無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成對節(jié)點同步方法研究

賈潤亮

(山西省財政稅務(wù)專科學(xué)校,山西 太原 030024)

0 引言

傳感器網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)時間同步的實現(xiàn)需要經(jīng)歷從簡單到復(fù)雜的過程,要求對信道搶占、網(wǎng)絡(luò)拓撲等相關(guān)影響因素進行剔除,并設(shè)計成對節(jié)點同步算法,在此基礎(chǔ)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(diào)整、優(yōu)化算法。 所以開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成對節(jié)點同步方法研究具有重要意義,能夠為全網(wǎng)時間同步算法的設(shè)計奠定基礎(chǔ),對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實踐運用發(fā)展也極為有利。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成對節(jié)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(jié)點上數(shù)據(jù)包(內(nèi)含相關(guān)信息)目的節(jié)點進行傳輸[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下,各節(jié)點的晶體振蕩器能夠形成對應(yīng)的時間,通過線性模型運行。 線性模型公式為:

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

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

節(jié)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行交互信息時,經(jīng)常會出現(xiàn)延遲的問題,而根據(jù)構(gòu)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(nèi)容;而后者可以表示為d,涵蓋硬件內(nèi)置系統(tǒng)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(guān),A作為指數(shù)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(shù),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(jié)果。 所以表示后驗概率密度函數(shù)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(jié)點同步方法的實驗分析

通過經(jīng)典點對點雙向型同步算法、單向貝葉斯估計法來估計參數(shù),完成時鐘補償,將成對節(jié)點同步變?yōu)楝F(xiàn)實。 在開展實驗測試分析時,需要設(shè)定相應(yīng)的條件、環(huán)境。 設(shè)有ZigBee 無線通信技術(shù)下的成對時間信令交互節(jié)點,終端節(jié)點A、協(xié)調(diào)節(jié)點R分別為待同步節(jié)點以及參考節(jié)點。 作為無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),IEEE 802.15.4/ZigBee 技術(shù)存在傳輸速率低、高效化、功耗低和經(jīng)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(shù)無線傳感器設(shè)施,可以在網(wǎng)絡(luò)平臺中開展成對節(jié)點同步方法的實驗分析工作。 設(shè)置3 m 的距離,利用協(xié)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(jié)合高精度頻譜分析儀來設(shè)定實驗條件。

4 成對節(jié)點同步方法的實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 經(jīng)典點對點雙向型同步算法的數(shù)據(jù)分析

在公式(15)中,終端節(jié)點A、協(xié)調(diào)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(jié)點A向協(xié)調(diào)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(jié)點A向協(xié)調(diào)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(wǎng)絡(luò)中成對節(jié)點隨機延時分布實驗,能夠發(fā)現(xiàn):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(shù)據(jù)分析

在實驗數(shù)據(jù)方面,改進單向型算法同經(jīng)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(shè)定為Tk1,Y 軸設(shè)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(shù)據(jù)詳如圖1 所示。

圖1 同步后實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)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(jié)語

鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點依靠電池來供電,因此同步方法可以通過能量消耗體現(xiàn)出來,通過開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成對節(jié)點同步方法的研究,能夠發(fā)現(xiàn)雖然單向型貝葉斯估計同步算法、經(jīng)典點對點雙向型同步法二者均能夠?qū)崿F(xiàn)成對節(jié)點間的同步,但是前者的能耗較少,而后者的能耗較大。