[发明专利]基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法

说明书

本发明涉及一种基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法，属于无线传感器网络技术领域，本方法将部分时间戳信息同步机制与监听机制进行结合，隐含节点通过监听活动节点和时钟源节点间的部分时间戳信息交互就能获得足够的同步信息，并针对高斯随机时延和指数随机时延，分别利用最大似然估计方法和最佳线性无偏估计方法，联合估计隐含节点相对于时钟源节点的时钟频偏与相偏，实现节点间的同步。本方法减少了通信开销，降低了同步能耗。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法。

背景技术

无线传感器网络由大量的传感器节点构成，网络中的每个节点都维持一个时钟，由于制造工艺的差异和外界环境的影响，节点间的时钟会出现偏差，然而许多基础的网络功能都要求节点运行在统一的时间基准上，例如数据融合、传输调度、功率管理等。因此，时间同步技术是无线传感器网络中不可或缺的关键技术之一。

监听机制是一种典型的低功耗同步方案，其中隐含节点利用无线广播特性监听两节点间的双向信息交互同步过程，从中获取时间戳信息来估计时钟参数，实现节点间的同步。它通过监听机制避免同步信息的发送，只需接收同步信息，显著减少同步信息传输的数量，从而达到降低同步能耗的目的。免时间戳同步是另一种低功耗同步方案，与监听机制通过消除发送消息，减少能耗的方式不同，它通过接收者对发送者的预定义响应来传递同步信息，避免了采用专用同步帧传递时间戳，参数估计功能可以嵌入到普通的数据收发中，大幅度降低了同步能量开销。

将这两种同步方案联合优化，可以进一步降低同步能耗。但是，目前在监听机制与免时间戳同步相结合的同步方案中，隐含节点只能估计时钟频偏，不能估计时钟相偏，只对时钟频率偏移进行了校正，没有补偿初始时钟偏差，无法实现节点间完整的同步。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于部分时间戳信息交互与监听机制的同步方法，隐含节点通过监听活动节点与时钟源节点之间的部分时间戳信息交互过程，就能同时估计时钟频偏与相偏，实现与时钟源节点的同步。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于部分时间戳信息交互和监听机制的时间同步方法，将部分时间戳信息同步机制与监听机制进行结合，隐含节点通过监听活动节点和时钟源节点间的部分时间戳信息交互就能获得足够的同步信息，并针对高斯随机时延和指数随机时延，分别利用最大似然估计方法和最佳线性无偏估计方法，联合估计隐含节点相对于时钟源节点的时钟频偏与相偏，实现节点间的同步。

进一步，具体包括以下步骤：

A1：在第i个同步周期中，活动节点A在时刻发送不含时间戳的数据包给时钟源节点B；

A2：时钟源节点B在时刻接收到数据包，并根据关系式计算返回确认帧的时间，其中ρ是一个大于1且接近于1的已知常数，D_i＝ρ(i-1)T是响应时间间隔补偿，T是活动节点A发送数据包的周期；

A3：隐含节点C监听到来自活动节点A的数据包，并记录接收时间为

A4：时钟源节点B等待一段时间之后，在时刻返回不含时间戳的确认帧；

A5：活动节点A在时刻接收到确认帧；

A6：隐含节点C接收到来自时钟源节点B的确认帧，并记录接收时间为同时根据通信周期计算响应时间间隔补偿D_i；

A7：判断同步轮次是否达到设定值N，若已达到，则隐含节点C根据记录的观测信息估计相对于时钟源节点B的时钟频偏与相偏，反之返回步骤A1，继续监听信息交互；

A8：基于计算出的时钟参数值，隐含节点C调整时钟频偏与相偏，与时钟源节点B实现时钟同步。