一種基于反饋機(jī)制的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于反饋機(jī)制的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步方法，該方法包括：A.基于GPA算法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)PS向量，結(jié)合SRS和ROS實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步分組傳輸，減小網(wǎng)絡(luò)同步分組數(shù)據(jù)的傳輸量；B.對(duì)時(shí)鐘相位偏移和頻率偏移進(jìn)行聯(lián)合極大似然法估計(jì)并進(jìn)行補(bǔ)償；C.由網(wǎng)絡(luò)最大頻率偏移估計(jì)獲取網(wǎng)絡(luò)同步誤差，通過時(shí)間同步控制器實(shí)現(xiàn)同步周期、同步分組交換次數(shù)和占空比的實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到時(shí)間同步精度的無差控制，降低時(shí)間同步算法的能量消耗。利用本發(fā)明，從同步分組數(shù)據(jù)的傳輸量減小、時(shí)鐘估計(jì)準(zhǔn)確性提高、占空比實(shí)時(shí)調(diào)整和同步精度的閉環(huán)控制技術(shù)層面，提高物聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步的能量有效性和精度。
【專利說明】—種基于反饋機(jī)制的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于反饋機(jī)制的時(shí)間同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)主要包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層(見文獻(xiàn)[I]張申，趙小虎.論感知礦山物聯(lián)網(wǎng)與礦山綜合自動(dòng)化[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40 (I):83-87.)，感知層位于物聯(lián)網(wǎng)的最底層，分布有大量可以感知環(huán)境、設(shè)備、災(zāi)害、人員等的傳感器節(jié)點(diǎn)，以有線或無線方式連接起來形成一個(gè)信息采集與控制的網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由傳輸層實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與感知層的信息或命令傳輸。
[0003]物聯(lián)網(wǎng)中與數(shù)據(jù)相關(guān)的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)壓縮融合、測(cè)距定位、節(jié)點(diǎn)周期性睡眠-喚醒調(diào)度機(jī)制、協(xié)作傳輸以及安全協(xié)議等，皆需要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，而且時(shí)間同步精度會(huì)對(duì)它們的性能產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。為此，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)、控制與管理，要求感知層的節(jié)點(diǎn)以一定的精度達(dá)到并保持時(shí)間同步。在物聯(lián)網(wǎng)感知層中，節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)間的認(rèn)知來自于維護(hù)各自的本地時(shí)鐘，時(shí)鐘依靠對(duì)自身晶振中斷計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。由于節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的晶振頻率會(huì)隨著溫度、濕度、壓力、電源電壓和電磁干擾等外界環(huán)境因素的變化而產(chǎn)生波動(dòng)，晶振的頻率誤差和初始相位不同，節(jié)點(diǎn)之間時(shí)鐘不同步。
[0004]在物聯(lián)網(wǎng)感知層中，由于節(jié)點(diǎn)的諸多不足，如能量有限、存儲(chǔ)空間小、計(jì)算能力低等(見文獻(xiàn)[2]Luca Schenato, Federico Fiorentin.Average TimeSynch:A consensusbased protocol for clock synchronization in wireless sensor networks[J].Automatica, 2011，47 (7): 1878-1886.)，且事件大多為突發(fā)事件，時(shí)間同步算法在保證同步精度的同時(shí)，減小節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間、減少通信量，節(jié)約能量。針對(duì)影響同步精度和能耗的因素，研究同步精度和能耗的改善方法和措施，提出一種能量有效精度可控的物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步算法，提高物聯(lián)網(wǎng)感知層節(jié)點(diǎn)的生存周期，保證其它技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層對(duì)時(shí)間同步高精度、低能耗的要求，以及現(xiàn)有方法的一些不足，從時(shí)間同步數(shù)據(jù)量減小、低占空比控制和時(shí)間同步精度的閉環(huán)無差控制三個(gè)方面結(jié)合，發(fā)明了一種能量有效精度可控的基于反饋機(jī)制的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步方法。
[0006]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0007]I)基于GPA的PS向量對(duì)生成
