[发明专利]基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法

说明书

本发明涉及一种基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法面向服从任意分布的有界随机通信时延场景，建立节点间时钟信息和时延的关系模型，充分考虑节点接收到的来自邻居的所有时钟信息，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数，采用序列最小二乘方法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，并利用一致性的时钟同步方法来更新节点的逻辑时钟参数，使得网络中全部节点以完全分布式的方式实现全局时钟的一致。本发明提高了相对频率偏移估计的精度，有效降低了节点的存储开销，提高了一致性同步算法对通信时延的鲁棒性。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法。

背景技术

无线传感器网络是一种典型的分布式无线通信网络，由于具备信息采集、数据处理和无线通信等功能，它在环境监测、医疗健康、工业生产以及危险环境等领域有非常重要的理论意义和应用价值。时间同步是无线传感器网络得以有效应用的重要前提，协议运行、TDMA调度、能量管理、目标定位等多种应用都需要在网络中节点时间保持同步的基础上运行。一致性同步协议作为多代理系统协同控制的研究核心，是解决分布式网络协同控制问题的有效方法。将一致性理论引入无线传感器网络时钟同步能提高同步方法的鲁棒性和扩展性，因此，研究基于一致性的时钟同步方法以解决分布式同步问题具有良好的发展前景。

在实际的无线传感器网络场景中，时钟同步过程中的随机通信时延通常是无法避免的。针对不同的应用场合，随机通信时延可被建模为高斯分布、指数分布、伽马分布等。在考虑通信时延存在的情况下，早期提出的忽略了时延影响的一致性时钟同步方法不能够有效保证网络节点间同步的收敛性。相对频偏估计在一致性时钟同步方法中起着重要的作用，因其估计值会被直接用于逻辑时钟参数补偿中，进而影响一致性时钟同步算法的同步精度和收敛性能。近年来，部分一致性时钟同步算法通过改进相对频偏估计方法，来抑制通信时延对时钟参数估计以及共识同步的影响，进而有效地解决了时延存在情况下同步无法收敛的问题。但是，这些一致性时钟同步方法有两方面的局限性：一是受限于具体的随机时延分布类型，无法很好地应用到时延多变的实际网络环境中；二是使用的频偏估计方法相对简单，无法充分利用节点所接收到的时钟信息来估计更精确的频偏，时间同步的性能也会受到限制。

因此，亟需一种新的能够解决无线传感器网络中一致性时钟同步问题的相对频偏估计方法，使其在任意有界的随机通信时延场景下，具有较低存储需求和较高估计精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法，针对存在任意随机通信时延下一致性时间同步无法收敛问题以及频偏估计过程中未充分利用时钟信息的问题，围绕高效实用的数据处理优化方法，考虑同步高精度和节点低存储的需求，采用序列最小二乘方法来估计相对频偏，并应用估计结果到基于一致性的时钟同步方法中进行逻辑时钟参数补偿，有效地保证一致性时间同步方法在时延存在情况下的收敛性能，同时达到适应不同类型时延场景、提高全网时钟同步精度的效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法，面向服从任意分布的有界随机通信时延场景，建立节点间时钟信息和时延的关系模型，充分考虑节点接收到的来自邻居的所有时钟信息，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数，采用序列最小二乘方法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，并利用一致性的时钟同步方法来更新节点的逻辑时钟参数，使得网络中全部节点以完全分布式的方式实现全局时钟的一致。该方法具体包括以下步骤：

S1：面向服从任意分布的有界随机通信时延场景，建立节点间时钟信息和时延关系模型；

S2：根据通信时延关系建立任意一组本地时钟信息的相对关系；

S3：根据时钟信息的相对关系，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数；