面向无线传感网络的同步时钟技术研究.pdf

丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报面向无线传感网络的同步时钟技术研究蔡云（安徽三联学院 工学部，安徽 合肥 230601）摘要 考虑到传统的时钟同步技术在信息交互过程中产生的延迟具有不确定性，为了消除其对时钟同步的影响，提出了面向无线传感网络的同步时钟技术研究。通过对任意一个网络节点在真实物理时间的本地时间进行变换处理，构建无线传感网络的线性时钟模型，根据高斯分布所具有的加减特性，计算两个连续同步轮次的动态响应时间差值，在离散形式下，构建无线传感网络观测模型。通过计算无线传感网络时钟差值的均值，得到无线传感网络节点的时间戳，将无线传感网络节点数据交互误差补偿的目标函数转换成向量的形式，补偿无线传感网络节点数据交互误差，实现无线传感网络的时钟同步处理。实验结果表明，在微秒级延迟下，该技术的同步精度仍较高，可以有效消除网络信息延迟的不确定性对同步时钟的影响。关键词 无线传感网络；频率偏移；相位偏差；误差补偿；时钟同步；观测模型中图分类号 TP3文献标识码 Adoi:10.3969/j.issn.1674-9340.2024.02.012文章编号 1674-9340（2024）02-0077-06收稿日期：2023-09-07基金项目：安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目“面向无线传感器网络的精准时钟同步技术研究”（项目编号：2022AH051983）。作者简介：蔡云（1986），女，安徽宁国人，硕士，副教授，研究方向为图像处理。引言在无线传感网络中，同步时钟是一项关键的基础性技术。无线传感网络本身的通信协议及其提供的诸多应用与业务，都需要在同一个时钟下开展1。因为无线传感网络节点具有分散的特性，使得网络不能为每一个节点都提供一致的整体时钟2。在整个传感网络中，每个节点都具有各自的晶振和计数器，而且始终维护着自己的本地时钟。由于受到制造工艺的影响，在相同的频率标准下，晶振之间也会有不同，而且还会受到老化、压力等因素的影响，由晶振造成的误差会随着时间的推移而积累起来，从而导致了每一个无线传感网络节点在相同物理时刻的本地时钟存在差别3。国内外许多学者都针对不同节点本地时钟的不同，对同步时钟技术进行了比较深入的研究。雷金勇等人4针对当前国际上普遍存在的电离层-气溶胶延迟、接收机钟差以及卫星钟差等因素的干扰，利用频率回归-差分联合时间测量模式，实现高精度的同步钟生成。首先构建基于频率差异的一元二次线性回归方程，对该方程中的回归因子进行实时估算，修正晶振秒时钟。其次，利用微分共视时间传播模式，构建卫星时间传递差异网络，以晶振秒钟和星系秒钟之间的频率关系为基础，实现对星系级时间传递模式的精确模拟。方子涵等人5针对服从高斯分布的消息延时现象，构建一种新型的信息时滞建模方法，解决信息时滞不确定因素对时钟同步的影响。利用卡尔曼滤波器与分布式时钟同步理论，研究了能够消除消息延迟的时钟同步方法。该方法采用单向传播的方法，使得各参量在接收机中都能得到单独的修正，并利用已知的全局时刻作为修正误差的基准，提高了系统的同步准确性。通过对 5 个节点的 MATLAB 模拟实验以及nRF52832的硬件测试，发现提出的方法在微秒级的时延条件下，能够保持10 s左右的同步准确率，与其他方法相比，具有更高的准确率和稳定性。基于以上研究背景，本文针对无线传感网络设计一种同步时钟技术，从而有效消除网络信息第 43 卷第 2 期保山学院学报2024 年 4 月延迟的不确定性对同步时钟的影响。1 无线传感网络同步时钟技术设计1.1 构建无线传感网络观测模型在无线传感网络中，节点的本地时钟都是通过计数器和单独的晶振进行维护的，但是考虑到晶振受到环境因素的影响比较大，会导致网络节点晶振的运行频率发生偏移6，为了消除无线传感网络时钟同步过程中的频率偏移情况，假设T(K)(t)表示任意一个网络节点K在真实物理时间t时刻的本地时间，可以通过公式（1）计算：T(K)(t)=fKft+(K)（1）上式中，fK表示任意一个网络节点K在真实物理时间t时刻的晶振运行频率，f表示晶振运行的理想频率，(K)表示网络节点K在时钟初始运行时刻与真实物理时间t之间的时钟偏差。无线传感网络的时钟处于理想状态下时，所有网络节点的晶振都在f频率下运行，此时不会产生时钟偏差，但是在实际运行中，由于时间同步问题的存在，无法实现7。将公式（1）扩展到活动节点H和参考节点C，其在真实物理时间t时刻的本地时间T(H)(t)和T(C)(t)之间的时钟关系，可以根据T(C)(t)进行变换处理8，即：T(C)(t)=fCfHT(H)(t)+(C)-fCfH(H)（2）其中，fC表示参考节点C在真实物理时间t时刻的晶振运行频率，fH表示活动节点H在真实物理时间t时刻的晶振运行频率，(C)表示参考节点C在时钟初始运行时刻与真实物理时间t之间的时钟偏差，(H)表示活动节点H在时钟初始运行时刻与真实物理时间t之间的时钟偏差。