[发明专利]一种基于隐式同步和免时间戳交互的动态时钟偏斜跟踪方法

说明书

本发明涉及一种基于隐式同步和免时间戳交互的动态时钟偏斜跟踪方法，属于无线传感器网络技术领域。采用一阶高斯马尔可夫模型来描述隐含节点相对于活跃节点、活跃节点相对于参考时钟节点的动态时钟偏斜，将其作为状态方程，并建立隐含节点的免时间戳交互观测方程，采用基于卡尔曼滤波的跟踪方法来跟踪隐含节点相对于参考时钟节点的动态时钟偏斜。本发明显著降低了同步开销，具有能耗低、精度高等优势。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于隐式同步和免时间戳交互的动态时钟偏斜跟踪方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量任意分布在一定区域内的无线传感器节点构成的自组织网络，网络中的数据融合、传输调度和功率管理等要求所有节点的时钟都达到统一的时间尺度，所以，节点间的时间同步是无线传感器网络稳定运行的基础。

隐式同步是一种无需发送任何同步信息，就能够实现与参考时钟节点同步的低功耗同步方法，其通过监听活跃节点和参考时钟节点之间的成对同步信息来完成同步，同步过程中只接收信息，不发送信息，能量消耗较少。免时间戳同步是另一种低功耗的同步方法。它采用控制响应时间的方式来避免时间戳信息的传输，待同步节点根据记录的自身发送和接收数据包的时间和已知的响应时间就能完成与参考时钟节点的同步，同步过程跟随网络数据流，无需专用同步帧传输时间戳信息，同步能量开销显著减少。

将隐式同步与免时间戳同步相结合，能够进一步降低同步能量消耗。但目前针对两者相结合所设计的时间同步机制，仅能实现对固定时钟偏斜的估计。而在实际网络中，时钟偏斜是动态可变的。如何在动态偏斜情况下有效的估计和跟踪时钟同步参数，成为隐式同步与免时间戳同步联合使用所面临的重要挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于隐式同步和免时间戳交互的动态时钟偏斜跟踪方法，针对能量有效的免时间戳同步与低能量开销的隐式同步相融合的场景中，时钟偏斜由于环境影响和自身特性随时间动态变化的情况，使用基于卡尔曼滤波的方法来完成相对于参考时钟节点的动态时钟偏斜跟踪，整个过程跟随网络数据流，隐含节点只需接收信息，并且不含任何时间戳信息的传递，显著降低能量开销。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于隐式同步和免时间戳交互的动态时钟偏斜跟踪方法，包括以下步骤：

S1：采用一阶高斯马尔可夫模型来描述隐含节点S相对于活跃节点A、活跃节点A相对于参考时钟节点R的动态时钟偏斜，将其作为状态方程；

S2：建立隐含节点S的免时间戳同步观测方程，利用基于卡尔曼滤波的方法来跟踪隐含节点S与参考时钟节点R之间的动态时钟偏斜。

进一步，步骤S1中所述状态方程，考虑节点的晶体振荡器以不稳定的频率运行，时钟偏斜呈现非线性变化，将视其为一个在零均值附近有小扰动的随机变量，并采用一阶高斯马尔可夫模型来描述隐含节点S相对于活跃节点A、活跃节点A相对于参考时钟节点R的时钟偏斜的动态变化，具体公式如下：

x′[n]＝Bx′[n-1]+u[n]

式中其中x′[n]表示第n个采样时刻的状态矢量矩阵，ρ^(AS)[n]和ρ^(AR)[n]分别表示第n个采样时刻活跃节点A相对于隐含节点S和参考时钟节点R的时钟偏斜；B表示更新系数矩阵，m₁和m₂为更新系数，是大于且接近于1的常数并假设为已知；u[n]是第n个采样时刻的驱动噪声矩阵，u^(AS)[n]和u^(AR)[n]分别表示第n个采样时刻ρ^(AS)[n]和ρ^(AR)[n]的驱动噪声，均值为0，方差分别为的高斯分布。

进一步，步骤S2中隐含节点的免时间戳交互观测方程，具体包括以下步骤：