一种具有高度鲁棒性的自适应时钟同步方法技术

本发明专利技术属于信号处理领域，针对现有卡尔曼估计时钟同步方法存在的缺陷提供一种具有高度鲁棒性的自适应时钟同步方法。本发明专利技术首先建立无线传感器网络的拓扑模型，将网络节点分作多个层级，后续的时钟同步方法只在相邻层级间进行，通过逐级同步从而最终达到全局时钟同步；然后，建立网络节点的时钟模型以及节点间的传输模型；最后，采用H∞估计滤波器对相邻层级的节点对进行相对时钟参数的估计，达到相邻层级的时钟同步，进而达到全局时钟同步。本发明专利技术H∞估计具有很强的鲁棒性；同时H∞时钟同步方法中，不需要时钟模型的噪声以及传输延时自相关矩阵等先验信息。

【技术实现步骤摘要】
一种具有高度鲁棒性的自适应时钟同步方法
本专利技术属于信号处理领域，涉及基于信号处理方法实现时钟同步的方法，具体为一种具有高度鲁棒性的自适应时钟同步方法。
技术介绍
时钟同步技术是无线传感器网络的重要组成部分，为网络中节点的本地时钟提供一个统一的时间尺度。由于所有的硬件时钟都是不完美的，所以传感器节点的本地时钟彼此间存在一定偏差。对于需要协同工作的传感器节点来说，统一的时间尺度是必要的。此外，传感器网络的一些特殊应用，如传感器节点的数据融合，休眠唤醒节能机制，基于TDMA调度机制的MAC协议以及移动节点的定位等，对网络中时钟的同步都提出了新的需求。从网络拓扑结构的角度来分类，无线传感器网络中的时钟同步技术可以分为单跳网络时钟同步与多跳网络时钟同步。目前，单跳同步技术的研究已经趋于成熟，时钟同步精度已经能满足大部分应用场合的要求，而关于多跳同步技术的研究则要相对薄弱，具体困难表现在过大的同步开销和随着跳数的增加而造成的累积误差。另一方面，从时钟参数的估计方式来划分，时钟同步技术可以分为两类；一类是通过假设节点间传输延时的概率密度分布(如高斯分布，指数分布等)，然后利用极大似然估计、贝叶斯估计等参数估计的方法来实现时钟参数的估计；另一类则是通过引入信号处理方法来进行时钟参数的估计，此类方法不用事先假设延时的概率分布，能适应不同的传输环境，如文献《Trackinglow-precisionclockswithtime-varyingdriftsusingkalmanfiltering》(IEEE/ACMTransactionsOnNetworking,Vol.20,No.1,2012,HayangKim,XiaoliMa,BenjaminRussellHamilton)就属此类方法。该文献中将卡尔曼滤波算法引入了时钟同步中来估计不同节点间的相对时钟参数，具有收敛速度快、精度高的优点；此外，由于此方法能同时估计时钟漂移和时钟抖动，使得时钟同步操作的周期大大延长，降低了时钟同步的资源消耗。然而，受限于卡尔曼滤波本身固有的局限，如卡尔曼算法要求时钟模型与延时噪声的自相关矩阵已知，这使得一旦时钟模型或者延时模型发生变化，卡尔曼估计算法的表现会出现恶化，甚至会出现发散的情况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对
技术介绍
中的卡尔曼估计时钟同步方法存在的缺陷提出了一种具有高度鲁棒的自适应时钟同步方法。本专利技术首先建立无线传感器网络的拓扑模型，将网络节点分作多个层级，后续的时钟同步方法只在相邻层级间进行，通过逐级同步从而最终达到全局时钟同步；然后，建立网络节点的时钟模型以及节点间的传输模型；最后，采用H∞估计滤波器对相邻层级的节点对进行相对时钟参数的估计，达到相邻层级的时钟同步，进而达到全局时钟同步。本专利技术的技术方案为：一种具有高度鲁棒性的自适应时钟同步方法因此，包括以下步骤：步骤1：建立无线传感器网络的层级拓扑模型，将传感器网络依次分为层级1,2,…,N；其中，层级1仅包含一个节点、即作为参考节点，相邻层级间进行逐级时钟同步；步骤2：建立网络节点的时钟模型，设网络中的节点i以周期τ0对其晶振所产生的模拟时钟ci(t)进行采样，则得到离散时钟ci(l)：ci(l)＝lτ0+θi(l-1)+[βi(l)-1]τ0，其中，为时变时钟漂移，ξi为常数、表示节点晶振的归一化频率，B'(l)为标准维纳过程，pi为描述晶振相位噪声的一个参数，通过晶振的RMS周期抖动JPER与中心频率f0计算得到：为时变时钟偏移，为初始时钟偏差；定义时钟信息向量xi(l)＝[βi(l)θi(l)]T，则得到节点i的时钟的演化模型：其中，设定每Δ个时钟周期进行一次时钟同步，则lk＝Δk，得到时钟模型方程：xi(lk)＝Axi(lk-1)+wi(lk)+b，其中，wi(lk)理解为是时钟模型的过程噪声，其为零均值的，且其自相关矩阵为：步骤3：建立节点间的传输模型，采用发送者-接收者传输方式，设定节点i将时钟同步于节点h；首先在时刻t，节点i发送一条时间戳消息给节点h，并记录下发送时刻T1,t；节点h接受到该消息并记录下接受时刻T2,t，然后在T3,t时刻对节点i发送一条包含有T2,t和T3,t信息的时间戳消息；节点i接收到该消息并记录下接收时刻T4,t；得到节点i的时间戳信息表示为{T1,t,T2,t,T3,t,T4,t}，以上时间戳交换过程表示为:T2,t-θh(t)＝T1,t-θi(t)+di,h+Xt，T3,t-θh(t)＝T4,t-θi(t)-di,h-Yt，其中，di,h表示节点i与节点h间的传输延时中的固定延时部分，Xt与Yt表示传输延时中的随机部分；设并设对t采样得到离散观测方程:Zl＝[0-2][xi(l)-xh(l)]+Vl；步骤4：进行相邻层级间的点对点时钟同步，将网络中节点标识为Sm,n，其中m∈{1,…,N}表示节点所属的层级，n表示该节点在其所在层级中的编号，根据时钟模型方程和时钟观测方程得节点与节点间的相对时钟模型及观测模型方程组:其中，C＝[0-2]；设过程噪声w(lk)的自相关矩阵为Q，则当m＝1时Q＝Q1，当m≠1时Q＝2Q1；采用H∞估计器对向量x(lk)进行迭代估计，设置初始值与P0以及鲁棒系数在迭代过程j＝0,1,2,…中始终满足H∞估计器的存在条件：其中，I2表示2阶单位矩阵，'＞0'表示矩阵正定，且其中，计算相对时钟信息向量x的估计为：其中，本专利技术提供一种具有高度鲁棒性的自适应时钟同步方法，首先建立无线传感器网络的拓扑模型，然后建立网络节点的时钟模型以及节点间的传输模型；最后采用H∞估计滤波器对相邻层级的节点对进行相对时钟参数的估计，达到相邻层级的时钟同步，进而达到全局时钟同步。本专利技术中H∞估计算法是通过最小化目标误差函数的H∞范数得到的，使得H∞估计具有很强的鲁棒性；在多跳网络中，误差累积对高鲁棒性的H∞时钟同步方法所带来的影响极小；同时高鲁棒性的H∞时钟同步方法中，不需要卡尔曼时钟同步方法中必要的时钟模型的噪声以及传输延时自相关矩阵等先验信息。附图说明图1为本专利技术中相邻网络节点间H∞估计器的工作流程示意图。图2为实施例中层级式无线传感器网络布局的示例图。图3为本专利技术提供H∞时钟同步算法与卡尔曼算法在高斯白噪声条件下的比较图。图4为本专利技术提供H∞时钟同步算法与卡尔曼算法在高斯色噪声条件下的比较图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术提供一种具有高度鲁棒性的自适应时钟同步方法，首先建立无线传感器网络的拓扑模型，将网络节点分作多个层级，后续的时钟同步算法只在相邻层级间进行，通过逐级同步从而最终达到全局时钟同步；然后，建立网络节点的时钟模型以及节点间的传输模型；最后，采用H∞估计滤波器对相邻层级的节点对进行相对时钟参数的估计，达到相邻层级的时钟同步，进而达到全局时钟同步。其详细推到步骤为：步骤1：建立无线传感器网路偶的层级拓扑模型，将传感器网络依次分为层级1,2,…,N。其中层级1只有一个节点(即参考节点)，将网络中的节点标识为Sm,n，其中m∈{1,…,N}表示节点所属的层级，n表示该节点在其所在层级中的编号；层级m+1中的节点同步于它所相邻的上一层级m中的某一节点。步骤2：建立网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高度鲁棒性的自适应时钟同步方法，包括以下步骤：步骤1：建立无线传感器网络的层级拓扑模型，将传感器网络依次分为层级1,2,…,N；其中，层级1仅包含一个节点、即作为参考节点，相邻层级间进行逐级时钟同步；步骤2：建立网络节点的时钟模型，设网络中的节点i以周期τ0对其晶振所产生的模拟时钟ci(t)进行采样，则得到离散时钟ci(l)：ci(l)＝lτ0+θi(l‑1)+[βi(l)‑1]τ0，其中，为时变时钟漂移，ξi为常数、表示节点晶振的归一化频率，B(l)为标准维纳过程，pi为描述晶振相位噪声的一个参数，通过晶振的RMS周期抖动JPER与中心频率f0计算得到：为时变时钟偏移，为初始时钟偏差；定义时钟信息向量xi(l)＝[βi(l) θi(l)]T，则得到节点i的时钟的演化模型：