CN110505683A - 一种面向平均一致性时钟同步的频率偏移估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向平均一致性时钟同步的频率偏移估计方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法结合分布式单向广播特性，将最大似然估计的求解转换为线性最优化问题，并采用迭代法获得相对频率偏移估计值。通过将估计值用于节点间逻辑时钟参数补偿中，能够达到网络节点逻辑时钟保持一致的效果。本发明充分考虑了通信时延的分布特点，能够实现精确的相对频率偏移估计，从而有效提高平均一致性时钟同步的同步精度，并且采用迭代法进行最大似然估计求解，简化了估计算法、降低了存储开销。

Description

一种面向平均一致性时钟同步的频率偏移估计方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络通信技术领域，涉及基于最大似然估计的一种平均一致性时钟同步中的频率偏移估计方法。

背景技术

时钟同步是无线传感器网络的一项基本支撑技术，许多应用和服务比如路由、休眠调度、数据融合等都工作在网络中节点的时钟保持同步的基础上。近年来，大量的研究聚焦于解决无线传感网中的时钟同步问题，其中比较典型的有RBS、TPSN、FTSP、PBS协议等。这些时钟同步协议普遍分为两类：基于参考节点的时钟同步协议和分布式时钟同步协议。与参考时钟同步协议相比，分布式同步无需任何参考节点，在鲁棒性、可扩展性等方面具有显著优势。其中，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。

无线传感网的通信过程中不可避免地伴随着时延的出现，通信时延的组成成分可以被分为固定时延和随机时延，其中随机时延在不同的场景下可以被建模为高斯分布、指数分布、伽马分布等。然而，早期的一致性同步协议假设节点间的信息能瞬时到达，忽略了时延的影响，当考虑通信时延时，可能达不到精确的同步效果，甚至不同步。而相对频率偏移的估计精度直接影响一致性时钟同步的性能。因此，RoATS、LSTS、NMTS等一致性同步机制改进了相对频偏估计方法来应对时延对同步效果的影响。这些同步方法虽然考虑了有界通信时延，但是没有针对时延的分布特点进行优化。

目前无线传感器网络中的时钟同步机制主要存在如下问题：首先，现有的时延下的一致性时钟同步机制只考虑有界时延，没有分别考虑时延的固定部分和随机部分，导致相对频率偏移估计不够准确，限制了同步性能；其次，一致性时钟同步没有针对特定的随机时延分布类型进行优化，而指数随机时延符合点对点假定参考链接时的累计链路延迟，截断指数时延下的一致性同步具有现实意义。

因此，亟需一种能够使网络达到精确的时钟同步的频率偏移估计方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向平均一致性的时钟同步频率偏移估计方法，针对通信时延存在时一致性时钟同步机制无法有效收敛的问题，围绕固定时延和截断指数随机时延，并考虑无线传感网的分布式特征，结合一致性方法来更新节点的逻辑时钟参数，使得网络达到精确的时钟同步效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面向平均一致性的时钟同步频率偏移估计方法，包括：采用最大似然估计方法估计节点间的相对频率偏移，并基于平均一致性的时钟同步方法来实现节点间的时钟同步，使得网络中节点的逻辑时钟达到一个共同的全局时钟，包括如下具体步骤：

S1：假设网络中的每个节点i都周期性地广播本地时钟消息其邻居节点j接收时钟消息，并且记录下邻居节点自身的当前本地时钟由于数据包传输过程中存在固定时延和随机时延的影响，于是邻居节点根据已知的本地时钟信息和时延情况建立相对时钟关系：

其中，ω_ij和分别表示节点i相对于节点j的相对频率偏移和相对相位偏移，表示满足均值为λ、上界为D截断指数分布的随机通信时延；表示数据包传输过程中存在固定时延；

S2：邻居节点j每个周期收到同步消息后，都根据相对时钟关系，进行相对频偏估计；在节点j收到L个来自节点i的同步消息时，采用最大似然法估计节点间的相对频率偏移ω_ij为：

其中，

进一步，所述步骤S2中，网络中的节点周期性地广播时钟同步消息，广播节点的本地时钟为广播周期T的整数倍，于是相对频率频偏ω_ij的最大似然估计下的求解转换为线性最优化问题为：

进一步，最大似然估计法下的相对频率偏移的估计问题求解简化为一个带线性约束条件的线性目标函数，目标函数的可行域为根据时延的截断边界所形成的两簇约束线下方及上方的公共区域，最优值位于可行域边界的顶点上；通过比较约束线的交点，采用迭代法只存储边界上的顶点信息，减低存储开销，具体步骤包括：

S21:计算可行域的上边界B1及其顶点；假设L条约束线围城的可行域上边界有P个顶点，当节点j收到来自i的第L+1个同步数据包，产生新的约束线新的约束线与旧边界B1上的P个顶点进行比较，得出新的上边界顶点；

S22：计算可行域的下边界B2及其顶点，与S21类似，当节点j收到来自i的第L+1个同步数据包，产生新的约束线新的约束线与旧的下边界B2的Q个顶点进行比较，得出新的下边界顶点；

