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。
技术实现要素：
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；
s4：采用序列最小二乘法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，然后利用一致性的时钟同步法来更新节点的逻辑时钟参数，估计出节点间的相对频偏后，周期性重复相对频偏估计以及逻辑时钟参数更新操作，直到整个网络节点的逻辑时钟达到同步的效果。
进一步，步骤s1中，建立的节点间时钟信息和时延关系模型，具体包括：假设网络中的任意传感器节点i都以间隔t周期性广播本地时钟
其中，
进一步，步骤s2中，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，具体包括：邻居节点j收到n 1个来自节点i的同步时钟信息后，它将获得n 1组本地时钟观测值
其中，αij和βij分别表示节点i相对于节点j的相对频率偏移和相对相位偏移，αj表示节点j的本地时钟频率偏移。
进一步，步骤s3中，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数，具体包括：根据时钟信息的相对关系，对通信时延项进行处理，降低时延对参数估计和时钟同步的影响，将本地时钟信息的相对关系式中时延部分考虑为一个误差函数：
扩展误差函数到所有本地时钟观测，然后应用最小二乘原理来处理误差，得到以下包含时钟参数αij和βij的成本函数j(αij,βij)：
通过最小化成本函数来获取相对相位偏移估计和相对频率偏移估计。
进一步，步骤s4中，基于最小二乘原理的相对频偏估计为最小化成本函数j(αij,βij)所求得的值，成本函数中包含了所有接收记录的时钟信息，随时间同步过程的进行节点需存储的时钟信息
s41：在第一轮同步中，节点j接收并存储两组时钟信息
此外，为了开始时钟参数迭代估计过程，第一轮同步过程中的协方差矩阵被设定为：
σ(1)＝(ht(1)h(1))-1
其中，h(1)＝[h(0)h(1)]t，
s42：对于第m(m＝2,3,4,...,n)轮同步过程，节点j只需要存储当前轮接收到的时钟信息
估计更新：
增益更新：
协方差更新：σ(m)＝(i2-k(m)ht(m))σ(m-1)
其中，
进一步，步骤s4中，所述的逻辑时钟参数包括：逻辑频偏补偿和逻辑相偏补偿。
本发明的有益效果在于：
1)本发明考虑了服从任意分布类型的有界通信时延，利用节点间的时延关系建立了时钟信息模型，并采用适用于任何分布的序列最小二乘方法对相对频率偏移进行估计，提高了一致性时钟同步对多类型时延的鲁棒性。
2)本发明采用基于最小二乘原则，直接对所有的时钟信息进行处理，通过每对时钟信息的关系构造出成本函数，通过最小化包含所有时钟信息的成本函数获得了更高精度的相对频率偏移估计值，有效地保证了一致性时钟同步的收敛性能。
3)本发明重点考虑了使用序列最小二乘法来应对节点存储容量受限，无法存储所记录的所有时钟信息的场景，通过利用节点的相对时钟关系和标准最小二乘法可迭代计算的特点，使得节点在每一轮同步估计中无需存储接收到的所有时钟信息，而只需要存储当前同步轮次收到的时钟信息、上一轮同步过程中的相关估计值以及上一轮计算得到的协方差矩阵，在获取到高精度的时钟参数估计前提下，还能有效降低节点的存储和计算开销。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为分布式的无线传感器网络通信拓扑图；
图2为时延下节点间时钟同步信息交互示意图；
图3为本实施例基于序列最小二乘频偏估计方法下的一致性同步方法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图3，图1为本发明考虑的分布式的无线传感器网络通信拓扑图，如图1所示，无线传感器网络中随机分布的每个传感器节点周期性广播本地时钟信息，同时又接收其通信范围内的节点广播的时钟信息。无线传感器网络的通信拓扑可以被表示为一个强连通的有向图
图2表示时延下节点间时钟同步信息交互示过程，示意图以两个相邻节点i和j在本地时间尺度上和真实时间尺度上的同步交互情况为例，节点i以间隔t周期性传递本地时钟信息
其中，
其中，αij和βij分别表示节点i相对于节点j的相对频偏和相对相偏，αj表示节点j的本地时钟频偏。为减小时延对相对频偏估计的影响，将时钟关系式中的时延部分看作一个误差函数
扩展误差函数到记录的n 1对时钟信息，利用标准最小二乘法来同时处理所有的时钟信息对应的误差即可获取成本函数j(αij,βij)：
接着是对成本函数进行最小化处理来获取参数估计值的过程，先求取j(αij,βij)相对于未知参数αij和βij的偏导，令求取的偏导表达式结果等于零，联立两个偏导等式和周期广播时刻
因为考虑到了所有记录过的时钟信息，因此获取的相对频偏估计
