[发明专利]基于加权观测融合和免时间戳交互的时钟频偏跟踪方法

说明书

本发明涉及一种基于加权观测融合和免时间戳交互的时钟频偏跟踪方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法是位于参考节点和多个活动节点重叠通信范围内的隐含节点S执行监听同步，在成功监听到多对免时间戳通信消息后，利用多组扩展卡尔曼滤波算法，将得到的多个跟踪结果根据标量加权线性最小方差信息融合准则进行多观测值加权融合，实现隐含节点的免时间戳相对频率偏移融合跟踪。本发明不仅可以在无消息发送的基础上动态跟踪相对时钟频率偏移，还可以减小跟踪误差较大的同步节点对监听节点的影响，增加了监听节点频率偏移跟踪的鲁棒性。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于加权观测融合和免时间戳交互的时钟频偏跟踪方法。

背景技术

无线传感器网络的自组织、可靠、高容错等特性，使其在生物、医疗等诸多领域中得到了广泛应用。无线传感器网络中的许多应用例如数据融合、资源调度等，都需要严格统一的时间基准，因此，时间同步是协调无线传感器网络工作的基础。免时间戳同步是近年提出的一种低功耗同步协议，此方法无时间戳交互，易于嵌入网络数据流，可降低节点同步能耗。另外，隐含同步机制通过监听邻居间的同步报文即可完成自身同步，这种极低功耗的同步方法对无线传感网是至关重要的。

免时间戳交互下的隐含同步机制通过监听时钟源和活动节点间无时间戳的通信消息即可完成自身同步，十分节能，因而得到了一定的研究。但现有的关于免时间戳交互下的隐含节点时钟频偏跟踪算法大都只利用单对通信消息，因此这些研究还存在一些不足：1)实际上，隐含节点在真实网络场景中会监听到时钟源与多个活动节点间的多对通信消息；2)隐含节点可能会错误利用时间误差较大的成对通信消息，从而产生与参考节点间跟踪误差过大、跟踪不稳定的情况。因此，亟需一种新的无线传感网络时钟同步方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于加权观测融合和免时间戳交互的时钟频偏跟踪方法，针对免时间戳同步的动态时钟参数，使得隐含节点利用监听到的参考节点与多个活动节点间的多对免时间戳通信消息，提升隐含节点频偏跟踪的鲁棒性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于加权观测融合和免时间戳交互的时钟频偏跟踪方法，包括：位于参考节点R和多个活动节点A₁，A₂，...，A_L重叠通信范围内的隐含节点S执行监听同步，在成功监听到多对免时间戳通信消息后，利用多组扩展卡尔曼滤波算法，将得到的多个跟踪结果根据标量加权线性最小方差信息融合准则进行多观测值加权融合，实现隐含节点S的免时间戳相对频率偏移融合跟踪。

进一步，所述多组扩展卡尔曼滤波算法的计算公式为：

预测：

最小预测均方误差矩阵：M_k[n|n-1]＝AM_k[n-1|n-1]A^T+C

卡尔曼增益：

修正：

最小均方误差矩阵：M_k[n|n]＝(I-K_k[n]H_k[n])M_k[n|n-1]

其中，k表示执行的第k个并行的扩展卡尔曼滤波器，是考虑状态矩阵A和前一轮状态对的预测，M_k[n|n-1]是未经观测修正的最小预测均方误差矩阵，当计算得到卡尔曼增益K_k[n]，可得到修正后的估计值和最小均方误差矩阵M_k[n|n]；I表示单位矩阵，H表示观测矩阵，C和是状态协方差矩阵和观测噪声方差，Q′_k[n]表示n时刻观测值，表示无噪声影响的观测值。

进一步，所述将得到的多个跟踪结果根据标量加权线性最小方差信息融合准则进行多观测值加权融合，具体包括以下步骤：