S23：上下边界顶点进行比较，得到可用的边界顶点，以及与之对应的新的B1、B2，再将边界顶点的值带入目标函数z，使的目标函数z最大的情况下的点对应的ω_ij即为迭代最大似然估计下的相对频偏值。

进一步，所述步骤S21中，得出新的上边界顶点具体包括：首先，检验当θ_ij＝θ_{ij_min}时，是否成立，其中θ_{ij_min}表示θ_ij的先验最小值；如果不成立，则新的约束线被忽略；如果成立，则继续检验时，是否成立，其中和分别表示上边界B1的第p个顶点的横纵坐标值；如果全部成立，则新的约束线构建新的边界B1，并且边界顶点为 如果当时，不成立，则新的约束线与旧边界B1的第和第个顶点的连线相交，交点的坐标满足：新的边界B1顶点数为个，其中替代旧边界B1的前个顶点。

本发明的有益效果在于：

1)本发明与现有的有界时延下的一致性时钟同步机制相比，充分考虑无线传感器网络中节点间通信时延的分布特性，不仅考虑了固定时延，而且考虑了指数分布随机时延，并且将最大似然估计法应用于频率偏移的估计过程中，使得估计出的相对频率偏移更加准确，从而有效提高一致性时钟同步性能。

2)本发明与普通的指数时延下的时钟同步协议相比，考虑了时延的有界特性，针对截断指数随机时延，根据时延的边界约束，在频率偏移的估计过程中，充分利用分布式节点周期性广播时钟同步消息的特点，将最大似然估计的求解转化为更为简单的线性目标函数最优化问题，并且设计了迭代比较方法，节点无需存储接收到的全部时钟信息，便可得到频率偏移的估计值，降低了节点的存储开销。

3)本发明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，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可扩展性。

本发明的其他优点、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，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明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

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为完全分布式网络的通信拓扑结构图；

图2为节点间的同步时钟信息交互机制示意图；

图3为本发明所述的频率偏移估计方法的线性规划示意图；

图4为本发明所述的频率偏移估计方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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发明的其他优点与功效。本发明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，在没有背离本发明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发明的基本构想，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为本发明采用的分布式网络的通信拓扑结构图，如图1所示，节点随机分布在网络中，每个节点既广播自己的本地时钟消息，又接收其通信范围内其他节点的信息。无线传感网的通信交互拓扑可以建模为一个强连通图G＝(N,E)，其中N＝{1,2,…,n}表示网络中节点的集合，E表示可靠的通信链路的集合，比如(i,j)∈E表示节点j能成功收到来自节点i的信息。节点i的邻居节点被表示为N_i＝{j∈N:(i,j)∈E}。

节点间的同步时钟信息交互机制如图2所示，以两个节点为例，节点i以周期T广播本地时钟信息节点其邻居节点j接收时钟消息，并且记录下邻居节点自身的当前本地时钟由于数据包传输过程中存在固定时延和随机时延的影响，于是邻居节点根据已知的本地时钟信息和时延情况建立相对时钟关系，

其中ω_ij和分别表示节点i相对于节点j的相对频率偏移和相对相位偏移，表示满足截断指数分布的通信时延。

邻居节点j收到同步消息后，根据相对时钟关系得，

在节点j收到L个来自节点i的同步消息时，由于随机时延是相互独立的截断指数分布变量，随机时延的联合概率密度函数为：

将(1)带入(2)可得关于已知本地时钟和待估计的参数的似然函数为：

其中最大似然估计就是在满足约束条件的情况下找到参数使得式(3)最大，也就是使得最大。最大似然法估计下节点间的相对频偏ω_ij为：

节点周期性广播时钟同步消息，于是广播节点的本地时钟为广播周期T的整数倍，即于是相对频偏ω_ij的最大似然估计下的求解可以转换为最优化问题：

最大似然法下的相对频率偏移的估计问题为一个带线性约束条件的线性目标函数最大值问题，目标函数的可行域为两簇约束线下方及上方的公共区域。由上可知，随着同步信息包的数量增多，约束线的条数也增加，邻居节点需要存储的信息越来越多。然而，如图3所示，并不是每条约束线都对构建可行域有用，因此需要构建一个有效的算法来简化估计求解、降低存储开销。又由于这是一个带线性约束条件的线性目标函数，最优值必然位于可行域边界的顶点上。于是通过比较约束线的交点，采用迭代法只存储边界上的顶点信息，减低存储开销。具体步骤包括：

Step1：首先讨论可行域的上边界B1及其顶点。假设L条约束线围城的可行域上边界有P个顶点，当节点j收到来自i的第L+1个同步包，产生新的约束线首先，检验当θ_ij＝θ_{ij_min}时，是否成立。如果不成立，则这条约束线可以被忽略。因为可行域位于所有约束线的下方，而且新的约束线的斜率的绝对值越来越小。如果成立，则继续检验时，是否成立。如果全部成立，则新的约束线构建了新的边界B1，并且边界顶点为如果当时，不成立，则新的约束线与旧边界B1的第和第个顶点的连线相交，交点的坐标满足：

