一種適用于wia-pa網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及適用于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的一種 時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其功耗低，成本小的特點(diǎn)，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展的 一個(gè)熱門(mén)方向。WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)（面向工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)）基于短程無(wú) 線通信IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)，WIA-PA的數(shù)據(jù)鏈路層兼容并擴(kuò)展了IEEE802. 15. 4的超幀結(jié) 構(gòu)。WIA-PA的數(shù)據(jù)鏈路層支持基于時(shí)隙的跳頻、重傳、CSM和TDM混合信道訪問(wèn)機(jī)制，以 此保證了傳輸?shù)目煽啃约皩?shí)時(shí)性。因此為了保證TDMA機(jī)制的可靠性，對(duì)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中的 設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步是極其重要的。
[0003] 根據(jù)時(shí)間信息在時(shí)間同步過(guò)程中記錄方式的不同，可將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同 步方法分為以下三類(lèi)：基于單方向的同步算法、基于報(bào)文信息交換的同步算法和基于接收 方一接收方的同步算法?；趩畏较虻耐剿惴ㄖ饕‵TSP算法、DMTS算法，基于報(bào)文 信息交換的算法主要有LTS算法、TPSN算法，基于接收方一接收方的同步算法主要是指RBS 算法。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制主要有信標(biāo)幀同步和命令幀同步，子設(shè)備接收來(lái)自時(shí)間 源周期性廣播的附帶時(shí)間信息的信標(biāo)幀，記錄接收到信標(biāo)幀時(shí)的本地時(shí)間，通過(guò)簡(jiǎn)單地對(duì) 比這兩個(gè)時(shí)間，得到本設(shè)備時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移，用時(shí)鐘偏移調(diào)整本地時(shí)鐘；此外， 還可以通過(guò)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)有的時(shí)間同步命令幀進(jìn)行二次同步。
[0004] 在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中，為完成節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，消息報(bào)文的傳輸是必須的，然而報(bào) 文收發(fā)中的各類(lèi)時(shí)延對(duì)時(shí)間同步的精度有重要影響。圖1給出了信息收發(fā)過(guò)程中的時(shí)間 延遲分解圖，如圖所示，為了更好分析報(bào)文傳輸中的誤差，可以將消息報(bào)文收發(fā)的時(shí)間時(shí)延 分為六部分：發(fā)送時(shí)延（SendTime)、訪問(wèn)時(shí)延（AccessTime)、傳輸時(shí)延（Transmission Time)、傳播時(shí)延（PropagationTime)、接收時(shí)延（ReceptionTime)和接收處理時(shí)延 (ReceiveTime)，這六類(lèi)時(shí)延是影響時(shí)間同步的關(guān)鍵因素。
[0005] 目前WIA-PA網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制存在的主要問(wèn)題如下：首先，現(xiàn)有的信標(biāo)幀同步機(jī) 制僅僅簡(jiǎn)單估計(jì)了時(shí)鐘偏移，卻沒(méi)有對(duì)更重要的頻率偏移進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，導(dǎo)致在同步周 期的間隔時(shí)間內(nèi)，時(shí)間誤差迅速積累，時(shí)間源不得不加快信標(biāo)幀廣播的頻率以維持網(wǎng)絡(luò)基 本的時(shí)間同步精度。其次，在時(shí)間參數(shù)的估計(jì)過(guò)程中，沒(méi)有排除報(bào)文收發(fā)過(guò)程中的發(fā)送時(shí) 延、訪問(wèn)時(shí)延、傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延、接收時(shí)延和接收處理時(shí)延等六類(lèi)時(shí)延對(duì)估計(jì)結(jié)果影響， 導(dǎo)致調(diào)整后的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間還有較大的偏差，降低了同步精度；最后，一般的時(shí)鐘偏移和 頻率偏移聯(lián)合估計(jì)方法，具有運(yùn)算量大、復(fù)雜度較高的缺點(diǎn)，而且很少考慮本發(fā)明提出的子 