[發明專利]一種基于線性加權最小二乘法的時間同步方法

有效

• 申請號: 201710141989.1
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN106850116B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 陳洪濤;劉亞東;盛戈皞;江秀臣;劉琦
• 申請（專利權）人: 國網上海市電力公司;上海交通大學;華東電力試驗研究院有限公司
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙)31249
• 代理人: 潘朱慧

技術領域

本發明涉及時間同步技術領域，具體涉及一種基于線性加權最小二乘法的時間同步方法。

背景技術

時間同步技術是使整個無線傳感器網絡保持同一個時間標準的技術，它是一個分布式系統中的各個節點協同工作的最基本的支撐技術。不同的應用對時間同步的精度、范圍、壽命、能量等有著不同的要求。當無線傳感器網絡用于變電站的帶電檢測和故障定位時，時間同步的精度直接影響到定位的準確性，雖然已經存在很多用在網絡通信中的高精度的時間同步算法，然而，跟傳統的通信網絡不同的是，無線傳感器網絡中，傳感器節點的計算能力和能量是有限的，傳統用于計算機網路的NTP同步機制以及高成本的GPS同步機制并不適用。

現有的用于無線傳感器網絡的時間同步算法有參照廣播同步協議(RBS)，雙向成對同步協議(TPSN)，延遲測量同步協議(DMTS)和泛洪式時間同步協議(FTSP)等，還有基于這些算法的一些改進算法。RBS通過引入一個參考節點，周期性地廣播同步數據包，接收節點記錄并彼此交換收到數據包的時間來完成同步。TPSN則是典型的基于發送者-接收者的雙向時間同步方法，子節點通過一種握手機制獲取父節點的時標，用計算出的時鐘偏差值調整本地時鐘。延遲測量時間同步機制(DMTS)是一種簡單直觀的基于發送者-接收者的單向時間同步方法，DMTS通過測量估計數據包從發送到被接收過程中的各種延遲來完成同步。FTSP是一種基于發送者和接收者間的單向時間同步協議，節點通過廣播來將節點的本地時間傳給接收節點。相對于其他算法，FTSP算法由于采用線性擬合的方法估計時鐘漂移和時鐘偏移，精度較高。在統計學和參數估計理論中，最大似然法、最小方差無偏估計,卡爾曼濾波，最小二乘估計均可以用于參數的估計。最大似然法和最小方差無偏估計對消息的傳輸延遲的分布很敏感，若實際的傳輸延遲和假定的傳輸延遲模型不吻合，那么求出的估計量會有較大誤差；而卡爾曼濾波方法對時鐘的模型較為敏感，由于傳感器節點配備的晶振價格較為低廉，晶振的穩定性易受環境影響，當同步周期較長時，若把節點時鐘建立成一階模型會有較大偏差。而最小二乘法對觀測數據沒有任何概率假設，所以無需任何先驗知識，只需被估計量的觀測信號模型即可估計信號參量。所以傳統的FTSP算法一般采用線性最小二乘法來對數據進行線性擬合。但是線性最小二乘法是假設每次的觀測噪聲是一樣的，而在無線傳感器網絡的每次同步過程中，越舊的時標對當前的觀測帶來的噪聲越大，所以同等地對待各次觀測量是不合理的。本發明介紹一種線性加權最小二乘法可以給予觀測噪聲小的觀測量以較大的權值，降低觀測噪聲對同步精度的影響，從而進一步提高同步的精度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于線性加權最小二乘法的泛洪式時間同步方法，對泛洪式時間同步算法中的線性回歸方法進行改進，消除觀測噪聲對同步精度的影響。針對節點搜集的時間對中的觀測噪聲，采用線性加權最小二乘法對時間進行線性擬合，在求得時鐘漂移和時鐘偏移的同時，降低觀測噪聲對同步精度的影響，從而實現高精度的同步。

一種基于線性加權最小二乘法的時間同步方法，其特征是，包含以下步驟：

S1、初始化時任意選定一節點作為根節點；此根節點周期性地廣播同步數據包，同步數據包中包含MAC層的時標TimeStamp、根節點識別標志RootID、同步數據包的序列號SeqNum；其余節點為非根節點，非根節點在根節點記錄myRootID中記錄自己所屬的根節點號，其時標TimeStamp與所屬根節點的時標TimeStamp同步；

S2、非根節點在網絡工作時啟動一個超時定時器，若在約定時間內沒有收到任何同步數據包，那么超時定時器加1，當超時定時器的值超過預設的值時，該節點定義自己為根節點，也周期性地廣播同步數據包；

S3、非根節點接收到同步數據包時，必須對來自不同根節點的同步數據包進行過濾，只接受滿足特定條件的同步數據包，并更新本地的線性回歸表，按線性加權最小二乘法構造擬合直線，得到時鐘漂移a和時鐘偏移b；

S4、非根節點根據S3得到的時鐘漂移a和時鐘偏移b調整本地時鐘，與根節點同步后，非根節點同樣地廣播同步數據包，其中，時標TimeStamp為同步后本地的時鐘值，根節點識別標志RootID保持不變。

上述的一種基于線性加權最小二乘法的時間同步方法，其中，所述步驟S3中，滿足下列2個條件之一的同步數據包才被接收：

條件一：RootID<myRootID；