xi(l)=10τ01xi(l-1)+ui(l)τ0ui(l)+0-τ0,]]>其中，ui(l)=pi[B′(l)-B′(l-1)];]]>设定每Δ个时钟周期进行一次时钟同步，则lk＝Δk，得到时钟模型方程：xi(lk)＝Axi(lk‑1)+wi(lk)+b，其中，A=10Δτ01,wi(lk)pi[B′(lk)-B′(lk-1)]Σ∂=lk-1+1lk(lk-∂+1)τ0ui(∂),b=0-Δτ0;]]>wi(lk)理解为是时钟模型的过程噪声，其为零均值的，且其自相关矩阵为：Q1=E{wi(lk)wiT(lk)}=2pi1Δ+12τ0Δ+12τ0Δ(Δ+1)2τ02;]]>步骤3：建立节点间的传输模型，采用发送者‑接收者传输方式，设定节点i将时钟同步于节点h；首先在时刻t，节点i发送一条时间戳消息给节点h，并记录下发送时刻T1,t；节点h接受到该消息并记录下接受时刻T2,t，然后在T3,t时刻对节点i发送一条包含有T2,t和T3,t信息的时间戳消息；节点i接收到该消息并记录下接收时刻T4,t；得到节点i的时间戳信息表示为{T1,t,T2,t,T3,t,T4,t}，以上时间戳交换过程表示为:T2,t‑θh(t)＝T1,t‑θi(t)+di,h+Xt，T3,t‑θh(t)＝T4,t‑θi(t)‑di,h‑Yt，其中，di,h表示节点i与节点h间的传输延时中的固定延时部分，Xt与Yt表示传输延时中的随机部分；设并设Vt=ΔXt-Yt,Zt=Δ(T2,t+T3,t)-(T1,t+T4,t),]]>对t采样得到离散观测方程:Zl=0-2[xi(l)-xh(l)]+V;]]>步骤4：进行相邻层级间的点对点时钟同步，将网络中节点标识为Sm,n，其中m∈{1,…,N}表示节点所属的层级，n表示该节点在其所在层级中的编号，根据时钟模型方程和时钟观测方程得节点与节点间的相对时钟模型及观测模型方程组:x(lk)=Ax(lk-1)+w(lk)Zlk=Cx(lk)+Vlk,]]>其中，x(lk)=xm+1,n2(lk)-xm,n1(lk),w(lk)=wm+1,n2(lk)-wm,n1(lk),]]>C＝[0 ‑2]；设过程噪声w(lk)的自相关矩阵为Q，则当m＝1时Q＝Q1，当m≠1时Q＝2Q1；采用H∞估计器对向量x(lk)进行迭代估计，设置初始值与P0以及鲁棒系数在迭代过程j＝0,1,2,…中始终满足H∞估计器的存在条件：Pj-1+CTC-γf2I2>0,]]>其中，I2表示2阶单位矩阵，'＞0'表示矩阵正定，且Pj+1=APjAT+QQT-APjCTI2TRj-1CI2PjAT]]>其中，Rj=100-γf2I2+CI2PjCTI2T;]]>计算相对时钟信息向量x的估计为：x^j+1=Ax^j+Kj(Zj+1-CAx^j)]]>其中，Kj=Pj+1CT(1+CPj+1CT).]]>...

【技术特征摘要】
1.一种具有高度鲁棒性的自适应时钟同步方法，包括以下步骤：步骤1：建立无线传感器网络的层级拓扑模型，将传感器网络依次分为层级1,2,···,N；其中，层级1仅包含一个节点、即作为参考节点，相邻层级间进行逐级时钟同步；步骤2：建立网络节点的时钟模型，设网络中的节点i以周期τ0对其晶振所产生的模拟时钟ci(t)进行采样，则得到离散时钟ci(l)：ci(l)＝lτ0+θi(l-1)+[βi(l)-1]τ0，其中，为时变时钟漂移，ξi为常数、表示节点晶振的归一化频率，B'(l)为标准维纳过程，pi为描述晶振相位噪声的一个参数，通过晶振的RMS周期抖动JPER与中心频率f0计算得到：为时变时钟偏移，为初始时钟偏差；定义时钟信息向量xi(l)＝[βi(l)θi(l)]T，则得到节点i的时钟的演化模型：其中，设定每Δ个时钟周期进行一次时钟同步，则lk＝Δk，得到时钟模型方程：xi(lk)＝Axi(lk-1)+wi(lk)+b，其中，wi(lk)理解为是时钟模型的过程噪声，其为零均值的，且其自相关矩阵为：步骤3：建立节点间的传输模型，采用发送者-接收者传输方式，设定节点i将时钟同步于节点h；首先在时刻t，节点i发送一条时间戳消息给节点h，并记录下发送时刻T1,t；节点h接受到该消息并记录下接...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏威，朱凌峰，刘威，汪子峰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51