節(jié)點(diǎn)在每個(gè)同步周期對(duì)本地時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，然后單獨(dú)估計(jì)相對(duì)頻率偏移這種更符合實(shí)際場(chǎng) 景的情形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種提高WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步精度， 延長(zhǎng)時(shí)間同步周期，減少信標(biāo)幀廣播頻率，降低網(wǎng)絡(luò)的通信開(kāi)銷(xiāo)以及節(jié)點(diǎn)的能耗的適用于 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種適用于WIA-PA網(wǎng) 絡(luò)的時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法，其包括以下步驟：
[0007] 101、工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WIA-PA中的子節(jié)點(diǎn)P通過(guò)接收時(shí)間源設(shè)備A周期性廣 播的信標(biāo)幀，從接收到的信標(biāo)幀中獲得時(shí)間源設(shè)備A發(fā)送信標(biāo)幀的時(shí)刻Im00和子節(jié)點(diǎn)P接 收信標(biāo)幀的時(shí)刻T2，i(p)，計(jì)算兩者的差值A(chǔ)Ti=TUw-Tuw作為時(shí)間調(diào)整量，并在隨后的 一個(gè)時(shí)間T5^rt減去時(shí)間調(diào)整量ATi作為子節(jié)點(diǎn)P自己的本地時(shí)間；重復(fù)上述過(guò)程，經(jīng)過(guò)N 個(gè)同步周期后，采用頻率偏移估計(jì)公式單獨(dú)估計(jì)本地時(shí)鐘相對(duì)于時(shí)間源的頻率偏移
[0008] 102、當(dāng)需要上報(bào)時(shí)間時(shí)，子節(jié)點(diǎn)P利用估計(jì)出的相對(duì)頻率偏移根據(jù)公式 (l+pmrW-AT；)將本地時(shí)間轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)P的當(dāng)前時(shí)間，并以節(jié)點(diǎn)P的當(dāng)前時(shí)間上報(bào)。
[0009] 進(jìn)一步的，當(dāng)步驟101中的時(shí)間源設(shè)備A和子節(jié)點(diǎn)P要實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，時(shí)間源設(shè)備 A作為時(shí)間參考節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)P是待同步節(jié)點(diǎn)，所述時(shí)間同步步驟包括：
[0010]A0、節(jié)點(diǎn)A的MAC層生成信標(biāo)幀，在信標(biāo)幀中預(yù)留發(fā)送時(shí)間戳位置，在節(jié)點(diǎn)A發(fā)送 信標(biāo)幀到定界符SFD時(shí)，產(chǎn)生中斷，把發(fā)送時(shí)間戳加入到信標(biāo)幀中預(yù)留的發(fā)送時(shí)間戳位置； 節(jié)點(diǎn)A通過(guò)無(wú)線接口周期性地廣播信標(biāo)幀；
[0011]A1、子節(jié)點(diǎn)P的MAC層接收信標(biāo)幀，在SFD中斷記錄下接收時(shí)間戳并賦值到變量 T2,i(P)i：，T2,i(P)表示子節(jié)點(diǎn)P接收信標(biāo)幀的時(shí)刻，解析出信標(biāo)幀得到發(fā)送時(shí)間戳并賦值到變 量Tu(A)上，Tu(A)表示時(shí)間源設(shè)備A發(fā)送信標(biāo)幀的時(shí)刻；
[0012]A2、節(jié)點(diǎn)P的應(yīng)用層根據(jù)公式ATi=T2，嚴(yán)-Im00計(jì)算時(shí)間調(diào)整量ATi，并在隨后 的一個(gè)時(shí)間T5Yrt調(diào)整自己的時(shí)間，即在當(dāng)前本地時(shí)間上減去調(diào)整量AT,作為新的時(shí)間；
[0013]A3、重復(fù)步驟A1、A2,并將點(diǎn)Om00Juw)保存到相應(yīng)數(shù)組中，經(jīng)過(guò)N個(gè)周期后， 節(jié)點(diǎn)P的應(yīng)用層根據(jù)頻率偏移估計(jì)公式
[0015]估計(jì)出節(jié)點(diǎn)P相對(duì)于節(jié)點(diǎn)A的頻率偏移|5"P)，式中，Im00為節(jié)點(diǎn)A發(fā)送第i個(gè)信 標(biāo)幀的時(shí)刻，T2^rt為節(jié)點(diǎn)P接收到第i個(gè)信標(biāo)幀的時(shí)刻，TIhw為節(jié)點(diǎn)P接收到第i-1個(gè) 信標(biāo)幀的時(shí)刻，N為時(shí)間同步的次數(shù)。
[0016] 進(jìn)一步的，步驟AO中所述的信標(biāo)幀通過(guò)廣播的方式發(fā)送，信標(biāo)幀的源地址為節(jié)點(diǎn) A的地址，信標(biāo)幀時(shí)間同步機(jī)制為單向報(bào)文時(shí)間同步。
[0017] 進(jìn)一步的，步驟101中的N為1即對(duì)于第一個(gè)同步周期時(shí)，T2，/p)可表示為：
[0018]T2r=T^A) +0,n<JP, +p{AP){T^A)-10) + d{iP) +X^iF)+ p{AP\dUP)+X^F))
