[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

本發明涉及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，屬于無線傳感網絡通信技術領域。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，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，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：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。本發明有效的解決了網絡節點在不同晶振頻率模式下的通信問題，提高了網絡可靠性和同步精度。

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡通信技術領域，涉及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。

背景技術

近年來，無線傳感器網絡的發展越來越快，應用領域也越來越廣泛，網絡節點受外界各種因素影響，網絡拓撲結構不穩定成為時間同步急需解決的關鍵問題。分布于無線傳感器網絡中的多種節點的各種需求比如數據采集時間、時分多址、協作休眠、數據融合、流量控制等網絡化控制更需要精確地節點時間同步。由于組成網絡之后不同節點的時鐘之間存在一定的偏差，所以需要使用時鐘同步技術給網絡內所有節點提供一致的參考時間標準，這樣才能保證無線傳感器網絡節點在數據傳輸過程中時間同步，達到數據傳輸的有效性。

無線傳感器網絡節點本身的變化(節點移動、失效、故障、新節點加入等)廣播的局限性、節點距離的限制以后無線節點半雙工通信模式，導致節點間的通信拓撲關系復雜多變，節點自身存在的缺陷以及節點在傳輸過程中產生的不確定性等特點，使得已有的時鐘同步協議在上線某些應用時存在很大的阻礙。由于傳感器節點晶振頻率受外界因素的干擾變化，使得不同節點的時鐘擁有不同的時鐘頻率，造成數據傳輸過程中的時鐘漂移和時鐘偏移，網絡中節點不能準確有效的進行數據傳輸。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供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，無線傳感器網絡通過分簇之后形成簇間通信和簇內通信，簇間通信為高晶振頻率數據傳輸，簇內為兩種模式，高晶振和低晶振頻率模式數據傳輸。通過建立的矩陣估計的邏輯時鐘模型，計算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，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，是網絡中節點的邏輯時鐘達到全網同步。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

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，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。

進一步，步驟S1中，包括以下內容：

無線傳感器節點的本地時鐘時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：