一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法技术

本发明专利技术公开了一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法，主要针对传统无线传感器网络RBS时间同步算法，在一个同步周期内，将参考节点发送的同步广播信令储存，每n个信令到达时间信息合并一次与传感器同步时间点，本发明专利技术在两个同步周期之间设定静默间隔周期，在此周期内不进行时间同步操作，以此达到将更多能量分配给性能差的传感器的目的。

Time synchronization method for wireless sensor based on Game Theory

The invention discloses a time synchronization method of wireless sensor based on game theory, mainly for traditional RBS wireless sensor network time synchronization algorithm in a periodic synchronization, synchronous broadcast signaling reference node storage, every n signaling the arrival time information and time synchronization and time point, the invention set the silent interval between the two synchronization cycle, without time synchronization in this period, in order to achieve more energy allocated to the poor performance of the sensor.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络、UWB超宽带及博弈协商决策策略领域，具体涉及一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法。
技术介绍
随着微型机械电子系统，数字电子系统，无线通信技术，和分布式系统及多媒体信息处理技术的飞速进展，无线传感器技术在许多应用场景得到了广泛地推广，这些传感器具有多功能，低能耗，低成本等特点，能够承担传感，处理及无线通信等功能模块。无线传感器网络由部署在一定范围内的无线传感器节点组成，其目的是协作完成对某些物理量的感知和采集、处理并汇总。由于其高度灵活性，最早由美国军方提出对WSN的理论及应用进行研究，并由军事领域拓展至民用领域，如工业机械，人体健康监测，家庭电器控制，生物化学监测等等。因为其广泛的应用前景，业界已将其视为未来通信的基本构架之一。做为无线传感器网络的骨干支撑技术，时间同步对多节点间的数据整合，链路层协议设计，测距定位等有着至关重要的意义。目前，绝大部分无线传感器节点因为受成本及能耗等因素制约，只能采用低廉的晶体振荡器作为其自身的时钟计时设备。不同厂家在晶振器制作工艺上的差别，以及晶振器本身振荡频率受温度，电压，老化程度等的影响，使得晶振器在使用过程中或多或少产生频率漂移，从而导致时间的不一致。时间同步技术可有效降低这种误差，确保网络中时间框架的稳定性，保证网络各项功能的质量。目前，时间同步技术已经发展出相当多的时间同步算法，这些算法的侧重方向主要针对两个方面：第一是针对不同模型，运用多种估计方法，提高同步的精度；第二是利用不同的信息交换机制，降低能耗的要求。在时间同步技术中，精度与能耗是两个难以兼顾的要素，提高精度往往意味着消耗更多资源，为了降低能量的耗费，往往又会带来精度的限制。针对现有时间同步算法，业界提出多种划分方式，常见的如基于发射接收机制的分类。第一种为接收机——发射机同步，以DMTS(DelayMeasurementTimeSynchronization)为代表；第二种为接收机——接收机同步，典型算法如RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)；第三种为成双同对同步TPSN(Time-syncProtocolforSensorNetworks)即为此类型算法。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法。本专利技术采用如下技术方案：一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法，包括如下步骤：步骤1随机挑选参考节点，开始第T个同步周期；步骤2参考节点等间隔广播同步信令；步骤3同步节点收到广播信令，记录到达时间Ti,k，并记录广播数K；步骤4当K≤X时，执行现有RSB算法操作即交换时间点Ti,k，返回步骤2，否则进行步骤5；步骤5如果X+(T-1)*n<K<X+T*n，T＝1,2,3……记录信令到达时间并储存，但不交换时间点信息，返回步骤2；步骤6如果K＝X+T*n，记录第k个信令到达时间并储存，执行现有RSB算法，即交换第X+(T-1)*n至X+T*n个广播信令到达时间点，返回步骤2；步骤7如果广播是第T个同步周期的最后一个广播，则与同步传感器交换时间点，进入下一个步骤；步骤8根据设定的精度要求，计算传感器对之间的静默间隔期，并设定静默间隔期时间，时间结束，则返回步骤1，进行第T+1个同步周期。X取值5，n的取值为5。所述静默间隔期具体为：其中Ti,j表示节点i、j之间的静默间隔期，假设WSN中有四个传感器节点需要执行同步操作，则执行以上操作一个同步周期结束后，两节点间时钟漂移值offseti,j，时钟抖动值skewi,j。