新的边界B1顶点数为个，其中替代了旧边界B1的前个顶点。

Step 2：讨论可行域的下边界B2及其顶点，与Step1类似，当节点j收到来自i的第L+1个同步包，产生新的约束线新的约束线与旧的下边界B2的Q个顶点进行比较，得出新的下边界顶点。

Step 3：可行域的边界由边界B1和B2间的公共区域构成，因此结合B1和B2的相对位置关系来，将B1和B2上的顶点进行比较，得到可用的边界顶点。

在分析新的约束线对可行域造成的所有影响并得到新的可行域的边界顶点后，将新边界的顶点坐标值带入目标函数z＝θ_ij+(L+1)Tω_ij/2中，使得z最大的顶点对应的ω_ij为迭代最大似然估计下的相对频偏值。估计出的相对频偏将用于后续的逻辑时钟补偿中。

实施例

图4为本发明所述的面向平均一致性时钟同步的频率偏移估计方法流程图。本实施例提供了使用于平均一致性同步的基于最大似然估计的相对频偏估计方法，如图所示，具体包括以下步骤：

V1：同步过程开始。

V2～V4：初始化消息广播周期，节点判断是否满足广播条件，若是则广播时钟同步消息，否则等待直到满足条件。

V5～V6：邻居节点接收并记录自己的本地时钟，分析节点间的相对时钟关系。

V7～V10：邻居节点根据新的时钟关系，进行相对频偏的最大似然估计，更新似然函数，也就是更新目标函数和约束条件，并与已有的边界位置信息进行比较，更新可行域。

V11：比较可行域顶点值，得到最大似然估计下的相对频偏。

V12：使用平均一致性同步方法进行时钟参数补偿。

V13～V14：判断是否满足同步结束条件，若已达到同步则结束，否则继续监听时钟信息，更新估计和补偿等操作，直到满足同步结束条件。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种面向平均一致性时钟同步的频率偏移估计方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：假设网络中的每个节点i都周期性地广播本地时钟消息其邻居节点j接收时钟消息，并且记录下邻居节点自身的当前本地时钟于是邻居节点根据已知的本地时钟信息和时延情况建立相对时钟关系：

其中，ω_ij和分别表示节点i相对于节点j的相对频率偏移和相对相位偏移，表示满足均值为λ、上界为D截断指数分布的随机通信时延；表示数据包传输过程中存在固定时延；

S2：邻居节点j每个周期收到同步消息后，都根据相对时钟关系，进行相对频偏估计；在节点j收到L个来自节点i的同步消息时，采用最大似然法估计节点间的相对频率偏移ω_ij为：

其中，

2.根据权利要求1所述的一种面向平均一致性时钟同步的频率偏移估计方法，其特征在于，所述步骤S2中，网络中的节点周期性地广播时钟同步消息，广播节点的本地时钟为广播周期T的整数倍，于是相对频率频偏ω_ij的最大似然估计下的求解转换为线性最优化问题为：

3.根据权利要求2所述的一种面向平均一致性时钟同步的频率偏移估计方法，其特征在于，最大似然估计法下的相对频率偏移的估计问题求解简化为一个带线性约束条件的线性目标函数，目标函数的可行域为根据时延的截断边界所形成的两簇约束线下方及上方的公共区域，最优值位于可行域边界的顶点上；通过比较约束线的交点，采用迭代法只存储边界上的顶点信息，减低存储开销，具体步骤包括：

S21:计算可行域的上边界B1及其顶点；假设L条约束线围城的可行域上边界有P个顶点，当节点j收到来自i的第L+1个同步数据包，产生新的约束线新的约束线与旧边界B1上的P个顶点进行比较，得出新的上边界顶点；

S22：计算可行域的下边界B2及其顶点，与S21类似，当节点j收到来自i的第L+1个同步数据包，产生新的约束线新的约束线与旧的下边界B2的Q个顶点进行比较，得出新的下边界顶点；

S23：上下边界顶点进行比较，得到可用的边界顶点，以及与之对应的新的B1、B2，再将边界顶点的值带入目标函数z，使得目标函数z最大的情况下的点对应的ω_ij即为迭代最大似然估计下的相对频偏值。

4.根据权利要求3所述的一种面向平均一致性时钟同步的频率偏移估计方法，其特征在于，所述步骤S21中，得出新的上边界顶点具体包括：首先，检验当θ_ij＝θ_{ij_min}时，是否成立，其中θ_{ij_min}表示θ_ij的先验最小值；如果不成立，则新的约束线被忽略；如果成立，则继续检验p＝2,…P，时，是否成立，其中和分别表示上边界B1的第p个顶点的横纵坐标值；如果全部成立，则新的约束线构建新的边界B1，并且边界顶点为 如果当时，不成立，则新的约束线与旧边界B1的第和第个顶点的连线相交，交点的坐标满足：新的边界B1顶点数为个，其中替代旧边界B1的前个顶点。