基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法面向服从任意分布的有界随机通信时延场景，建立节点间时钟信息和时延的关系模型，充分考虑节点接收到的来自邻居的所有时钟信息，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数，采用序列最小二乘方法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，并利用一致性的时钟同步方法来更新节点的逻辑时钟参数，使得网络中全部节点以完全分布式的方式实现全局时钟的一致。本发明专利技术提高了相对频率偏移估计的精度，有效降低了节点的存储开销，提高了一致性同步算法对通信时延的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法
本专利技术属于无线传感器网络
，涉及一种基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法。
技术介绍
无线传感器网络是一种典型的分布式无线通信网络，由于具备信息采集、数据处理和无线通信等功能，它在环境监测、医疗健康、工业生产以及危险环境等领域有非常重要的理论意义和应用价值。时间同步是无线传感器网络得以有效应用的重要前提，协议运行、TDMA调度、能量管理、目标定位等多种应用都需要在网络中节点时间保持同步的基础上运行。一致性同步协议作为多代理系统协同控制的研究核心，是解决分布式网络协同控制问题的有效方法。将一致性理论引入无线传感器网络时钟同步能提高同步方法的鲁棒性和扩展性，因此，研究基于一致性的时钟同步方法以解决分布式同步问题具有良好的发展前景。在实际的无线传感器网络场景中，时钟同步过程中的随机通信时延通常是无法避免的。针对不同的应用场合，随机通信时延可被建模为高斯分布、指数分布、伽马分布等。在考虑通信时延存在的情况下，早期提出的忽略了时延影响的一致性时钟同步方法不能够有效保证网络节点间同步的收敛性。相对频偏估计在一致性时钟同步方法中起着重要的作用，因其估计值会被直接用于逻辑时钟参数补偿中，进而影响一致性时钟同步算法的同步精度和收敛性能。近年来，部分一致性时钟同步算法通过改进相对频偏估计方法，来抑制通信时延对时钟参数估计以及共识同步的影响，进而有效地解决了时延存在情况下同步无法收敛的问题。但是，这些一致性时钟同步方法有两方面的局限性：一是受限于具体的随机时延分布类型，无法很好地应用到时延多变的实际网络环境中；二是使用的频偏估计方法相对简单，无法充分利用节点所接收到的时钟信息来估计更精确的频偏，时间同步的性能也会受到限制。因此，亟需一种新的能够解决无线传感器网络中一致性时钟同步问题的相对频偏估计方法，使其在任意有界的随机通信时延场景下，具有较低存储需求和较高估计精度。
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序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法，针对存在任意随机通信时延下一致性时间同步无法收敛问题以及频偏估计过程中未充分利用时钟信息的问题，围绕高效实用的数据处理优化方法，考虑同步高精度和节点低存储的需求，采用序列最小二乘方法来估计相对频偏，并应用估计结果到基于一致性的时钟同步方法中进行逻辑时钟参数补偿，有效地保证一致性时间同步方法在时延存在情况下的收敛性能，同时达到适应不同类型时延场景、提高全网时钟同步精度的效果。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法，面向服从任意分布的有界随机通信时延场景，建立节点间时钟信息和时延的关系模型，充分考虑节点接收到的来自邻居的所有时钟信息，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数，采用序列最小二乘方法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，并利用一致性的时钟同步方法来更新节点的逻辑时钟参数，使得网络中全部节点以完全分布式的方式实现全局时钟的一致。该方法具体包括以下步骤：S1：面向服从任意分布的有界随机通信时延场景，建立节点间时钟信息和时延关系模型；S2：根据通信时延关系建立任意一组本地时钟信息的相对关系；S3：根据时钟信息的相对关系，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数；S4：采用序列最小二乘法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，然后利用一致性的时钟同步法来更新节点的逻辑时钟参数，估计出节点间的相对频偏后，周期性重复相对频偏估计以及逻辑时钟参数更新操作，直到整个网络节点的逻辑时钟达到同步的效果。进一步，步骤S1中，建立的节点间时钟信息和时延关系模型，具体包括：假设网络中的任意传感器节点i都以间隔T周期性广播本地时钟以及相关同步时钟信息，其邻居节点j接收并且记录接收时刻自身的本地时钟得到在真实时间刻度下节点间的通信时延关系：其中，表示服从任意分布的、非负的、上界为常数Dd的随机通信时延。进一步，步骤S2中，根据通信时延关系建立任意一组本地时钟信息的相对关系，具体包括：邻居节点j收到n+1个来自节点i的同步时钟信息后，它将获得n+1组本地时钟观测值根据通信时延关系建立任意一组本地时钟信息的相对关系：其中，αij和βij分别表示节点i相对于节点j的相对频率偏移和相对相位偏移，αj表示节点j的本地时钟频率偏移。