[00i9]其中，P(ApiPYa"1分別為相對(duì)頻率偏移和h時(shí)刻的初始時(shí)鐘偏移，信標(biāo)幀收發(fā)過(guò) 程中的固定延遲為d(AP)，隨機(jī)延遲為Xi(AP)，P(AP) (Cl0uVX1M)表示的是信標(biāo)幀收發(fā)過(guò)程中由 于頻率偏移而積累的同步誤差，節(jié)點(diǎn)P在隨后的一個(gè)時(shí)間T5^rt利用兩個(gè)時(shí)間戳的差值A(chǔ)T1 =(T2^-Im00)來(lái)調(diào)整本地時(shí)間，節(jié)點(diǎn)P調(diào)整后的時(shí)間可用T5，/p)^表示，則有
[0026] 設(shè)T5，/P)#時(shí)刻對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)A的時(shí)間為T(mén)5，/A)%此時(shí)由于節(jié)點(diǎn)P的本地時(shí)間剛剛進(jìn) 行了調(diào)整，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)P的時(shí)間非常接近，因此可設(shè)T5，/P)#=TM00'
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0028] 1、本發(fā)明提供的適用于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法，子節(jié)點(diǎn)在每 個(gè)同步周期收到信標(biāo)幀后對(duì)本地時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)多個(gè)同步周期后單獨(dú)對(duì)相對(duì)頻率偏移 進(jìn)行估計(jì)，減少了同步誤差在時(shí)間同步周期內(nèi)的自由增長(zhǎng)，有效提高了時(shí)間同步精度，延長(zhǎng) 了同步周期，降低了網(wǎng)絡(luò)的通信開(kāi)銷(xiāo)以及節(jié)點(diǎn)的能耗。
[0029] 2、本發(fā)明在頻率偏移的估計(jì)過(guò)程中不僅充分考慮了報(bào)文接收過(guò)程中的發(fā)送時(shí)延、 訪問(wèn)時(shí)延、傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延、接收時(shí)延和接收處理時(shí)延等六類(lèi)時(shí)延，還對(duì)信標(biāo)幀收發(fā)過(guò) 程中同步誤差由于頻率偏移造成的自由增長(zhǎng)進(jìn)行了處理，使同步模型更符合實(shí)際情況，估 計(jì)結(jié)果更準(zhǔn)確。
[0030] 3、本發(fā)明提供的適用于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步頻率偏移估計(jì)方法，其頻率偏移 估計(jì)表達(dá)式只與發(fā)送時(shí)間戳1\，嚴(yán)、接收時(shí)間戳'嚴(yán)有關(guān)，且不受調(diào)整時(shí)刻T5，嚴(yán)、固定延 遲d(AP)的影響。因此，僅僅需要|IL('4,1=這2類(lèi)時(shí)間戳就能有效地估計(jì)出相對(duì)頻率偏移， 具有計(jì)算簡(jiǎn)單、方法新穎的優(yōu)點(diǎn)。
[0031] 4、本發(fā)明考慮了子節(jié)點(diǎn)在每個(gè)周期都對(duì)本地時(shí)間進(jìn)行調(diào)整最后再單獨(dú)估計(jì)頻率 偏移的情形，不需要使用對(duì)時(shí)鐘偏移和頻率偏移的聯(lián)合估計(jì)方法，減少了待估計(jì)參數(shù)的個(gè) 數(shù)和估計(jì)復(fù)雜度，更符合實(shí)際場(chǎng)景。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1是信息收發(fā)時(shí)延分解圖；
[0033] 圖2:本發(fā)明提供的彳目標(biāo)幀同步不意圖；
[0034] 圖3 :本發(fā)明提供的頻率偏移估計(jì)結(jié)果性能對(duì)比圖；
[0035] 圖4 :本發(fā)明提供的頻率偏移估計(jì)方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0037] 本發(fā)明的核心思想是：基于單向廣播的信標(biāo)幀，記錄其發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間，使 用兩者的差值作為時(shí)間調(diào)整量并用其調(diào)整本地時(shí)間，如此反復(fù)執(zhí)行多個(gè)周期后，利用統(tǒng)計(jì) 信號(hào)估計(jì)方法單獨(dú)估計(jì)出頻率偏移，用于補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，從而降低在兩個(gè)同步周期 之間的時(shí)間內(nèi)同步誤差由于的自由增長(zhǎng)，有效提高WIA-PA信標(biāo)幀的時(shí)間同步精度。
[0038] 圖2為本發(fā)明提供的信標(biāo)幀同步示意圖。節(jié)點(diǎn)A為時(shí)間源，節(jié)點(diǎn)P為待同步節(jié)點(diǎn)， h為時(shí)間同步開(kāi)始時(shí)刻，信標(biāo)幀的發(fā)送時(shí)間戳和接收時(shí)間戳分為別T
[0039] 對(duì)于第一個(gè)同步周期，T2，/P)可表示為：
[0041] 其中，P(AP)和分別為相對(duì)頻率偏移和h時(shí)刻的初始時(shí)鐘偏移，信標(biāo)幀收發(fā) 過(guò)程中的固定延遲為d(AP)，隨機(jī)延遲為Xi(AP)