[發明專利]一種基于無線網絡分簇拓撲的矩陣模型估計時間同步方法

有效

• 申請號: 202110264812.7
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN113038589B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 徐國超;吳禹霜;楊登鑫;高銘
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W56/00
• 分類號: H04W56/00;H04W84/18
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種基于無線網絡分簇拓撲的矩陣模型估計時間同步方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1：部署網絡節點，構建簇狀拓撲結構，分析節點不同晶振頻率工作模式下的狀態，根據節點的本地時鐘，建立矩陣估計的邏輯時鐘模型；

S2：根據簇狀拓撲結構，分為簇間同步和簇內同步，簇間各節點以高晶振頻率進行數據包傳輸，簇內節點則根據數據傳輸周期頻率的高低，選擇高晶振頻率模式或低晶振頻率模式，分別以不同晶振頻率建立的狀態函數估計時鐘漂移相對參量和時鐘偏移相對參量；

S3：網絡中的每個節點都在周期性的廣播時鐘消息，且以雙向數據交換過程進行傳輸，通過估計的時鐘漂移相對參量和時鐘偏移相對參量采用最大似然估計分別對高低晶振頻率模式的時鐘漂移和時鐘偏移進行估計，并周期性補償，使網絡中節點的邏輯時鐘達到全網同步；

步驟S1中，包括以下內容：

無線傳感器節點的本地時鐘是根據晶體振蕩器的期望頻率進行設置，使得第i個節點的本地時鐘函數為C_i(t)＝t，其中t表示參考時間；由于晶體振蕩器受外界因素影響，即成員節點的本地時鐘函數表示為：

其中，f₀表示晶體振蕩器的標準頻率，f_i(t)表示成員節點的晶體振蕩器在t時刻的實際頻率，C_i(t₀)表示成員節點i在t₀時刻的時鐘時間；

將本地時鐘函數進行泰勒級數展開，簡化成線性模式形成邏輯時鐘，單節點時鐘頻率模型經簡化得：

C_i(t)＝ω_ijC_j(t)+φ_ij

其中表示兩個節點的相對時鐘偏移，表示兩個節點的相對漂移；假設節點處于不同晶振頻率模式下，邏輯時鐘表示為：

C_i(t)＝(ω^w_ijC_j(t)+φ^w_ij)+(ω^v_ijC_j(t)+φ^v_ij)

其中表示節點在高晶振頻率狀態下的時鐘漂移，表示節點在高晶振頻率狀態下的時鐘偏移，表示節點在低晶振頻率狀態下的時鐘漂移，表示節點在低晶振頻率狀態下的時鐘偏移；通過估計，

由上式將邏輯時鐘模型表示為矩陣模型：

所述步驟S2中具體包括以下步驟：

S21：根據邏輯時鐘模型，將低晶振頻率狀態邏輯時鐘切換到高晶振頻率狀態時鐘模型得到狀態函數：

其中，表示節點i在高晶振頻率狀態下的相對漂移參數，表示節點i在高晶振頻率狀態下的相對偏移參數，表示節點i在低晶振頻率狀態下的相對漂移參數，表示節點i在低晶振頻率狀態下的相對偏移參數，ω^w＝s^ws^vω表示高晶振頻率狀態下的邏輯時鐘相對于實際的漂移量，φ^w＝s^w(s^wφ+o^v)+o^w表示高晶振頻率狀態下的邏輯時鐘相對于實際的偏移量；

節點i和節點j進行數據包傳輸時，兩節點邏輯時鐘的相對漂移量為：

其中n表示第n個節點；

當節點與第r個節點數據傳輸時，漂移參數為：

根據狀態函數知，節點i的偏移參數表示為：

S22：節點在低晶振頻率狀態時，節點處于簇內的地周期頻率數據包傳輸狀態，高晶振頻率向低晶振頻率切換過程中會導致一定的漂移和偏移；據此表示此狀態下邏輯時鐘：

其中ω^v＝s^vω表示為低晶振頻率狀態下的邏輯時鐘漂移量，φ^v＝s^vφ+o^v表示為低晶振頻率狀態下的邏輯時鐘偏移量；得到兩節點的相對漂移量和偏移量，狀態函數為：

根據節點間時鐘漂移相對參數的平均值得漂移參數為：

其中，ρ′_s∈(0,1)為權值參數；

節點的偏移量狀態函數為：

其中表示為邏輯時鐘的漂移量，表示為邏輯時鐘的偏移量；

根據節點間邏輯時鐘相對參數的平均值得到偏移參數為：

其中，ρ′_o∈(0,1)為權值參數；

根據不同晶振頻率的狀態函數分析出節點時鐘漂移和時鐘偏移的相對參量，在雙向信息交互過程中，通過記錄的時間戳信息，再利用相對參量對不同晶振頻率工作模式下的時鐘漂移值和時鐘偏移值進行估計

所述步驟S3中，網絡節點均是以雙向數據交換形式進行傳輸，根據高低晶振頻率模式的狀態函數，簇間同步和簇內同步形式不同，即以不同模式對時鐘漂移和時鐘偏移進行最大似然估計并補償，具體包括以下步驟：

S31：節點根據周期頻率在低晶振頻率模式時，網絡中無線節點之間周期性廣播本地時鐘信息，相鄰節點間進行信息交換時節點記錄時間戳報文{T_1,n，T_2,n，T_3,n，T_4,n}，n＝1,2,…,K，且在數據包傳輸時產生固定時延d和隨機時延G_n和H_n：

其中d表示節點報文延遲的固定時延，包括傳輸時間，傳播時間和接收時間；G_n和H_n分別表示上行鏈路和下行鏈路中報文延遲的隨機延遲，包括不同時鐘頻率切換時產生的延遲，經過N輪同步周期，整理得：

經過N輪同步周期，用矩陣表示為：

其中x₃＝d；

隨機延遲G_n和H_n服從均值μ＝0，方差的高斯分布，上式表示為：

其中，T_A，T_B和X由矩陣模型定義，對于給定的一組時間戳，對X求微分得X的最大似然估計為：

S32：節點根據周期頻率在高晶振頻率模式時，節點間進行N次報文的雙向交換，并且獲得N組時間戳數據

S33：節點根據S31保存的N組時間戳消息，以為時間基準點，定義其中，d與G_n，H_n分別代表同步請求和同步應答報文傳遞過程中的固定部分和隨機部分；φ^R表示絕對時鐘偏差，φ在時刻相對時鐘偏差，ω表示相對時鐘漂移，根據本地時鐘模型公式表示：

T_2,n＝(1+ω^w)(T_1,n+d+G_n)+φ^w

同理得：

T_3,n＝(1+ω^w)(T_4,n-d-H_n)+φ^w

S34：將T_2,N，T_2,1相減，將T_4,N，T_4,1相減：

T_4,N-T_4,1＝T_3,N-T_3,1+H_N-H₁-ω^w(T_4,N-T_4,1-(H_N-H₁))

現假設G_N，G₁，H_N，H₁是均值為μ，方差為σ²的獨立同分布的高斯隨機變量，經過變換，整理得到最大似然函數為：

其中，D_(k)＝T_k,N-T_k,1,k＝1,2,3,4；對函數取自然對數，并對ω^w′求一階偏導數后，令公式右側為0，得ω^w′的最大似然估計：

即得到漂移ω^w的最大似然估計：

同理得偏差φ^w的最大似然函數為：

其中，φ^w的最大似然估計值：

通過計算得到節點偏移和漂移校正本地時鐘完成與節點的時間同步。