进一步，步骤S3中，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数，具体包括：根据时钟信息的相对关系，对通信时延项进行处理，降低时延对参数估计和时钟同步的影响，将本地时钟信息的相对关系式中时延部分考虑为一个误差函数：扩展误差函数到所有本地时钟观测，然后应用最小二乘原理来处理误差，得到以下包含时钟参数αij和βij的成本函数J(αij,βij)：通过最小化成本函数来获取相对相位偏移估计和相对频率偏移估计。进一步，步骤S4中，基于最小二乘原理的相对频偏估计为最小化成本函数J(αij,βij)所求得的值，成本函数中包含了所有接收记录的时钟信息，随时间同步过程的进行节点需存储的时钟信息越来越多。对于存储容量受限的传感器节点，它没有足够的内存空间来保存所有时钟信息，在这种场景下采用序列最小二乘法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，降低传感器节点存储开销；具体包括以下步骤：S41：在第一轮同步中，节点j接收并存储两组时钟信息和直接使用标准最小二乘方法来获取第一轮同步过程中的估计值和此外，为了开始时钟参数迭代估计过程，第一轮同步过程中的协方差矩阵被设定为：Σ(1)＝(HT(1)H(1))-1其中，H(1)＝[h(0)h(1)]T，S42：对于第m(m＝2,3,4,...,n)轮同步过程，节点j只需要存储当前轮接收到的时钟信息前一轮计算得到的时钟参数估计值和以及前一轮迭代产生的协方差矩阵Σ(m-1)，然后采用序列最小二乘方法，迭代估计此轮同步过程中的相对时钟频偏和相对时钟相偏；估计更新：增益更新：协方差更新：Σ(m)＝(I2-K(m)hT(m))Σ(m-1)其中，表示第m轮时钟参数估计值，即K(m)表示第m轮的增益矩阵，Σ(m)表示第m轮参数估计的协方差矩阵，I2是二阶单位矩阵。由此可见，在基于序列最小二乘的频率偏移估计方法下，节点仅需存储当前同步轮次的时钟信息和前一轮所获得的估计信息。进一步，步骤S4中，所述的逻辑时钟参数包括：逻辑频偏补偿和逻辑相偏补偿。本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术考虑了服从任意分布类型的有界通信时延，利用节点间的时延关系建立了时钟信息模型，并采用适用于任何分布的序列最小二乘方法对相对频率偏移进行估计，提高了一致性时钟同步对多类型时延的鲁棒性。2)本专利技术采用基于最小二乘原则，直接对所有的时钟信息进行处理，通过每对时钟信息的关系构造出成本函数，通过最小化包含所有时钟信息的成本函数获本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：/nS1：面向服从任意分布的有界随机通信时延场景，建立节点间时钟信息和时延关系模型；/nS2：根据通信时延关系建立任意一组本地时钟信息的相对关系；/nS3：根据时钟信息的相对关系，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数；/nS4：采用序列最小二乘法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，然后利用一致性的时钟同步法来更新节点的逻辑时钟参数，估计出节点间的相对频偏后，周期性重复相对频偏估计以及逻辑时钟参数更新操作，直到整个网络节点的逻辑时钟达到同步的效果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：面向服从任意分布的有界随机通信时延场景，建立节点间时钟信息和时延关系模型；
S2：根据通信时延关系建立任意一组本地时钟信息的相对关系；
S3：根据时钟信息的相对关系，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数；
S4：采用序列最小二乘法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，然后利用一致性的时钟同步法来更新节点的逻辑时钟参数，估计出节点间的相对频偏后，周期性重复相对频偏估计以及逻辑时钟参数更新操作，直到整个网络节点的逻辑时钟达到同步的效果。


2.根据权利要求1所述的一致性时钟同步频率偏移估计方法，其特征在于，步骤S1中，建立的节点间时钟信息和时延关系模型，具体包括：假设网络中的任意传感器节点i都以间隔T周期性广播本地时钟以及相关同步时钟信息，其邻居节点j接收并且记录接收时刻自身的本地时钟得到在真实时间刻度下节点间的通信时延关系：



其中，表示服从任意分布的、非负的、上界为常数Dd的随机通信时延。


3.根据权利要求2所述的一致性时钟同步频率偏移估计方法，其特征在于，步骤S2中，根据通信时延关系建立任意一组本地时钟信息的相对关系，具体包括：邻居节点j收到n+1个来自节点i的同步时钟信息后，它将获得n+1组本地时钟观测值根据通信时延关系建立任意一组本地时钟信息的相对关系：



其中，αij和βij分别表示节点i相对于节点j的相对频率偏移和相对相位偏移，αj表示节点j的本地时钟频率偏移。


4.根据权利要求3所述的一致性时钟同步频率偏移估计方法，其特征在于，步骤S3中，构建时钟参数估计模型和基于最...

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