基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法技术

本发明专利技术涉及一种基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法，属于无线传感器网络技术领域。根据单向消息传播同步方式能够与广播机制同时执行，免时间戳交互同步能够在网络数据流中隐式地获取同步信息，该方法将免时间戳交互同步机制与单向消息传播机制进行联合设计与优化，使时间同步功能与实际无线传感器网络实现无缝融合。本发明专利技术无需专门的同步报文进行同步信息传递，就能实现对时钟频率偏移、相位偏移和固定时延的联合估计，有效降低节点同步通信开销，提高时钟相位偏移估计性能。

【技术实现步骤摘要】
基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法
本专利技术属于无线传感器网络
，涉及一种基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法。
技术介绍
从统计信号处理的角度上看，无线传感器网络中的时间同步问题可以视为是针对时钟频率偏移和时钟相位偏移的参数估计问题。然而，若只关注时钟相位偏移参数的获取，而不对时钟频率偏移进行估计，时钟频率偏移的存在则会再次导致节点时钟出现偏差，且时钟偏差会不断累积，甚至影响传感器网络生命周期。为了维持节点间的同步精度，就必须周期性地进行再同步操作，但频繁的同步过程又会给网络带来较大的能量消耗。另一方面，若只考虑时钟频率偏移参数的估计，而不对时钟相位偏移进行补偿，那么节点时钟之间始终存在一个初始偏移。因此，要实现节点间的时间同步，就必须联合估计时钟频率偏移参数和时钟相位偏移参数，同时对其进行校正。免时间戳交互同步机制由于可以在网络数据流中隐式地获取同步信息，因此近年来备受关注。但现有的基于线性时钟模型的免时间戳交互同步协议只对传感器节点的时钟频率偏移和数据包传递固定时延进行了估计。若要真正实现节点间的时钟同步，还需采用其他方式对节点时钟相位偏移进行补偿。对于单向消息传播同步方法，虽然能够与广播机制并行执行，但由于只进行单向同步报文交互，无法对时钟相位偏移和数据包传递固定时延进行准确区分。本专利技术旨在将免时间戳交互同步机制与单向消息传播机制进行联合优化，专利技术一种能与现有网络协议无缝集成的混合式时钟同步方法，无需专门的额外同步通信开销，就能同时估计出时钟频率偏移、固定时延和时钟相位偏移三个参数，实现节点间的时间同步。
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免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法，使得从节点仅利用与主节点间的网络数据流及广播帧，就能实现相对主节点的时间同步。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法，融合免时间戳交互同步机制与单向消息传播机制，并利用最大似然估计方法估计出时钟频率偏移、时钟相位偏移及固定时延，实现节点间的时钟同步。该方法将时间同步功能集成到现有网络传输中，无需构造专门的数据包来传递同步信息。进一步，所述免时间戳交互同步机制，具体包括以下步骤：S11：在第i个通信周期，从节点S在本地时刻向主节点M发送一个普通数据包，数据包中不含任何时间戳信息；S12：主节点M在成功接收从节点S发来的数据包后，等待一个固定时间间隔Δ再回复一个响应报文，从节点S记录下响应报文到达时刻基于线性时钟模型，计算得到一次数据传输的往返时间间隔为：其中，表示从节点S和主节点M之间的相对时钟频率偏移，δ表示无线信道传输过程中产生的固定时延，为从节点S到主节点M链路中产生的随机时延，为主节点M到从节点S链路中产生的随机时延。进一步，所述单向消息传播机制，具体包括以下步骤：B21：在第j个通信周期，主节点M在本地时刻向从节点S发送一个同步报文，该同步报文包含主节点M的发送时刻B22：从节点S在成功接收后，记录下同步报文到达时刻根据线性时钟模型，节点M与节点S之间的同步消息单向传递过程表示为：其中，φ(SM)表示从节点S和主节点M之间的初始时钟相位偏移，为单向同步消息在链路传输过程中所经历的随机时延。