将活动节点H和参考节点C之间的相对时钟频率偏移定义为()HC，位相偏移为()HC，基于公式（2）的变换处理，构建无线传感网络的线性时钟模型，表示为：T(C)(t)=()1+()HCT(H)(t)+()HC（3）在第i个轮次的同步中，根据活动节点H发送给参考节点C的报文以及参考节点C回复给活动节点H的报文9，得到单向线性时间模型，表示为：T(C)2,i=T(H)1,i+(HC)i+(HC)i()T(H)1,i-T(H)1,1+(HC)+(HC)iT(C)3,i=T(H)4,i+(HC)i+(HC)i()T(H)4,i-T(H)1,1+(CH)+(CH)i（4）上式中，(HC)i表示第i个轮次的同步中，活动节点H与参考节点C的相位偏移，(HC)表示数据从活动节点H传输到参考节点C的固定时延，(HC)i表示数据从活动节点H传输到参考节点C的随机时延，(HC)i表示第i个轮次的同步中，活动节点H与参考节点C的频率偏移，(CH)表示数据从参考节点C传输到活动节点H的固定时延，(CH)i表示数据从参考节点C传输到活动节点H的随机时延。在无线传感网络中，通常将随机时延看作是一个随机变量，本文将随机时延(HC)i和(CH)i看作是一个服从高斯分布的变量10，考虑到活动节点H与参考节点C之间的数据传输与信息交互都是在时间上，被动态响应时间i间隔，保证数据双向传输过程中随机时延的独立性。根据无线传播距离和报文的长度，可以计算出固定时延的大小，固定时延不具有随机性11，因此默认(HC)与(CH)相等。利用T(C)3,i-T(C)2,i定义无线传感网络的动态响应时间i，将公式（4）中的单向线性时间模型做差，得到：i=()1+(HC)i()T(H)4,i-T(H)1,i-2(HC)-()(HC)i+(CH)i（5）根据高斯分布所具有的加减特性，并且无线传感网络在分组传输过程中的往返时间很短，因此，假设时钟偏移频率在两个连续同步轮次中是一致的12，也就是(HC)i与(HC)i+1相等。将两个连续同步轮次的动态响应时间i+1与i做差，得到：i+1-ij=()1+(AR)i i+1-ij-(i+1-i)j（6）其中，i=T(H)4,i-T(H)1,i，i=(HC)i+(CH)i。-78蔡云：面向无线传感网络的同步时钟技术研究以公式（6）为基础，将其与1+(HC)i做除法运算，并用离散形式表示，构建无线传感网络观测模型，表示为：G n =11+(HC)in n +n（7）上式中，n 表示方差为2，均值为0的高斯随机变量。以上通过构建无线传感网络观测模型，消除了无线传感网络时钟同步过程中的频率偏移，为无线传感网络时钟同步提供依据。1.2 补偿无线传感网络节点数据交互误差消除了时钟同步的频率偏移之后，无线传感网络节点在信息交互中仍然会产生时钟差值，通过补偿节点数据交互误差，达到时钟同步的目的。无线传感网络节点在信息交互中产生的时钟差值符合正态分布13，假设时钟差值的子样本空间为O，那么时钟差值的均值为：u =1Oi=1Oui（8）上式中，ui表示时钟差值的子样。如果时钟同步的准确度为max，那么无线传感网络节点与主节点之间同步准确度低于max的概率符合公式（9），即：p|max=erfmmax2d（9）其中，表示时钟同步误差，d表示数据传输延时的方差，m表示无线传感网络节点传输信息的数量。当无线传感网络节点与主节点之间同步准确度低于max时，可以得到无线传感网络节点的时间戳，表达式为：T=ts-tr+tmax（10）式中，ts表示发送端的时间，tr表示接收端的时间。在时钟同步过程中，无线传感网络节点i的本地时间为ti，将其添加到同步数据包中14，并传输给网络节点j，当节点j接收到数据之后，记录本地时间tj，将其作为参考时钟，那么本地时钟与参考时钟的差值为：T*=tj-()ti+T（11）为了降低时钟同步误差，提高无线传感网络的通信效率，构建了无线传感网络节点数据交互误差补偿的目标函数，表示为：U=g=1N z(x+g)-T*2+g=1Nw(g)w(x+g-1)2（12）其中，N表示无线传感网络中通信信号的数量，w(g)表示第g条链路的权重，z(x+g)表示时间点x上第g条链路的时钟同步偏差。将公式（11）的误差补偿目标函数转换成向量的形式15，表示为：U=ZTZ+wWTW（13）上式中，Z表示时钟同步偏差矩阵，W表示权重偏差矩阵。利用向量形式的目标函数，补偿无线传感网络节点数据交互误差，即：w(x)=w(x-1)U+w(x)（14）综上所述，通过补偿无线传感网络节点数据交互误差，实现无线传感网络的时钟同步。2 实验分析为了验证文中技术在无线传感网络时钟同步中的有效性，在Matlab环境下，进行一次实验。