[发明专利]基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法

说明书

本发明涉及一种基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法，属于无线传感器网络技术领域。根据单向消息传播同步方式能够与广播机制同时执行，免时间戳交互同步能够在网络数据流中隐式地获取同步信息，该方法将免时间戳交互同步机制与单向消息传播机制进行联合设计与优化，使时间同步功能与实际无线传感器网络实现无缝融合。本发明无需专门的同步报文进行同步信息传递，就能实现对时钟频率偏移、相位偏移和固定时延的联合估计，有效降低节点同步通信开销，提高时钟相位偏移估计性能。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法。

背景技术

从统计信号处理的角度上看，无线传感器网络中的时间同步问题可以视为是针对时钟频率偏移和时钟相位偏移的参数估计问题。然而，若只关注时钟相位偏移参数的获取，而不对时钟频率偏移进行估计，时钟频率偏移的存在则会再次导致节点时钟出现偏差，且时钟偏差会不断累积，甚至影响传感器网络生命周期。为了维持节点间的同步精度，就必须周期性地进行再同步操作，但频繁的同步过程又会给网络带来较大的能量消耗。另一方面，若只考虑时钟频率偏移参数的估计，而不对时钟相位偏移进行补偿，那么节点时钟之间始终存在一个初始偏移。因此，要实现节点间的时间同步，就必须联合估计时钟频率偏移参数和时钟相位偏移参数，同时对其进行校正。

免时间戳交互同步机制由于可以在网络数据流中隐式地获取同步信息，因此近年来备受关注。但现有的基于线性时钟模型的免时间戳交互同步协议只对传感器节点的时钟频率偏移和数据包传递固定时延进行了估计。若要真正实现节点间的时钟同步，还需采用其他方式对节点时钟相位偏移进行补偿。对于单向消息传播同步方法，虽然能够与广播机制并行执行，但由于只进行单向同步报文交互，无法对时钟相位偏移和数据包传递固定时延进行准确区分。

本发明旨在将免时间戳交互同步机制与单向消息传播机制进行联合优化，发明一种能与现有网络协议无缝集成的混合式时钟同步方法，无需专门的额外同步通信开销，就能同时估计出时钟频率偏移、固定时延和时钟相位偏移三个参数，实现节点间的时间同步。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法，使得从节点仅利用与主节点间的网络数据流及广播帧，就能实现相对主节点的时间同步。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于免时间戳交互与单向消息传播的混合时钟同步方法，融合免时间戳交互同步机制与单向消息传播机制，并利用最大似然估计方法估计出时钟频率偏移、时钟相位偏移及固定时延，实现节点间的时钟同步。该方法将时间同步功能集成到现有网络传输中，无需构造专门的数据包来传递同步信息。

进一步，所述免时间戳交互同步机制，具体包括以下步骤：

S11：在第i个通信周期，从节点S在本地时刻向主节点M发送一个普通数据包，数据包中不含任何时间戳信息；

S12：主节点M在成功接收从节点S发来的数据包后，等待一个固定时间间隔Δ再回复一个响应报文，从节点S记录下响应报文到达时刻基于线性时钟模型，计算得到一次数据传输的往返时间间隔为：

其中，表示从节点S和主节点M之间的相对时钟频率偏移，δ表示无线信道传输过程中产生的固定时延，为从节点S到主节点M链路中产生的随机时延，为主节点M到从节点S链路中产生的随机时延。

进一步，所述单向消息传播机制，具体包括以下步骤：

B21：在第j个通信周期，主节点M在本地时刻向从节点S发送一个同步报文，该同步报文包含主节点M的发送时刻

B22：从节点S在成功接收后，记录下同步报文到达时刻根据线性时钟模型，节点M与节点S之间的同步消息单向传递过程表示为：