从标准最小二乘法推导得出的相对频偏估计表达可以看到，节点需要存储所记录的全部时钟信息用于参数估计，且需要的计算量相对繁杂。显然，随着同步轮次的增加，接收到的同步时钟信息数量会随之增多，对于传感器节点存储容量有限和计算能力受限、不能够存储所记录的全部时钟信息的场景，需要特别考虑降低存储开销，设计一种完全等效的序列最小二乘估计方法。由于在成本函数中存在两个参数需要估计，因此至少需要两个时钟信息作为估计的初始化点，同时为方便在序列最小二乘估计过程中使用将待估计参数记为矢量形式θ＝[αijβij]t。在第一轮同步过程中，节点j需要记录两个时钟信息
其中，
估计更新：
增益：
协方差更新：σ(n)＝(i2-k(n)ht(n))σ(n-1)
其中，
实施例1：
图3为本实施例基于序列最小二乘的一致性时钟同步频率偏移估计方法流程图。本实施例提供了一种用于平均一致性同步的基于序列最小二乘的相对频偏估计方法，如图3所示，具体包括以下步骤：
m1：时钟同步过程开始。
m2～m4：初始化时钟同步参数包括相对时钟频偏和相对时钟相偏，设置同步广播周期，节点判断是否满足周期性广播的条件，若是则广播自身的时钟同步消息，否则等待直到广播条件满足。
m5～m6：通信范围内的邻居节点接收同步时钟信息并记录接收时刻自己的本地时钟值，利用此轮时钟信息建立通信时延下节点间的相对时钟关系。
m7：邻居节点对时钟关系中的时延部分进行处理，通过最小化时延对相对频偏估计的影响构造误差函数和成本函数。
m8：如果是第一轮同步过程，节点根据成本函数和记录的时钟信息估计第一轮同步过程中的相对频率偏移和相对相位偏移，并计算第一轮同步迭代过程中的协方差矩阵；如果是第m＞1轮同步过程，节点根据此轮接收到的时钟信息和上一轮同步存储的估计信息，采用序列最小二乘方法迭代估计此轮同步下的相对频率偏移。
m9：采用基于平均一致性的同步协议更新逻辑时钟参数补偿，主要包括逻辑频偏补偿和逻辑相偏补偿。
m10～m11：判断网络中所有节点的逻辑时钟是否满足同步结束条件，包括逻辑频偏误差是否一致、逻辑相偏误差是否维持在一个较低的范围内、逻辑时钟误差是否在一个可接受的范围内，若达到期望的同步效果则结束，否则继续监听时钟同步信息、更新相对频偏估计和逻辑时钟参数补偿等同步过程，直到满足同步结束的条件。
在估计出节点间的相对频偏后，将其应用到一致性同步方法中补偿节点的逻辑时钟参数，比如基于平均一致性协议的频偏补偿和相偏补偿。周期性重复相对频偏估计、逻辑频偏补偿和逻辑相偏补偿过程，直到分布式网络中的所有节点的逻辑时钟达到同步。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1.一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，其特征在于，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；
s4：采用序列最小二乘法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，然后利用一致性的时钟同步法来更新节点的逻辑时钟参数，估计出节点间的相对频偏后，周期性重复相对频偏估计以及逻辑时钟参数更新操作，直到整个网络节点的逻辑时钟达到同步的效果。
2.根据权利要求1所述的一致性时钟同步频率偏移估计方法，其特征在于，步骤s1中，建立的节点间时钟信息和时延关系模型，具体包括：假设网络中的任意传感器节点i都以间隔t周期性广播本地时钟
其中，
3.根据权利要求2所述的一致性时钟同步频率偏移估计方法，其特征在于，步骤s2中，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，具体包括：邻居节点j收到n 1个来自节点i的同步时钟信息后，它将获得n 1组本地时钟观测值
其中，αij和βij分别表示节点i相对于节点j的相对频率偏移和相对相位偏移，αj表示节点j的本地时钟频率偏移。
4.根据权利要求3所述的一致性时钟同步频率偏移估计方法，其特征在于，步骤s3中，构建时钟参数估计模型和基于最小二乘原则的成本函数，具体包括：根据时钟信息的相对关系，对通信时延项进行处理，将本地时钟信息的相对关系式中时延部分考虑为一个误差函数：
扩展误差函数到所有本地时钟观测，然后应用最小二乘原理来处理误差，得到以下包含时钟参数αij和βij的成本函数j(αij,βij)：
通过最小化成本函数来获取相对相位偏移估计和相对频率偏移估计。
5.根据权利要求4所述的一致性时钟同步频率偏移估计方法，其特征在于，步骤s4中，采用序列最小二乘法迭代估计节点间的相对时钟频率偏移，具体包括以下步骤：
s41：在第一轮同步中，节点j接收并存储两组时钟信息
此外，为了开始时钟参数迭代估计过程，第一轮同步过程中的协方差矩阵被设定为：
σ(1)＝(ht(1)h(1))-1
其中，h(1)＝[h(0)h(1)]t，
s42：对于第m(m＝2,3,4,...,n)轮同步过程，节点j只需要存储当前轮接收到的时钟信息
估计更新：
增益更新：
协方差更新：σ(m)＝(i2-k(m)ht(m))σ(m-1)
其中，
6.根据权利要求1所述的一致性时钟同步频率偏移估计方法，其特征在于，步骤s4中，所述的逻辑时钟参数包括：逻辑频偏补偿和逻辑相偏补偿。
技术总结