收到同步消息的时间戳，为与/>进行双向时钟信息交换的父节点， />为/>与/>的相对时钟频偏，/>为/>与/>的相对时钟偏移，/>为/>在第/>次发送同步消息的时间戳，/>为/>在第1次发送同步消息的时间戳，/>为/>与/>进行双向时钟信息交换时的固定时延，/>为/>与/>进行双向时钟信息交换时的随机时延；
构建所述第二表达式为：
；
式中，为子节点，/>为/>所寻求同步的父节点，/>表示/>在第/>次双向时钟信息交换时监听到所寻求同步的父节点的同步消息时的时间戳，/>为/>与/>的相对时钟频偏，为/>与/>的相对时钟偏移，/>为/>与/>进行时钟信息交换时的固定时延，/>为/>与/>进行时钟信息交换时的随机时延；
将所述第一表达式和第二表达式作差，得到相应的一元回归模型。
3.根据权利要求2所述的无线传感网络微功耗时间同步方法，其特征在于，所述建立关于子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数，包括：
建立关于子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数为：
；
式中，表示损失函数值，/>为同步消息交换次数。
4.根据权利要求1所述的无线传感网络微功耗时间同步方法，其特征在于，所述构建相对时钟频偏关于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归模型以及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的第二线性回归模型，包括：
构建相对时钟频偏关于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归方程以及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的第二线性回归方程；
基于所述时钟同步成功数据对所述第一线性回归方程和所述第二线性回归方程的系数进行求解，将求解得到的系数值代入相应的线性回归方程，得到所述第一线性回归模型和所述第二线性回归模型。
5.根据权利要求4所述的无线传感网络微功耗时间同步方法，其特征在于，所述基于所述时钟同步成功数据对所述第一线性回归方程和所述第二线性回归方程的系数进行求解，包括：
采用归一化算法对所述时钟同步成功数据进行处理，将处理得到的数据分为关于相对时钟频偏的第一目标训练数据和关于相对时钟偏移的第二目标训练数据；
基于所述第一目标训练数据采用梯度下降法计算所述第一线性回归方程的系数；
基于所述第二目标训练数据采用梯度下降法计算所述第一线性回归方程的系数。
6.根据权利要求4所述的无线传感网络微功耗时间同步方法，其特征在于，所述构建相对时钟频偏关于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归方程以及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的第二线性回归方程，包括：
构建所述第一线性回归方程为：
；
式中，为子节点，/>为/>所寻求同步的父节点，/>为/>与/>的相对时钟频偏，/>为与/>的通信距离，/>为/>的剩余能量，/>为/>的剩余能量，/>为第一通信距离权重系数，为第一能量权重系数，/>为第二能量权重系数，/>为第一偏移系数；
构建所述第二线性回归方程为：
；
式中，为/>与/>的相对时钟偏移， />为第二通信距离权重系数，/>为第三能量权重系数，/>为第四能量权重系数，/>为第二偏移系数。
7.根据权利要求1所述的无线传感网络微功耗时间同步方法，其特征在于，所述父节点和所述子节点采用k-maens聚类算法进行部署。
8.一种无线传感网络微功耗时间同步系统，其特征在于，所述无线传感网络包括进行双向时钟信息交换的两个父节点以及位于所述两个父节点的通信范围交集中的子节点，所述系统包括：
第一建立模块，用于建立关于子节点监听到所寻求同步的父节点的同步消息时的时间戳的第一表达式和关于所述所寻求同步的父节点接收到同步消息的时间戳的第二表达式，根据所述第一表达式和所述第二表达式建立相应的一元回归模型；所述同步消息包含有对应的时钟信息；
第一时钟补偿模块，用于根据所述一元回归模型，建立关于子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移的损失函数，利用导数法求取极值使所述损失函数达到最小，得到所述子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏估计和相对时钟偏移估计，根据得到的估计结果对相应子节点的时钟参数进行补偿；
数据采集模块，用于采集子节点的多个时钟同步成功数据；所述时钟同步成功数据为对应子节点成功实现时钟同步时的相关数据，包括对应子节点与其所寻求同步的父节点的通信距离、子节点的剩余能量、子节点所寻求同步的父节点的剩余能量、子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏和相对时钟偏移；
第二建立模块，用于根据所述时钟同步成功数据，构建相对时钟频偏关于通信距离和节点剩余能量的第一线性回归模型以及相对时钟偏移关于通信距离和节点剩余能量的第二线性回归模型；
第二时钟补偿模块，用于当出现子节点时钟同步失败时，利用所述第一线性回归模型进行对应子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟频偏的计算，并利用所述第二线性回归模型进行对应子节点及其所寻求同步的父节点的相对时钟偏移的计算，根据计算得到的结果对相应子节点的时钟参数进行补偿。
9.一种无线传感网络微功耗时间同步设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如权利要求1-7任意一项所述的无线传感网络微功耗时间同步方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的无线传感网络微功耗时间同步方法。
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