[發(fā)明專利]一種基于雙模時(shí)鐘頻率估計(jì)的時(shí)間同步方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210053405.2
• 申請(qǐng)日: 2012-03-04
• 公開（公告）號(hào): CN103298099A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董恩清;崔波;李曉陽(yáng);鄒宗駿;鄭強(qiáng);張德敬;常樹旺
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)威海分校;董恩清
• 主分類號(hào): H04W56/00
• 分類號(hào): H04W56/00;H04W84/18
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體是涉及一種時(shí)間同步方法。?

背景技術(shù)

時(shí)間同步技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)其他協(xié)議和應(yīng)用的前提。?

針對(duì)各種應(yīng)用需求，研究人員提出了許多時(shí)間同步方法。其中，由Mills提出的NTP（Network?Time?Protocol）協(xié)議在因特網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于能量、計(jì)算能力受限的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說，NTP協(xié)議并不適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。J．Elson和K．Romer首先提出并闡述了傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步的重要性，之后相繼提出了許多不同的時(shí)間同步協(xié)議。具有代表性的協(xié)議有：RBS（Reference?Broadcast?Synchronization）、TPSN（Time-Sync?Protocol?for?Sensor?Network）、FTSP（Flooding?Time?Synchronization?Protocol）和Kalman濾波算法。RBS采用第三方節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步信息方式，雖然完全可以消除發(fā)送端的不確定性，但是在同步過程中要求網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間相互交換時(shí)間信息以維持一個(gè)公共時(shí)鐘，這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信量的增加。TPSN采用雙向的時(shí)間同步策略，利用MAC層時(shí)間戳技術(shù)可以基本消除發(fā)送接收端的不確定性，以提高時(shí)間同步精度，但是由于該協(xié)議不能估計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率，將導(dǎo)致其同步周期縮短。FTSP算法雖然采用更加精確的MAC層時(shí)間戳技術(shù)及最小二乘算法估計(jì)時(shí)鐘頻率，可以進(jìn)一步提高同步精度，然而，當(dāng)時(shí)鐘頻率發(fā)生突變時(shí)，采用最小二乘算法估計(jì)的時(shí)鐘頻率是以漸進(jìn)的方式收斂到真實(shí)值，不能及時(shí)跟蹤時(shí)鐘頻率。Kalman濾波算法是一種應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步中有效的頻率估計(jì)算法。其中，Sage-Husa算法在Kalman濾波基礎(chǔ)上采用實(shí)時(shí)噪聲估計(jì)的方法來(lái)提高估計(jì)精度，雖然能夠在時(shí)鐘頻率穩(wěn)定或變化緩慢的情況下，獲得精確的頻率估計(jì)，但是當(dāng)時(shí)鐘頻率發(fā)生突變時(shí)，估計(jì)時(shí)鐘頻率的收斂速度緩慢。?

考慮到時(shí)鐘晶振固有的特性，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率并不是一成不變的。當(dāng)在外部及內(nèi)部因素（例如濕度，溫度，外界震動(dòng)以及器件的老化等）的影響下，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率將發(fā)生變化，以至于節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘差越來(lái)越大，最終導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘不同步。因此，需要在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一段時(shí)間后對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正，保證各節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘誤差處在允許的范圍之內(nèi)?？紤]到時(shí)鐘頻率在短周期內(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定性，采用如下式的一階線性時(shí)鐘模型對(duì)時(shí)鐘參數(shù)進(jìn)行估計(jì)是可行的?

???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????(1)

其中為本地時(shí)鐘值，為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘值，為決定時(shí)鐘晶振速度的時(shí)鐘頻率偏移量，為相位偏移量，為服從正態(tài)分布的模型殘差。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有時(shí)間同步方法存在的缺陷，本發(fā)明提出一種基于雙模時(shí)鐘頻率估計(jì)的時(shí)鐘同步方法（Bimodal?Clock?Frequency?Estimation?Based?Time?Synchronization?Protocol，BCFE-TSP）。該方法通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)鐘頻率的變化，針對(duì)不同的時(shí)鐘頻率模式采用不同的時(shí)鐘頻率估計(jì)算法。在時(shí)鐘頻率處于穩(wěn)定模式時(shí)，采用Sage-Husa算法估計(jì)時(shí)鐘頻率，以提高估計(jì)精度；在時(shí)鐘時(shí)鐘頻率處于突變模式時(shí)，采用基于斜率的方法估計(jì)時(shí)鐘頻率以加快收斂速度。這種策略不僅保證了時(shí)鐘頻率估計(jì)的準(zhǔn)確性，而且可以提高時(shí)鐘頻率估計(jì)的收斂速度，最終減小無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘誤差。?

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：?

本發(fā)明將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步過程分為兩個(gè)階段：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬呻A段和基于雙模時(shí)鐘頻率估計(jì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步階段。每一階段的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬呻A段

由根節(jié)點(diǎn)發(fā)起，采用廣播的方式向其周圍鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層次形成數(shù)據(jù)包，使得周圍鄰居節(jié)點(diǎn)分配到合適的層次號(hào)，繼而周圍鄰居節(jié)點(diǎn)再向外發(fā)送新的層次形成數(shù)據(jù)包，這個(gè)過程持續(xù)進(jìn)行直到網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都有了合適的層次號(hào)。

（2）基于雙模時(shí)鐘頻率估計(jì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步階段?

實(shí)時(shí)的時(shí)鐘頻率檢測(cè)方案提高時(shí)鐘同步的準(zhǔn)確性和收斂速度。本發(fā)明采用帶有閾值的時(shí)鐘頻率檢測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)鐘頻率的變化，以判斷時(shí)鐘頻率處于哪種模式中，從而采用相應(yīng)的時(shí)鐘頻率估計(jì)算法估計(jì)當(dāng)前的時(shí)鐘頻率。