CN116963261B - 一种基于超宽带无线传感器网络的快速精准时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其为一种超宽带无线传感器网络的时间同步方法，该方法包括以下步骤：步骤一，根据超宽带无线传感器网络的特点部署参考节点和从节点；步骤二，参考节点通过单向多次广播时间同步模型向范围内的从节点发送时间戳信息；步骤三，从节点接收并记录下参考节点以及自身的时间戳信息，通过分析单跳延迟模型，利用最大似然估计对节点进行时钟相偏和时钟频偏估计。本发明通过双向信息交互模型和单向多次广播时间同步模型，解决了超宽带无线传感器网络中时间同步过程同步时间长、累积误差大、能量消耗高等问题，根据不同的应用场景部署参考节点，具有一定的自适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体为一种基于超宽带无线传感器网络的快速精准时间同步方法。
背景技术
随着超宽带无线传感器网络(Ultra-Wideband Wireless Sensor Networks，UWB-WSN)在科学研究和技术开发中得到更深入的探索，其低成本、灵活的组网方式以及强大的适应性特点，满足了工业生产中的智能化和个性化需求。目前，超宽带无线传感器网络已经广泛应用于诸如智能物流、定位融合、高清晰度的机器视觉以及运动控制等多种工业场景。这些应用场景的实现，都离不开时间同步的基础设施，因此在稳态环境下，对于超宽带无线传感器网络来说，实现高精度、低能耗的长时间网络同步是研究的关键方向。
要达成超宽带无线传感器网络中各节点的长时间同步，我们需要同时对时钟频偏和时钟相偏进行估计。只关注时钟频偏，会导致初始的时钟相位偏差始终存在，这就影响了同步的准确性。而只考虑时钟相偏，只能维持短期的同步，因为时钟频率的偏差会导致同步偏差迅速堆积。现在，绝大多数超宽带无线传感器网络时间同步都需要通过节点间交换时间戳信息来实现网络的时间同步。这种同步方法虽然对时钟频偏和时钟相偏进行了联合估计，但同步过程中节点间的交互通信会带来额外的通信和计算开销，这在一定程度上限制了资源有限的超宽带无线传感器网络。因此，在保证超宽带无线传感器网络时间同步精度的基础上，如何降低无线传感器的能耗，仍然是一个值得探讨和挑战的问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于超宽带无线传感器网络的快速精准时间同步方法，解决了上述背景技术中所提出的问题。
(二)技术方案
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种基于超宽带无线传感器网络的快速精准时间同步方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，根据超宽带无线传感器网络的工作特点部署参考节点和从节点；
步骤二，通过双向信息交互模型分析传输时延D带来的误差影响；
步骤三，考节点通过多次单向广播时间同步方法，在一个同步周期开始和结束时以很短的时间向所属范围内的从节点广播N个时间信息包；
步骤四，从节点接收到参考节点发送的信息包并记录下参考节点和自身的N个时间戳信息；
步骤五，从节点根据自己记录下的时间戳信息，计算自己节点与参考节点的时钟频偏和时钟相偏；周期性的进行自身时钟校正。
进一步地，所述步骤二的双向信息交互模型是根据两节点间多次信息交互分析传输时延D，得到一定数量的样本数据，结果表明D在大部分概率下呈现高斯分布。
进一步地，所述步骤三中多次单向广播时间同步方法，参考节点在一个同步周期内以很短的时间广播N个时间信息包，并在周期结束时刻再次广播N个时间信息包。
进一步地，所述步骤五中从节点接收到广播包后，记录下发送和接收的时间戳信息，根据步骤二中的传输时延D和最大似然估计对自身节点进行时钟相偏和时钟频偏的估计，减少了由时钟偏移和传输时延引起的同步误差，降低了无线传感器节点的能耗，使超宽带无线传感器网络的时间同步达到最佳效果。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种基于超宽带无线传感器网络的快速精准时间同步方法，具备以下有益效果：
本发明通过引入双向信息交互模型分析传输时延D，通过多次的双向时间传递得到大量的时延数据，对数据进行分析，分离出固定延迟和高斯噪声，解决了数据包在传输过程中时延D带来误差大的影响。
本发明通过多次单向广播时间同步模型，在一个周期内广播多个时间信息，单向传播缩短了同步过程所需时间，利用最大似然估计对节点进行时钟相偏和时钟频偏估计，减少了由时钟频偏带来的累积误差。
附图说明
图1为本发明流程框图；
图2为本发明无线传感器网络分布示意图；
图3为本发明双向信息交互模型分析传输时延示意图；
图4为本发明多次单向广播时间同步模型。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-4所示，本发明一个实施例提出的一种基于超宽带无线传感器网络的快速精准时间同步方法，包括以下步骤：
步骤一，根据超宽带无线传感器网络的工作特点部署参考节点和从节点；根据超宽带无线传感器定位系统，我们列举16个超宽带无线传感器节点，按照所需定位区域分布在路径两侧，并根据区域划分添加了2个参考节点，具体的分布示意图如图2所示。
步骤二，通过双向信息交互模型对时延D进行预处理，该模型通过两节点互相传递时间戳信息为基础，求出数据包传输时延D；同时增加双向信息交换次数，得到一定数量的样本数据，双向信息交互模型如图3所示。