采用UWB技术确定两节点间时钟漂移值offseti,j，时钟抖动值skewi,j。本专利技术的有益效果：(1)利用了UWB技术来产生同步脉冲信号，在时延模型满足高斯分布的假设下，时钟漂移精度可达1μs级别，好于现有技术中的29μs精度级别；(2)本专利技术利用UWB技术特点，在确保时钟漂移稳定性的前提下，将相邻的广播信令到达时间信息合并存储，并在一个数据包中统一进行发送，相较于原算法机制，有效减少了每个同步周期发送的数据包数；(3)本专利技术利用时钟抖动估计值，判断节点之间的时钟性能，进行决策，将能量资源向性能较差节点倾斜，减少性能较好节点之间的能量耗费，相较于全网络无差别同步机制，有效降低了全网络的平均能耗。附图说明图1为本专利技术一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法的流程图；图2为本专利技术的时间误差示意图；图3为现有技术中RBS算法时钟示意图模型；图4为本专利技术时钟示意图模型；图5为本专利技术时钟漂移仿真图；图6为时钟抖动仿真图。图7为本专利技术不同性能传感器节点之间消耗数据包仿真图；图8为本专利技术原算法与本专利技术平均消耗数据包仿真图。具体实施方式下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例如图1-图8所示，一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法，包括如下步骤：步骤1随机挑选参考节点，开始第T个同步周期，T的取值为1、2、3……；步骤2参考节点等间隔广播同步信令；步骤3同步节点收到广播信令，记录到达时间Ti,k，并记录广播数K；步骤4当K≤X时，执行现有RSB算法操作即交换时间点Ti,k，返回步骤2，否则进行步骤5；本实施例中X取5。步骤5如果X+(T-1)*n<K<X+T*n，T＝1,2,3……记录信令到达时间并储存，但不交换时间点信息，返回步骤2，本实施例中n取值为5；步骤6如果K＝X+T*n，记录第k个信令到达时间并储存，执行现有RSB算法，即交换第X+(T-1)*n至X+T*n个广播信令到达时间点，返回步骤2；步骤7如果广播是第T个同步周期的最后一个广播，则与同步传感器交换时间点，进入下一个步骤，本实施例中一个同步周期有50个广播；步骤8根据设定的精度要求，计算传感器对之间的静默间隔期，不同的传感器同步对之间的静默间隔差异化设置，对时钟抖动较大的传感器同步对，采用缩短间隔期以增加同步的频率，时钟抖动较小的传感器同步对之间，则减少同步的频率，以此达到将更多能量分配给性能差的传感器的目的。并设定静默间隔期时间，时间结束，则返回步骤1，进行第T+1个同步周期。在原RBS算法中，如图3，参考节点发送同步广播信令，该信令中不包含具体时间戳信息，仅作为一个参考信息，本专利技术中继续采用该机制，需进行同步的传感器节点收到该信令后，根据其本地时钟，记录信令到达时间点信息，与另一个需进行同步的传感器节点交换该信息，在理想系统假设下，利用最小线性回归方法，便可估计得时钟漂移：其中m为广播信令数，Tj,k为节点j收到第k个信令的时间如系统存在时钟频率抖动，需考虑未知时间延迟的影响，假设网络中有两个传感器A,B需执行时间同步操作，参考节点P发射广播信令。对传感器A,B，其收到第i个信令的时间点分别为：其差值为结合费雪矩阵及最小方差估计方法，可求得时钟漂移及时钟抖动的估计式：同时，也可获得其克拉美罗下限(CRLB)：结合UWB技术，使用超短脉冲作为信号，在原算法基础上，采用合并信令到达时间信息，延后发送的方式。在同步周期开始阶段，仍采用原RBS算法机制，在传感器节点获得一定数量时间戳信息后(此处选取前5个信令时间到达信息)，开始将信令到达的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1随机挑选参考节点，开始第T个同步周期；步骤2参考节点等间隔广播同步信令；步骤3同步节点收到广播信令，记录到达时间Ti,k，并记录广播数K；步骤4当K≤X时，执行现有RSB算法操作即交换时间点Ti,k，返回步骤2，否则进行步骤5；步骤5如果X+(T‑1)*n<K<X+T*n，T＝1,2,3……记录信令到达时间并储存，但不交换时间点信息，返回步骤2；步骤6如果K＝X+T*n，记录第k个信令到达时间并储存，执行现有RSB算法，即交换第X+(T‑1)*n至X+T*n个广播信令到达时间点，返回步骤2；步骤7如果广播是第T个同步周期的最后一个广播，则与同步传感器交换时间点，进入下一个步骤；步骤8根据设定的精度要求，计算传感器对之间的静默间隔期，并设定静默间隔期时间，时间结束，则返回步骤1，进行第T+1个同步周期。

【技术特征摘要】
1.一种基于博弈论的无线传感器时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1随机挑选参考节点，开始第T个同步周期；步骤2参考节点等间隔广播同步信令；步骤3同步节点收到广播信令，记录到达时间Ti,k，并记录广播数K；步骤4当K≤X时，执行现有RSB算法操作即交换时间点Ti,k，返回步骤2，否则进行步骤5；步骤5如果X+(T-1)*n<K<X+T*n，T＝1,2,3……记录信令到达时间并储存，但不交换时间点信息，返回步骤2；步骤6如果K＝X+T*n，记录第k个信令到达时间并储存，执行现有RSB算法，即交换第X+(T-1)*n至X+T*n个广播信令到达时间点，返回步骤2；步骤7如果广播是第T个同步周期的最后一个广播，则与同步传感器交换时间点，进入下一个步骤；步骤8根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一歌，符哲，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44