基于事件触发和低通滤波的平均一致性同步方法技术

本发明专利技术涉及一种基于事件触发和低通滤波的平均一致性同步方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法基于事件触发的节点交互机制，在有效保证时钟同步误差收敛的前提下，通过评估当前和最后一次发送的逻辑时钟参数补偿值之间的误差，以指数函数和常数函数作为触发条件，使节点仅在满足此触发条件时进行时钟信息的广播，并利用低通滤波器抑制通信时延引起的时钟信息累计误差的影响，采用平均一致性补偿算法实现网络时钟的全局一致。本发明专利技术考虑了无线传感器网络中通信时延的影响，利用简单的低通滤波器获得高精度的相对频偏估计量，在降低通信开销的同时有效提高了时钟同步精度。通信开销的同时有效提高了时钟同步精度。通信开销的同时有效提高了时钟同步精度。

【技术实现步骤摘要】
基于事件触发和低通滤波的平均一致性同步方法


[0001]本专利技术属于无线传感器网络
，涉及一种基于事件触发和低通滤波的平均一致性同步方法。

技术介绍

[0002]时钟同步技术是传感器节点通过协同工作完成分布式任务的基础，它为本地传感器节点提供了一个共同的虚拟参考时钟。然而，受制造工艺的差异、振荡器的不完善以及环境因素的影响，每个传感器节点拥有的时钟偏差会随着时间的推移而漂移，导致每个传感器节点的本地时钟不同。因此，时钟同步的研究对工业无线传感器网络的应用和发展具有重要的意义。分布式时钟同步算法因其对不可靠通信链路的鲁棒性、对动态网络拓扑的适应性和简单可实现的优势得到了广泛研究。近年来，多代理系统中一致性算法的发展，为时钟同步问题提供了新的解决方案。基于一致性的时钟同步不仅具有分布式同步算法的优势，而且能达到全网高精度同步。
[0003]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无法避免。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，早期未考虑时延影响的一致性时钟同步方法无法实现全网时钟同步。因此，有必要探索有效的算法来应对延迟的不利影响。对于一致性同步算法而言，设计有效的相对频偏估计器是抵消通信时延不利影响的有效途径。这是因为估计值会被直接用于逻辑时钟参数补偿，进而影响一致性时钟同步算法的同步精度和收敛性能。所以，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，有效地解决了时延存在情况下同步误差无法收敛的问题。例如，LSTS、MLTS、SSTS和BTS。然而，上述基于共识的时钟同步方案采用时间触发机制，节点每进行一次时钟补偿参数的更新就需要广播相应的时钟信息。因此，全网同步的实现需要较大的通信开销，这是通信资源和能量有限的无线传感器网络负担不起的。
[0004]因此，亟需一种能够在有效降低通信开销的同时实现时延下全局时钟一致的时钟同步方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于事件触发和低通滤波的平均一致性同步方法。针对通信时延存在时一致性时钟同步机制无法有效实现同步的问题以及现有一致性时钟同步算法通信开销较大的问题，基于事件触发的节点交互策略，采用低通滤波器来估计相对频偏，并结合一致性方法更新节点的逻辑时钟参数，有效地保证一致性时钟同步方法在时延存在情况下的收敛性，同时达到提高全网时钟同步精度的效果。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于事件触发和低通滤波的平均一致性同步方法，基于事件触发的节点交互机制，在有效保证时钟同步误差收敛的前提下，通过评估当前和最后一次发送的逻辑时钟
参数补偿值之间的误差，以指数函数和常数函数作为触发条件，使节点仅在满足此触发条件时进行时钟信息的广播，并利用低通滤波器抑制通信时延引起的时钟信息累计误差的影响，采用平均一致性补偿算法实现网络时钟的全局一致。其中，利用低通滤波器抑制通信时延引起的时钟信息累计误差的影响，采用平均一致性补偿算法实现网络时钟的全局一致，具体是：采用低通滤波器来估计节点间的相对频偏，并将相对频偏估计量用于一致性补偿算法中来更新节点的逻辑时钟参数，使得整个网络节点以完全分布式的方式实现逻辑时钟的一致。
[0008]进一步，该方法具体包括以下步骤：