以第一次双向信息交互为例，节点A在T1时刻向节点B发送时间戳信息，同时节点B在T2时刻接收到时间戳信息，并在T3时刻向节点A回复时间戳信息，节点A在T4时刻接收到来自B的时间戳信息，对双向信息交互进行数据包传输时延的误差分析，可以得到：
其中D是数据包传输时延，是节点B与节点A的相对时钟偏移量，根据上述公式，可以得到数据包传输时延D的值：
D＝[(T2-T1)+(T4-T3)]/2
同时，根据多次的双向时间戳传递，得到一定数量的样本数据。对数据进行分析，实验结果表明D在大部分概率下呈现高斯分布。根据高斯模型将D分为两部分：
D＝Dc+d
其中Dc是确定性延迟，d为可变部分，其中d服从标准正态分布d～(0,0.049)，实验结果表明Dc的平均值为3.3μs，且Dc的最大值为3.6μs。
步骤三，参考节点通过多次单向广播时间同步方法，在一个同步周期开始和结束时时以很短的时间向所属范围内的从节点广播N个时间信息包，参考节点和从节点在两次传播过程都产生N个时间戳，多次单向广播时间同步模型如图4所示。
步骤四，从节点接收到参考节点发送的信息包并记录下发送端和接收端两次N个时间戳信息。从节点根据得到的时间戳信息算出每个从节点的时钟频偏和时钟相偏；具体计算流程如下所示。
{Ts,1[n]}是参考节点第一个周期发送的时间戳集合，{Tr,1[n]}是从节点在第一个周期接收的时间戳集合，为第一个开始和末尾内每次的时间偏差值集合，则有：
u[n]＝Tr,1[n]-Ts,1[n]＝Dc+θu+du[n]
v[n]＝Tr,2[n]-Ts,2[n]＝Dc+θu+θΔ+dv[n]
从公式(10)和(11)可以推出除了两个同步周期内每次的时间偏差为θΔ，这是参考节点与从节点的时钟频偏在U到V过程产生的时钟偏移增量。根据上述两式可以推出为：
根据节点的时钟模型，我们可以推出节点的时钟频偏为：
当Tr,2[n]-Tr,1[n]趋近于T时，时钟频偏的误差完全来自于定义P：因为d～N(μ,σ2)，则/>的概率分布函数为：
则L(P；θΔ,α,σ2)(θΔ,α,σ2)的似然函数为：
对似然函数求导得：
因此的最大似然函数估计为：
则对于高斯延迟模型的最大似然估计为
上述模型通过多次单向广播时间同步，对一个周期内得到的多个时间戳进行分析，通过引入最大似然估计，得到较为精准的时钟频偏
时钟相偏的估计较为简单，很多基于泛洪的算法中根据两节点的时间戳相减计算得到，在多次单向广播时间同步中，根据最小误差原则可以得到似然估计下的时钟相偏：
由双向信息传递模型误差分析可知，这种时钟相偏算法的误差为去掉每次时间戳传递的固定误差，可以得到去掉信息包传递时延后的时钟相偏：
其中为上述提到的3.3μs，上述模型通过两次周期内多个时间戳的同步误差计算，引入最大似然估计和信息包传递时延，求出时钟相偏/>
步骤五，从节点根据时间戳信息计算得到的时钟频偏和时钟相偏，对自身的时钟信息校正；减少了由时钟频偏带来的累计误差和传输时延带来的同步误差。
本发明基于对超宽带无线传感器网络的分布特征以及当前时间同步算法中存在的问题进行深入分析，成功提出了一种专为超宽带无线传感器网络设计的精确时间同步算法。这种新颖的同步算法，它的出现对于进一步提高超宽带无线传感器网络的性能具有重要价值。
核心的创新点在于，这种算法采用了双向信息交换模型对网络中的通信时延进行处理，以解决了由单向数据包传递时延带来的误差影响，这是一个显著的进步，因为在以往的模型中，这种时延误差常常被忽视，但实际上，这种误差在累积之后可能会对整个网络的时间同步产生不可忽视的影响。
此外，该算法还设计了一种多次单向广播时间同步模型，这是另一项关键的创新。通过运用最大似然估计，我们可以对每个节点进行时钟相偏和时钟频偏的精确估计。这个步骤对于减少由时钟频偏引起的累积误差起到了至关重要的作用。这种设计改进，使得该算法可以有效地抵抗在通信过程中出现的各种不可预测因素，进一步提高了超宽带无线传感器网络的稳定性和可靠性。
总的来说，我们提出的这种新颖的超宽带无线传感器网络精准时间同步算法，凭借其创新的双向信息交互模型和多次单向广播时间同步模型，能够有效地降低时延误差和累积误差，从而提高超宽带无线传感器网络的性能和可靠性。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于超宽带无线传感器网络的快速精准时间同步方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一，根据超宽带无线传感器网络的工作特点部署参考节点和从节点；
步骤二，通过双向信息交互模型分析传输时延带来的误差影响；
所述步骤二的双向信息交互模型是根据两节点间多次信息交互分析传输时延，得到一定数量的样本数据，结果表明/>呈现高斯分布；
步骤三，参考节点通过多次单向广播时间同步方法，在一个同步周期开始和结束时以很短的时间向所属范围内的从节点广播个时间信息包；
所述步骤三中多次单向广播时间同步方法，参考节点在一个同步周期开始时刻以很短的时间广播个时间信息包，并在周期结束时刻再次广播/>个时间信息包；
步骤四，从节点接收到参考节点发送的信息包并记录下参考节点和自身的个时间戳信息；
步骤五，从节点根据记录下的时间戳信息，计算自身节点与参考节点的时钟频偏和时钟相偏；周期性的进行时钟校正；所述步骤五中从节点接收到广播包后，记录下发送和接收的时间戳信息，根据步骤二中的传输时延和最大似然估计对自身节点进行时钟相偏和时钟频偏的估计；其中，通过多次单向广播时间同步，对一个同步周期内得到的多个时间戳进行分析，通过引入最大似然估计得到精准的时钟频偏；时钟相偏为/>，其中/>表示同步周期开始时刻每次广播的时间偏差值集合，/>表示信息包传递时延，其值为/>。
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