-79第 43 卷第 2 期保山学院学报2024 年 4 月实验过程中使用的无线传感网络由5个蓝牙节点和1个监控节点组成，没有设置参照节点。5个蓝牙节点利用同一个程序定期收发网络信息，利用虚拟循环的方法，将目前的时间和其他时钟参数在各自的特殊时隙中发送出去，而其他网络节点收到信息之后，则会根据自己的当前时间，利用运算法则修改自己的时钟参数。利用同步误差衡量同步效果，计算公式为：=maxi,j()i(t)-j(t)（15）其中，i(t)表示同步后的逻辑时钟，j(t)表示同步前的时钟。2.1 仿真实验将无线传感网络节点的硬件漂移率变化值设定为10-5，同步周期为10 s，计数器的频率为24MHz，那么网络节点在一个同步周期内的计数值为2.4108。模拟无线传感网络的硬件运行方式，对通信信息进行虚拟循环收发，对各个网络节点在同步过程中的收敛情况进行分析，得到5个蓝牙节点的同步误差，如图1所示。图1 网络节点的同步误差根据图1的结果可知，文中技术在仿真过程中具有更低的同步误差和波动，同时还能减少因传感网络节点的过度调节而引起的错误，从而增强了网络的稳定性。此外，文中技术还将大幅降低时延对无线传感网络性能的干扰，精确地估算无线传感网络中的漂移率和偏移，保证网络存在延迟时仍能保持稳定运行，且不会造成性能上的明显下降。保持无线传感网络的通信延迟不变，给出传感网络节点数量与同步误差之间的关系，如图2所示。图2 传感网络节点数量与同步误差之间的关系从图2的结果可以看出，随着节点数量的增加，无线传感网络的时钟同步误差逐渐变大，原因是时钟同步处于收敛状态之后，对时钟参数的估计结果会产生比较小的波动，增加网络节点之后，可以导致无线传感网络处于过度调整状态，从而增加了同步误差。2.2 硬件测试在对同步误差进行计算的时候，需要在无线传感网络中设置一个监控节点，并在同一时刻-80蔡云：面向无线传感网络的同步时钟技术研究下，采集5个节点的逻辑时钟值。在通信范围之内收到监控节点的请求之后，记录无线传感网络节点目前的接收时间，并且以目前的漂移率和偏差估计为基础，来计算出目前的逻辑时钟值，在下次发送的时候，将目前的逻辑时钟值一起广播出去，监控节点不参与5个节点的同步过程。硬件测试结果如图3所示。图3 硬件测试结果图3的结果显示，由于文中技术跟踪并估计出传感网络的通信信息延迟情况，内部的时钟可以处于收敛状态，并与全局时钟一致，收敛之后，同步精度可以达到预期水平，验证文中技术在无线传感网络时钟同步中的有效性。2.3 对比分析为了避免实验结果的单一性，引入基于频差回归-差分观测共视授时模型的同步技术和基于延迟补偿的同步技术作对比，测试了无线传感网络的最大同步误差，结果如图4所示。图4 无线传感网络的最大同步误差从图4的结果可以看出，采用基于频差回归-差分观测共视授时模型的同步技术时，由于将频差回归和差分观测结合之后，忽略了延迟对同步过程的影响，导致同步误差变大。采用基于延迟补偿的同步技术时，由于延迟补偿缺少对延迟均值的先验知识，使得同步误差在300 ticks600 ticks之间。而采用文中技术时，通过观测无线传感网络的运行状态，计算本地时钟与参考时钟差值，使得同步误差在200 ticks以内，具有较高的同步精度。3 结束语本文提出了面向无线传感网络的同步时钟技术研究，通过构建无线传感网络观测模型，计算出本地时钟与参考时钟差值，结合同步时钟模型的构建，提高了同步精度。结果显示，该技术在无线传感网络时钟同步中具有较高精度。本文研究虽然取得一定成果，但是还存在很多需要改进的地方，在今后的研究中，希望可以引入一种统计信号估计算法，对同步时钟的频偏进行估计，以提升同步的有效性。-81第 43 卷第 2 期保山学院学报2024 年 4 月参考文献：1 赵仕良，谷婧，张婕，等.任意占空比数字信号位同步时钟盲提取的数字实现J.电子科技大学学报，2021，50（05）：710-719.2 唐智灵，邹鑫，李思敏.空间通信中GMSK信号的载波恢复与时钟同步J.计算机应用研究，2020，37（05）：1522-1527.3 严思哲，龚龙庆，刘露，等.基于P2P透明时钟的环形网络时钟同步方法J.微电子学与计算机，2020，37（10）：69-74.4 雷金勇，白浩，黄秉开，等.基于频差回归-差分观测共视授时模型的高精度同步时钟J.南方电网技术，2022，16（05）：54-60.5 方子涵，李旦，蒋鹏，等.无线传感器网络中延迟补偿的分布式时钟同步算法J.仪器仪表学报，2021，42（12）：92-100.6 程铁栋，陶征亮，易其文，等.基于滑模控制的IEEE1588时钟同步算法研究J.电子测量与仪器学报，2021，35（07）：178-184.7 王清，荆臻，代燕杰，等.基于电力线载波通信协议的时钟同步方法研究J.电测与仪表，2022，59（10）：184-190.8 崔永俊，韩一德，郭峰.基于IEEE1588协议的高精度时钟同步系统设计与实现J.