[0008]在網(wǎng)絡(luò)生成樹層次發(fā)現(xiàn)階段，采用群智慧對(duì)選擇算法(Group-wise PairSelection Algorithm, GPA)為網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)父-子群尋找最優(yōu)成對(duì)同步(PairwiseSynchronization, PS)進(jìn)行SRS雙向時(shí)間同步,父-子群PS向量對(duì)確定過程為:
[0009]Stepl初始化網(wǎng)絡(luò)層號(hào)為1=0,群號(hào)n=0,匯聚節(jié)點(diǎn)SiQ=O)廣播level-discovery分組，首次接收到分組的節(jié)點(diǎn)為第1+1層節(jié)點(diǎn)，且為匯聚節(jié)點(diǎn)Si子節(jié)點(diǎn)，記為Sj ；[0010]Step2 1+1層中所有節(jié)點(diǎn)Sj廣播level-discovery分組以建立第1+2層節(jié)點(diǎn),其子節(jié)點(diǎn)記為Sk ;若Si群中其它節(jié)點(diǎn)Sm接收到分組，則發(fā)回應(yīng)答信號(hào)，節(jié)點(diǎn)Sj標(biāo)記連通值％m=l，
否則M?m=0，該群中同時(shí)與父節(jié)點(diǎn)Si和連通的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為,
[0011]Step3 Si群中與子節(jié)點(diǎn)Sj連通最多的節(jié)點(diǎn)號(hào)為i =該父-子群的一個(gè)
PS對(duì)記為PM=Av，若〃匕=0表明群中沒有子節(jié)點(diǎn)與Sj連通，則Sj需要與父節(jié)點(diǎn)Si單獨(dú)雙向同步分組交換，該P(yáng)S對(duì)記為P [n] =PiJ ；
[0012]Step4 1=1+1，i=j, j=k，n=n+l,重復(fù)step2至step4,直至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都擁有網(wǎng)絡(luò)層號(hào)和確定網(wǎng)絡(luò)PS向量P。
[0013]2) ROS和SRS結(jié)合的時(shí)間同步模型
[0014]每個(gè)時(shí)間同步周期內(nèi)，從匯聚節(jié)點(diǎn)開始的父節(jié)點(diǎn)SiQ=O, I,——)根據(jù)PS向量P中Pi1 j往sj節(jié)點(diǎn)發(fā)起時(shí)間同步請(qǐng)求信號(hào)，子節(jié)點(diǎn)Sj接收到同步請(qǐng)求信號(hào)后往父節(jié)點(diǎn)Si發(fā)送時(shí)間同步分組，Si接收到同步分組后在發(fā)回時(shí)間同步應(yīng)答分組，如此循環(huán)N次。
[0015]在第k次時(shí)間同步分組交換時(shí)，Sj在本地時(shí)間圮發(fā)起時(shí)間同步分組(包含圮)，父
節(jié)點(diǎn)Si在本地時(shí)刻T接收到分組，并在T;k時(shí)刻發(fā)送同步應(yīng)答分組和Tu )，子節(jié)點(diǎn)Sj在本地時(shí)間％接收到同步應(yīng)答分組，記錄一次同步數(shù)據(jù)代? Add。
[0016]與Sj連通且共父 節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)Sm在本地時(shí)間G時(shí)刻接收到Sj發(fā)起時(shí)間同步分組，
從接收到的Si發(fā)送的同步應(yīng)答分組中獲取時(shí)間信息^，記錄一次同步數(shù)據(jù)丨。
[0017]3)時(shí)鐘偏移的聯(lián)合估計(jì)
[0018]將Si群中子節(jié)點(diǎn)分為RSR節(jié)點(diǎn)Sj和ROS節(jié)點(diǎn)sm，在Si和Sj節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行N次雙向時(shí)間同步分組交換后，RSR節(jié)點(diǎn)Sj保存有N組時(shí)間數(shù)據(jù)!H“G叩= i，U)，ROS節(jié)點(diǎn)Sffl偵聽并保存有N組時(shí)間數(shù)據(jù)(A- = U…N、，相位偏移和頻率偏移的聯(lián)合估計(jì)如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于反饋機(jī)制的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步方法，其特征在于包括有以下步驟: 1)、基于GPA的PS向量對(duì)生成 在網(wǎng)絡(luò)生成樹層次發(fā)現(xiàn)階段，采用群智慧對(duì)選擇算法為網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)父-子群尋找最優(yōu)成對(duì)同步進(jìn)行SRS雙向時(shí)間同步，父-子群PS向量對(duì)確定過程為: Stepl初始化網(wǎng)絡(luò)層號(hào)為1=0,群號(hào)n=0,匯聚節(jié)點(diǎn)Si (i=0)廣播level-discovery分組，首次接收到分組的節(jié)點(diǎn)為第1+1層節(jié)點(diǎn)，且為匯聚節(jié)點(diǎn)Si子節(jié)點(diǎn)，記為Sj ； Step2 1+1層中所有節(jié)點(diǎn)Sj廣播level-discovery分組以建立第1+2層節(jié)點(diǎn),其子節(jié)點(diǎn)記為Sk ;若Si群中其它節(jié)點(diǎn)Sm接收到分組，則發(fā)回應(yīng)答信號(hào)，節(jié)點(diǎn)Sj標(biāo)記連通值Mj，m=l，否則M?m=0，該群中同時(shí)與父節(jié)點(diǎn)Si和連通的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為
【文檔編號(hào)】H04L7/00GK103647629SQ201310627589
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】陳珍萍, 黃友銳, 曲立國, 唐超禮, 徐善勇 申請(qǐng)人:安徽理工大學(xué)