引用本文

王恒, 彭政岑, 马文巧, 李敏. 免时间戳交互的无线传感网隐含节点同步参数估计算法. 自动化学报, 2022, 48(11): 2788−2796 doi: 10.16383/j.aas.c220062

Wang Heng, Peng Zheng-Cen, Ma Wen-Qiao, Li Min. Synchronization parameter estimation algorithm of silent node in wireless sensor networks with timestamp-free exchange. Acta Automatica Sinica, 2022, 48(11): 2788−2796 doi: 10.16383/j.aas.c220062

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c220062

关键词

时间同步，参数估计，免时间戳同步，无线传感器网络 

摘要

能效是无线传感网(Wireless sensor networks, WSNs)时间同步机制设计时需考虑的一个关键因素. 近年来, 隐含同步和免时间戳同步两种低功耗同步机制备受关注. 前者利用监听方式节省了发送同步信息所带来的能耗; 后者则通过接收端的定时响应, 无需在交互过程中传递时间戳, 减少了能量开销. 将免时间戳同步与隐含同步相结合, 能够进一步降低无线传感网同步功能实施所导致的额外能耗. 但目前免时间戳交互下的隐含节点只能估计时钟漂移, 无法估计时钟偏移. 针对该问题, 提出了一种基于最大似然估计(Maximum likelihood estimation, MLE)的免时间戳同步参数估计算法, 实现对隐含节点时钟漂移和偏移参数的联合估计, 并推导获得了对应估计器的性能界限. 仿真结果验证了所提估计器的有效性.

文章导读

无线传感网(Wireless sensor networks, WSNs)由负责感知和传输任务的传感器节点组成, 具有功耗低、成本小、易部署的优势, 被广泛应用于环境监控、工业控制等领域[1-3]. 时间同步是无线传感网的关键技术之一. 无线传感网的许多基础功能, 例如数据融合、传输调度和目标定位等, 都需要节点间的精确时间同步[4-6]. 因此, 对无线传感网中的时间同步技术进行研究和探索具有重要意义.

由于时钟的启动时刻和振荡器的变化特性不同, 传感器节点时钟之间通常存在两方面的偏差. 一方面是时钟的初始相位偏差, 称之为时钟偏移; 另一方面是时钟运行速率的偏差, 称之为时钟漂移. 无线传感网中的节点之间要维持高精度同步, 就需要利用时间同步技术计算相对时钟漂移和偏移. 如果仅对时钟漂移进行估计, 那么只能校正节点之间的时钟速率偏差, 而相位偏差会一直存在, 导致同步无法实现. 反之, 若只估计时钟偏移, 虽然能够校正相位偏差, 但是振荡器的差异会导致同步时间较短, 从而需要频繁地进行重同步. 因此, 为了避免上述情况的出现, 就必须对时钟漂移和偏移参数进行联合估计.

无线传感网时间同步机制的设计所面临的一项重要挑战是: 如何尽可能地减少同步能耗. 由于网络中节点间的同步通常需要传输同步信息, 而同步信息传输所需能耗占据同步能耗的绝大部分. 因此, 一个有效的解决方案是设计以最小化同步信息传输数量为目标的低功耗同步协议. 隐含同步是其中的一个典型协议[7], 它基于无线媒介的广播特性, 利用监听策略隐式地获取同步信息, 可以显著减少同步信息传输数量. 在该机制中, 一个活跃节点(既发送同步信息又接收同步信息)和一个时钟源节点之间执行双向信息交换同步操作, 而一些位于这两个节点重叠通信范围内的节点(称之为隐含节点), 只需监听它们之间的信息交换过程就能实现与时钟源节点的同步. 在此过程中, 隐含节点仅接收了信息, 没有发送任何信息, 大幅度地降低了同步能耗. 文献[7-9]基于隐含同步机制, 在不同的网络场景下, 利用统计信号处理技术设计了多种同步算法, 实现节点之间的高精度低能耗同步. 文献[10-11]则将隐含同步机制与另一种同步机制(校正式同步)相结合, 节点仅以少量的能量就能在估计时钟参数的同时校正自己的本地时钟, 实现实时的同步. 此外, 文献[12]还将隐含同步机制应用到了水下无线传感网中, 提出适用于水下传感器节点的低功耗同步算法.