进一步，估计时钟频率偏移、时钟相位偏移及固定时延，具体包括：根据从节点S本地获取的一系列时间戳其中N1表示免时间戳交互执行次数，N2表示单向消息传播执行次数，利用最大似然估计方法，推导出时钟频率偏移估计值时钟相位偏移估计值及固定时延估计值计算公式如下：其中，[X]k表示矢量X中的第k个元素。本专利技术的有益效果在于：本专利技术将免时间戳交互同步机制与单向消息传播机制进行联合优化，由于免时间戳交互容易嵌入到现有网络数据流，而单向消息传播适合在广播机制中实现，因此本专利技术所述方法易于与实际无线传感网相集成，无需额外的通信开销就能实现节点同步。此外，本专利技术能在未知且非零的数据包传递固定时延下，同时估计出时钟频率偏移、时钟相位偏移和固定时延，弥补了免时间戳交互同步机制及单向消息传播机制的不足，并通过对固定时延的有效估计，还可进一步提升时钟相位偏移估计性能。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为本专利技术的混合同步模型示意图；图2为本专利技术实施例的混合时钟同步方法流程图；图3为本专利技术实施例的时钟相位偏移估计性能与CRLB的对比图；图4为本专利技术实施例的时钟频率偏移估计性能与CRLB的对比图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。请参阅图1～图4，图1为本专利技术实施例的混合同步模型示意图，其中左侧虚线方框内为免时间戳交互过程，右侧为单向传递的广播帧或信标帧。如图1左侧虚线方框所示，在第i个通信周期，从节点S首先在其本地时刻向主节点M发送一个普通数据包，数据包中不含任何时间戳信息。主节点M在成功接收从节点S发来的数据包后，等待一个固定时间间隔Δ再回复一个响应报文，从节点S记录下响应报文到达时刻基于线性时钟模型，将从节点S发送数据包及主节点M回复响应报文的通信过程用数学公式表示如下：其中，φ(SM)和分别表示从节点S和主节点M之间的初始时钟相位偏移和频率偏移，δ表示无线信道传输过程中产生的固定时延，为从节点S到主节点M链路中产生的随机时延，为主节点M到从节点S链路中产生的随机时延。将等式(2)减去等式(1)，可得到一次数据传输的往返时间间隔为此外，如图1右侧所示，在第j个通信周期，主节点M在时刻向从节点S发送一个同步报文，该同步报文包含节点M的发送时刻从节点S在成功接收后，记录下同步报文到达时刻节点M与节点S之间的同步消息单向传递过程可表示为其中，为单向同步消息在链路传输过程中所经历的随机时延。将等式(4)两边都乘以得到使得假设在图1所示的混合时钟同步方法中，免时间戳交互和单向消息传播分别执行N1次和N2次。因此，节点S可获得一系列观测值根据这些观测值，可将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法，其特征在于，该方法对免时间戳交互同步机制与单向消息传播机制进行联合优化，将时间同步功能融合到现有网络传输中，并利用最大似然估计方法估计出时钟频率偏移、时钟相位偏移及固定时延，实现节点间的时钟同步。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法，其特征在于，该方法对免时间戳交互同步机制与单向消息传播机制进行联合优化，将时间同步功能融合到现有网络传输中，并利用最大似然估计方法估计出时钟频率偏移、时钟相位偏移及固定时延，实现节点间的时钟同步。


2.根据权利要求1所述的基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法，其特征在于，所述免时间戳交互同步机制，具体包括以下步骤：
S11：在第i个通信周期，从节点S在本地时刻向主节点M发送一个普通数据包，数据包中不含任何时间戳信息；
S12：主节点M在成功接收从节点S发来的数据包后，等待一个固定时间间隔Δ再回复一个响应报文，从节点S记录下响应报文到达时刻基于线性时钟模型，计算得到一次数据传输的往返时间间隔为：



其中，表示从节点S和主节点M之间的相对时钟频率偏移，δ表示无线信道传输过程中产生的固定时延，为从节点S到主节点M链路中产生的随机时延，为主节点M到从节点S链路中产生的随机时延。


3.根据权利要求2所述的基于免时间...

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