基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法，属于无线传感网技术领域。在该方法中，待同步节点向参考节点发出数据包，参考节点接收到数据包后，根据数据包序列号映射出相应的定时响应时间，经过该时间间隔后回复确认消息，待同步节点和参考节点之间无需交换时间戳信息，经过多次通信交互之后，待同步节点便可估计出节点时钟之间的相对频率偏移和固定时延。本发明专利技术易于集成到具有时隙机制的工业无线传感网中，无需单独收发专门用于时间同步参数估计的报文，只需较小的计算成本便可实现对时钟频率偏移的长期跟踪，减小通信开销，降低能量消耗；同时，本发明专利技术无需在节点间交互时间戳，提高了时间同步参数估计的安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法
本专利技术属于无线传感器网
，涉及一种适用于工业无线传感网的定时响应时钟频率偏移的估计方法。
技术介绍
无线传感器网由空间分布、廉价、微小的许多传感器节点组成，其计算、存储和能源都有限，节点各自运行在自己独立的时钟上。由于无线传感网络具有部署灵活、成本低廉等特点，在诸多领域已经获得了广泛的应用，如工业领域等。传统的工业网络大多采用有线的连接方式，其部署灵活性，工业过程的智能化控制都受到了一定的限制。正是基于无线传感器网的优势，工业无线传感器网应运而生，无线的微型传感器节点被安装在工业现场的诸多设备上，负责工业环境数据和工业过程数据的采集，大量的传感器节点协同工作，实现了高效、灵活、智能化的工业过程。复杂的工业现场环境导致工业无线传感网对可靠性、实时性、低功耗等方面有较高需求，目前已产生了ISA100.11a等专门用于工业现场的无线传感网标准。时间同步技术是工业无线传感网应用的重要支撑技术，在工业无线传感器网的实际应用中要求不同的节点运行在一个共同的时间尺度上，而时钟频率偏移是造成节点间同步误差的主要因素，因此获取节点时钟的频率偏移参数对工业无线传感网来说具有重要意义。现有的时钟频率偏移估计方法一般需要专门的同步报文，而且需要在传输过程中交互时间戳信息，从而造成较大的同步开销。针对上述问题，本专利技术面向具有时隙机制的工业无线传感网，提出了基于定时响应的相对时钟频率估计方法。通过将频率偏移估计的实施嵌入到普通数据包的发送及确认(ACK)过程中，无需单独传输专门的时间同步报文和时间戳信息便可实现对频率偏移的长期跟踪，并避免了时间戳遭受攻击的可能性，降低了资源受限的工业无线传感网的同步开销，提高了同步安全性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法，该方法不需要专门的数据帧在同步的节点间交互时间戳信息，伴随着网络数据包传输过程节点便可实现对时钟同步频率偏移的长期平滑跟踪，用一种低成本的方式获取到更为准确的时钟频率偏移参数，减少网络中消息的传输量，降低资源受限节点的通信开销，避免了时间戳消息在时间同步交互过程受到攻击的潜在可能性，提高了安全性、可靠性。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法，在无线传感网中无需专用于时钟同步参数估计的通信带宽来传递专用于时间同步的报文，节点间无需时间戳交互。当网络中任意待同步节点S需要与参考节点R实现同步时，节点间利用单向数据包+ACK的通信方式进行双向通信。时间同步算法伴随着发送节点S的数据收发进行，假设在其本地时间时刻，向参考节点R发送一个数据包，参考节点R经过一段时间后接收到该数据包，这段时间主要是受数据包传输过程的固定时延d1和随机时延Xi影响，参考节点R在其本地时间的时刻接收到该消息，在接收到S节点发送的数据包消息后，经过定时响应时间间隔wi后的时刻回复确认消息。这里，该时间间隔根据网络中数据包的不同序列号Seq，采用序列号对i(i≥2)取模的方式，计算出不同数据包对应的定时响应时间间隔，具体地，当序列号Seq％i＝0时，定时w1时间间隔后返回ACK；当序列号Seq％i＝1时，定时w2时间间隔后返回ACK；当序列号Seq％i＝2时，定时w3时间间隔后返回ACK；…；当Seq％i＝i-2时，定时wi-1时间间隔后返回ACK；当Seq％i＝i-1时，定时wi时间间隔后返回ACK，(收发双方都提前知晓相应计算规则，并按该规则执行等待)。时刻，参考节点R回复一个ACK给节点S，节点S记录下收到响应消息的时刻值得注意的是，在此过程中，各发送、接收时刻的时间戳信息没有被携带在交互的数据帧中。重复上述流程，经过N次消息交互以后，发送节点S可以获得一组本地时间戳同样地，节点R可以获得时间戳组结合节点R的不同定时响应时间wi，利用统计信号处理的方法，便可估计出节点间的频率偏移和传输过程中的固定时延。