無線傳感器網絡成對節點同步方法研究

賈潤亮

(山西省財政稅務專科學校,山西 太原 030024)

0 引言

傳感器網絡全網時間同步的實現需要經歷從簡單到復雜的過程,要求對信道搶占、網絡拓撲等相關影響因素進行剔除,并設計成對節點同步算法,在此基礎上進一步探究成對階段同步算法在影響因素介入情況下的運行效果,進而不斷調整、優化算法。 所以開展無線傳感器網絡成對節點同步方法研究具有重要意義,能夠為全網時間同步算法的設計奠定基礎,對無線傳感器網絡的實踐運用發展也極為有利。

1 無線傳感器網絡成對節點同步概述

無線傳感器能夠借助多跳的形式,利用無線信道,使源節點上數據包(內含相關信息)目的節點進行傳輸[1]。

無線傳感器網絡下,各節點的晶體振蕩器能夠形成對應的時間,通過線性模型運行。 線性模型公式為:

公式中,節點I同參考節點之間的初始相位差表示成φ,而節點i的頻率和參考節點頻率二者之比表示成ω。

鑒于傳感器節點晶振所采用制造方式存在差異,且外部環境改變使節點之間存在頻率偏移、相位偏移的狀況[2]。 參考節點工作時間通過X 軸來表示,同步節點工作時間用Y 軸表示,實線、虛線則分別為標準時鐘、待同步時鐘。 若在X 軸對特定點進行設定,則由曲線構成的差異部分則為節點之間存在的時間差。

節點時間同步時,就需要用到帶有時間戳的信令。過程中,第一步需要研究時間信令的時延組成。 因為在無線傳感器網絡節點進行交互信息時,經常會出現延遲的問題,而根據構成分類又能夠劃分為隨機延遲、確定性延遲兩大類[3]。 其中,前者可以表示成Xk,包括接入時間、信道搶占時間兩部分內容;而后者可以表示為d,涵蓋硬件內置系統處理時間、傳播時間兩部分。

2 單向型貝葉斯估計同步算法

上述公式中,A,X分母不相關,A作為指數變量為二次型,且分母僅為歸一化因子,所以p(A|X)為高斯概率密度函數,X 決定著方差、均值。Q(A)則表示如下:

令p(A|X)積分為1,則可得上述結果。 所以表示后驗概率密度函數也為高斯,基于此能夠獲得估計量,具體如下:

估計量可以表示為:

3 成對節點同步方法的實驗分析

通過經典點對點雙向型同步算法、單向貝葉斯估計法來估計參數,完成時鐘補償,將成對節點同步變為現實。 在開展實驗測試分析時,需要設定相應的條件、環境。 設有ZigBee 無線通信技術下的成對時間信令交互節點,終端節點A、協調節點R分別為待同步節點以及參考節點。 作為無線通信網絡技術,IEEE 802.15.4/ZigBee 技術存在傳輸速率低、高效化、功耗低和經濟性等幾大特點,通常用來對短距離通信問題進行處理[6]。依托ZigBee 技術無線傳感器設施,可以在網絡平臺中開展成對節點同步方法的實驗分析工作。 設置3 m 的距離,利用協議棧編程基于2.4 GHz 頻點位置,將第11 個信道CH11 作為傳輸信道,其中心頻率是2.405 0 GHz。實驗過程中,信道占用帶寬、接收靈敏度和射頻功率依次是2.687 498 MHz,-80 dBm 以及4.43 dBm。 結合高精度頻譜分析儀來設定實驗條件。

4 成對節點同步方法的實驗數據分析

4.1 經典點對點雙向型同步算法的數據分析

在公式(15)中,終端節點A、協調器R二者的相對時鐘相偏、相對時鐘頻偏分別可以用φ,ω來表示;且由終端節點A向協調器R的上、下行鏈路進行信息傳輸時的固定時延部分可以表示為d;而由終端節點A向協調器R的上、下行鏈路進行信息傳輸時的隨機時延部分可以分別表示為Xk,Yk。 參考無線傳感器網絡中成對節點隨機延時分布實驗,能夠發現:Xk,Yk均為高斯分布下的隨機變量,彼此獨立,且都是方差為σ2的零均值。

4.2 改進單向型算法的數據分析

在實驗數據方面,改進單向型算法同經典點對點雙向型同步算法存在明顯的差異。 在同步后將X 軸設定為Tk1,Y 軸設定為Uk,所得的圖形為同X 軸平行,并位于其上方位置的直線。Uk直線的縱軸截距分別是d+Xk,具體數據詳如圖1 所示。

圖1 同步后實驗數據

根據圖1 可知,改進單向型算法的同步效果良好,能夠有效修正頻偏,修正率為10-5。

5 結語

鑒于無線傳感器網絡節點依靠電池來供電,因此同步方法可以通過能量消耗體現出來,通過開展無線傳感器網絡成對節點同步方法的研究,能夠發現雖然單向型貝葉斯估計同步算法、經典點對點雙向型同步法二者均能夠實現成對節點間的同步,但是前者的能耗較少,而后者的能耗較大。