仪表技术与传感器，2021，（12）：97-101.9 刘广钟，田纪尧，孔维全.基于节点测速的水下传感器时钟同步迭代算法J.计算机工程与设计，2020，41（06）：1522-1527.10 魏连锁，李华，吴迪，等.基于BP神经网络模型时钟同步误差补偿算法J.物理学报，2021，70（11）：143-153.11 安葳鹏，邵一帆.基于改进灰狼优化算法的无线传感器网络路由协议J.传感技术学报，2022，35（05）：676-682.12 伊德尔昆，孙锴，王滨，等.无线传感器网络时钟同步中节点之间的延时分布J.计算机应用，2020，40（S2）：85-89.13 曾宇涛，刘泽响，徐丹妮.一种时间敏感网络时钟同步的端口增强方法J.微电子学与计算机，2021，38（07）：85-90.14 冯帆，王军，陈小磊，等.超宽带室内定位无线时钟同步设计与实现J.电子技术应用，2021，47（09）：105-110.15 余世明，周景远，何德峰，等.随机有界通信时延下传感器网络中的一致性时钟同步算法J.控制与决策，2020，35（05）：1159-1166.Research on Synchronization Clock Technology for Wireless Sensor NetworksCAI Yun(Faculty of Engineering,Anhui Sanlian University,Hefei Anhui 230601,P.R.China)Abstract:Considering the uncertainty of the delay caused by traditional clock synchronization technologyin the process of information interaction,in order to eliminate its influence on clock synchronization,aresearch on synchronous clock technology for wireless sensor networks is proposed.By transforming the localtime of any network node in real physical time,the linear clock model of wireless sensor network is constructed.According to the addition and subtraction characteristics of Gaussian distribution,the dynamicresponse time difference between two consecutive synchronous rounds is calculated,and the observationmodel of wireless sensor network is constructed in discrete form.By calculating the average value of clockdifference of wireless sensor network,the time stamp of wireless sensor network nodes is obtained,and theobjective function of data interaction error compensation of wireless sensor network nodes is converted intovector form to compensate data interaction error of wireless sensor network nodes,thus realizing clocksynchronization of wireless sensor network.The experimental results show that under microsecond leveldelay,the synchronization accuracy of this technology is still high,and it can effectively eliminate the impactof network information delay uncertainty on the synchronization clock.Keywords:Wireless sensor network;Frequency offset;Phase deviation;Error compensation;Clocksynchronization;Observation model-82