所述时钟频率偏移估计方法具体包括以下步骤：S1：时钟频率偏移的估计伴随着节点的数据包收发进行，假设待同步节点S在其本地时间时刻，向参考节点R发送一个数据包，并记录发送时刻S2：节点R和节点S的晶振具有不同的频率，若fR表示节点R的晶振频率，而fS代表节点S的晶振频率，参考节点R在接收到节点S发送的数据帧时，记录其本地时间受数据包传输过程的固定时延d1和上行随机时延Xi影响，则有其中，表示节点S相对于节点R的时钟频率偏移，表示节点间的初始相位偏移，Xi表示独立同分布的高斯变量，d1表示数据包传输过程的固定时延；节点R在定时响应间隔时间wi后回复一个ACK消息给待同步节点S，同时记录下返回ACK消息的本地时间时间间隔wi的大小取决于节点R每周期接收到的数据包序列号对i取模的具体情况，且i≥2；S3：待同步节点S在接收到参考节点R的响应消息时，记录其本地时间基于ACK数据包长度通常小于网络中数据包长度，而固定时延主要受数据包长度的影响，这里，假设ACK数据包在传输过程的固定时延d2等于数据包传输过程的固定时延d1减去一个常数值m，即d2＝d1-m；同理，受传输过程的固定时延d2和下行链路随机时延Yi影响，则有时间戳关系表达式：其中，Yi是独立同分布的高斯变量；S4：重复上述步骤S1～S3，若取利用矩阵存入时间戳以及节点R的不同定时响应间隔时间wi，则N个周期后，能够估计出时钟同步参数：时钟频率偏移α和数据包传播过程的固定时延d1，公式如下：其中，是时钟频率偏移的估计量，是数据包传输过程的固定时延估计量，Zi＝Xi+Yi服从独立同分布的高斯变量，即Zi:N(0,σ2)。进一步，步骤S2中，所述的时间间隔wi的大小，以节点R每周期接收到的数据包序列号Seq对i取模，且i≥2为例进行说明，相应的规则为：当序列号Seq％i＝0时，返回ACK的定时响应时间间隔为w1；当序列号Seq％i＝1时，返回ACK的定时响应时间间隔为w2；当序列号Seq％i＝2时，返回ACK的定时响应时间间隔为w3；…；当序列号Seq％i＝i-2时，返回ACK的定时响应时间间隔为wi-1；当序列号Seq％i＝i-1时，返回ACK的定时响应时间间隔为wi。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术所述方式是基于普通数据包发送及ACK通信机制，待同步节点在普通数据包的收发过程便可实现对时钟频率偏移、固定时延的估计和长期平滑跟踪，节省了资源受限型的传感器节点的能量，满足无线传感网的低功耗需求。(2)本专利技术所述方法在时钟频率偏移和固定时延的估计过程中，节点间不需要专用于时间同步的报文携带时间戳信息进行交互。事实上，时间戳是时间同步协议中潜在的攻击点，而本专利技术提供的时钟频率偏移估计方法在实现过程中无需传输时间戳，所以提高了网络的安全性。(3)在本专利技术提供的基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法中，以ISA100.11a时隙模板为例进行了说明，对ISA100.11a定义返回ACK的定时响应时间进行了扩展，接收节点根据接收到的数据包的不同序列号，采用建立映射表进行映射、采用序列号取模等策略使得定时响应时间间隔出现两个或两个以上的不同值，计算出不同序列号反馈ACK消息的定时响应时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法，其特征在于，在无线传感网中，当网络中任意待同步节点S需要与参考节点R实现同步时，节点间利用单向数据包+ACK的通信方式进行双向通信，时间同步参数的估计无需依赖交互诸多的时间戳信息，由于无需时间戳交换，因此同步功能能嵌入到现有的数据交互过程中，参考节点R在接收到发送节点S发送的数据包消息后，根据接收到的数据包序列号(Sequence Number，Seq)，采用相应规则，使得定时响应时间间隔出现两个或两个以上的不同值，该方法具体包括以下步骤：S1：时钟频率偏移的估计伴随着节点的数据包收发进行，假设待同步节点S在其本地时间

【技术特征摘要】
1.基于定时响应的工业无线传感网时钟频率偏移估计方法，其特征在于，在无线传感网中，当网络中任意待同步节点S需要与参考节点R实现同步时，节点间利用单向数据包+ACK的通信方式进行双向通信，时间同步参数的估计无需依赖交互诸多的时间戳信息，由于无需时间戳交换，因此同步功能能嵌入到现有的数据交互过程中，参考节点R在接收到发送节点S发送的数据包消息后，根据接收到的数据包序列号(SequenceNumber，Seq)，采用相应规则，使得定时响应时间间隔出现两个或两个以上的不同值，该方法具体包括以下步骤：S1：时钟频率偏移的估计伴随着节点的数据包收发进行，假设待同步节点S在其本地时间时刻，向参考节点R发送一个数据包，并记录发送时刻S2：节点R和节点S的晶振具有不同的频率，若fR表示节点R的晶振频率，而fS代表节点S的晶振频率，参考节点R在接收到节点S发送的数据帧时，记录其本地时间受数据包传输过程的固定时延d1和上行随机时延Xi影响，则有其中，表示节点S相对于节点R的时钟频率偏移，表示节点间的初始相位偏移，Xi表示独立同分布的高斯变量，d1表示数据包传输过程的固定时延；节点R在定时响应间隔时间wi后回复一个ACK消息给待同步节点S，同时记录下返回ACK消息的本地时间时间间隔wi的大小由节点R每周期接收到的数据包序列号与定时响应的相应规则求得；S3：待同...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恒，钟杨，余斐，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50