[0009]S1：初始化相对频偏估计值、逻辑频偏补偿值和逻辑相偏补偿值，为网络设置更新周期，并在节点的每个更新周期满足时，判断当前的触发条件是否满足，满足时向邻居节点进行数据包的广播，并记录下广播的时钟参数；
[0010]S2：当节点接收到数据包时，根据低通滤波器获得相对频偏估计量，并采用基于一致性的补偿方法更新节点的逻辑时钟参数，包括逻辑频偏补偿和逻辑相偏补偿，周期性重复上述步骤，直到整个网络节点的逻辑时钟达到同步。
[0011]进一步，步骤S1具体包括以下步骤：
[0012]S11：为网络设置一个更新周期T，对于网络中的节点i，将更新次数设为k，并与逻辑频偏补偿值逻辑相偏补偿值以及相对频偏估计值分别初始化为k＝1、并记录当前节点i的硬件时钟读数其中为此时的真实物理时间；
[0013]S12：当k＝1或k＞2且节点i的硬件时钟值满足时，将当前更新的逻辑频偏补偿值逻辑相偏补偿值和最后一次广播给邻居节点的逻辑频偏补偿值逻辑相偏补偿值代入触发方程：
[0014][0015]其中，ρ
α
和ρ
β
代表触发方程中的权衡参数；
[0016]S13：若上述触发条件满足，则节点i将和分别更新为和并将更新后的逻辑时钟补偿参数和硬件时钟值广播给邻居节点j。
[0017]进一步，步骤S2具体包括以下步骤：当节点j在绝对时间接收到邻居节点i发送的数据包后，立即记录其本地时钟值并将接收的数据包序列号设为l，此时节点j获得时钟信息对根据低通滤波器计算相对频偏估计量表达式为：
[0018][0019]其中，ρ
n
是调节参数。
[0020]本专利技术的有益效果在于：
[0021]1)本专利技术与现有的基于事件触发的平均一致性时钟同步方法相比，考虑了无线传感器网络中通信时延的影响，利用低通滤波器进行相对频偏估计以对抗时延，获得了高精度的相对频偏估计量，从而有效提高一致性时钟同步精度。
[0022]2)本专利技术在事件触发的节点交互机制的基础上，以逻辑频偏补偿值和逻辑相偏补偿值的充分变化为前提，建立了时变阈值和常数阈值下的触发函数，在保持较高同步精度的同时，降低同步过程中的通信开销。
[0023]3)本专利技术的时钟交互模式是基于单向广播，不需要指定任何参考节点，是完全分布式的，网络中的每个节点都运行相同的时钟同步算法，无需针对个别节点进行单独设计，具有良好的鲁棒性和扩展性。
[0024]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
[0025]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：
[0026]图1为本专利技术所采用的无线网络拓扑结构图；
[0027]图2为本专利技术基于事件触发和低通滤波的平均一致性时钟同步方法流程图。
具体实施方式
[0028]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，以下实施例及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于事件触发和低通滤波的平均一致性同步方法，其特征在于，该方法是基于事件触发的节点交互机制，在有效保证时钟同步误差收敛的前提下，通过评估当前和最后一次发送的逻辑时钟参数补偿值之间的误差，以指数函数和常数函数作为触发条件，使节点仅在满足此触发条件时进行时钟信息的广播，并利用低通滤波器抑制通信时延引起的时钟信息累计误差的影响，采用平均一致性补偿算法实现网络时钟的全局一致。2.根据权利要求1所述的平均一致性同步方法，其特征在于，所述利用低通滤波器抑制通信时延引起的时钟信息累计误差的影响，采用平均一致性补偿算法实现网络时钟的全局一致，具体是：采用低通滤波器来估计节点间的相对频偏，并将相对频偏估计量用于一致性补偿算法中来更新节点的逻辑时钟参数，使得整个网络节点以完全分布式的方式实现逻辑时钟的一致。3.根据权利要求1或2所述的平均一致性同步方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：初始化相对频偏估计值、逻辑频偏补偿值和逻辑相偏补偿值，为网络设置更新周期，并在节点的每个更新周期满足时，判断当前的触发条件是否满足，满足时向邻居节点进行数据包的广播，并记录下广播的时钟参数；S2：当节点接收到数据包时，根据低通滤波器获得相对频偏估计量，并采用基于一致性的补偿方法更新节...

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