免时间戳同步是近年来提出的另一种低能耗的同步机制[13-16]. 由于其交互过程无需时间戳, 同步功能可以无缝嵌入现有网络数据流, 从而能够显著减少能耗. 在免时间戳同步中, 首先活跃节点发送不含时间戳的数据包给时钟源节点, 并记录此时的本地时间; 接着时钟源节点接收到数据包后在预定义的响应时间间隔返回不含时间戳的数据包; 最后活跃节点在接收到返回的数据包后记录自己的本地时间, 并通过预定义的响应时间间隔规则估计时钟参数, 与时钟源节点达到同步. 该机制利用接收方对发送方的预定义响应时间来传递同步信息, 避免了专用同步帧的传输. 文献[13]提出一种基于和响应策略的免时间戳同步协议, 其中时钟源节点响应时间和接收时间的和满足特定的规则. 通过在两个不同的时间间隔各返回一个响应数据包, 文献[14]提出一种跟随响应免时间戳同步协议. 但是, 由于跟随响应数据包的存在, 限制了该协议在实际网络中的应用. 为解决上述问题, 文献[15]提出一种基于动态响应的免时间戳同步协议, 利用特定的映射规则, 将连续的两个或多个同步周期的响应时间设置为不同值, 消除了跟随响应数据包的传输. 进一步, 文献[16]提出一种免时间戳交互与单向传输混合的同步机制, 实现了时钟漂移和偏移的联合估计.

将免时间戳同步与隐含同步相结合, 能够联合发挥两种同步机制的低能耗优势, 从而进一步降低无线传感网同步能耗开销. 文献[15]对其进行了初步的研究, 但是, 在基于动态响应的免时间戳同步方法中, 隐含节点只能估计时钟漂移, 不能估计时钟偏移, 从而无法实现隐含节点的完全同步. 因此, 针对此问题, 本文提出了一种在不传递时间戳的情况下, 隐含节点能够联合估计时钟漂移和偏移的低功耗同步协议. 主要贡献如下:

1)提出了一种基于免时间戳交互的隐含同步协议, 隐含节点记录监听到数据包的本地时间戳, 再结合预定义的响应规则就能完成对时钟漂移和偏移的联合估计, 以少量的能耗达到与时钟源节点的完全同步;

2)针对典型的高斯随机时延, 推导了隐含节点时钟漂移和偏移的联合最大似然估计器(Maximum likelihood estimator, MLE), 以及相应的克拉美罗下限(Cramer-Rao lower bound, CRLB);

3)仿真结果表明, 所提估计算法能够有效实现对隐含节点时钟漂移和偏移参数的免时间戳联合估计, 并具有达到CRLB的优良性能.

图 1  网络结构图

图 2  节点Q监听节点O与节点P之间的N轮免时间戳交互

图 5  不同系数ξ下时钟漂移估计器性能对比结果

本文提出了一种能够联合估计免时间戳同步场景中隐含节点的时钟漂移和偏移的同步协议. 在高斯随机时延下, 推导了隐含节点时钟漂移和偏移的最大似然估计器和相应的CRLB. 最后, 通过数值仿真验证了所提估计器的有效性, 并且与现有的相关同步方案在估计性能、能量开销和计算数量三个方面进行了对比, 论证了所提方案低功耗的优势.

作者简介

王恒

重庆邮电大学自动化学院教授. 2010年获得重庆大学博士学位. 主要研究方向为工业物联网, 无线传感器网络和时间同步. 本文通信作者. E-mail: wangheng@cqupt.edu.cn

彭政岑

重庆邮电大学自动化学院硕士研究生. 主要研究方向为无线传感器网络, 时间同步. E-mail: pengzhengcen_pzc@163.com

马文巧

重庆邮电大学自动化学院硕士研究生. 主要研究方向为无线传感器网络, 时间同步. E-mail: mawenqiaoemail@163.com

李敏

重庆邮电大学自动化学院副教授. 2014年获得重庆大学博士学位. 主要研究方向为无线传感器网络, 无线功率传输和无人机. E-mail: limin@cqupt.edu.cn