CN109548135B - 一种优化的无线网络时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种优化的无线网络时间同步方法。先利用连续两次无线网络通信各个基站标记的时间戳，计算得到各基站每一次同步间隔时间后时间变化值；利用得到的有效时间变化值，计算各从基站与主基站在一次同步间隔时间内时间差值，计算得到N组有效的各从基站与主基站的时钟相对偏差增长量；计算主基站接收到定位标签发送信号的时间戳与主基站发送最新一次同步包时间戳的时间差值；计算时间差值与主基站平均同步时间间隔之比，从而计算出从基站与主基站的时钟相对偏移量；利用上述计算结果将各从基站时钟同步到主基站时钟；该发明设计构思巧妙，计算方式简单易实施，应用环境友好，市场前景广阔。

Description

一种优化的无线网络时间同步方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种优化的无线网络时间同步方法。
背景技术：
无线传感器网络是由分布式传感节点组成的面向任务的网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。
传感器网络技术具有十分广阔的应用前景。在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值。
时间同步是无线传感器网络研究与应用中的一个非常重要的问题。目前，无线传感器网络中的绝大多数节点采用晶体振荡器来计时，因此晶体振荡器是影响时间同步的关键因素之一。由于晶体振荡器在制造工艺上存在差别并且其振荡频率易受到电压、温湿度以及晶体老化等多种因素的影响，造成了它的实际振荡频率与标称频率之间存在偏差，这些偏差随温度的变化呈现非线性变化，从而导致了节点计时速率的不一致性和不稳定性，进而最终导致了节点间时间的不同步。因此，本发明寻求设计提供一种优化的无线网络时间同步方法，能够有效消除这些偏差，使时间同步精度保持在百P秒级别。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，寻求设计提供一种优化的无线网络时间同步方法，能够有效消除因时钟源的晶振而产生的偏差，同步精度高。
为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
S1、利用连续两次无线网络通信各个基站标记的时间戳，计算得到各基站每一次同步间隔时间后时间变化值；
Δt0_1＝t0_1-t0_2；
Δt1_1＝t1_1-t1_2；
其中，Δt0_1为主基站0发送第一个同步信号的时间t0_1与第二次发送第二个同步信号的时间t0_2之差，Δt1_1为从基站1接收到第一个同步信号的时间t1_1与接收到第二个同步信号的时间t1_2之差；
S2、清除S1中得到的时间变化值中的异常值，即去除时间变化值与同步时间间隔之差超出同步时间间隔0.02倍的数据，在多次计算过程中发现时钟由于环境等因素影响，会出现同步时间间隔的时间变化值出现突变的情况，如不进行滤除将会导致同步结果误差变大，通过滤除方式能够有效保证计算的精确性；
S3、利用S2中得到的有效时间变化值，计算各从基站与主基站在一次同步间隔时间内时间差值，该差值为各从基站与主基站的时钟相对偏差量；
diff_t01_1＝Δt0_1-Δt1_1；
其中，diff_t01_1为主基站0与从基站1在第一次同步时间间隔内的时钟相对偏差量；
S4、随着M次无线网络通信，重复步骤S1、S2、S3，计算得到N组有效的各从基站与主基站的时钟相对偏差增长量；
diff_t01_2＝Δt0_2-Δt1_2；
diff_t01_3＝Δt0_3-Δt1_3；
……
diff_t01_N＝Δt0_N-Δt1_N；
其中，Δt0_2为主基站0发送第二个同步信号的时间t0_2与第三次发送第二个同步信号的时间t0_3之差，Δt1_2为从基站1接收到第二个同步信号的时间t1_2与接收到第三个同步信号的时间t1_3之差，diff_t01_2为主基站0与从基站1在第二次同步时间间隔内的时钟相对偏差量，同理上述的后续公式；
S5、滤除步骤S4中时钟相对偏差增长值大于阈值的组，其中阈值为N组时钟相对偏差增长值的均方根误差的三倍，即3*diff_trmse；
Figure BDA0001959431160000031
Figure BDA0001959431160000032
其中，diff_t01_i为主基站0与从基站1在第i次同步时间间隔内的时钟相对偏差量，diff_t01′为N组时钟相对偏差增长值的均值，diff_trmse为N组时钟相对偏差增长值的均方根误差；
S6、利用步骤S5得到的组估算出在一次同步时间间隔内各从基站与主基站的时钟相对偏差增长量真值；
Figure BDA0001959431160000033
其中，diff_t01为估算的从基站1与主基站0的时钟相对偏移增长量真值，即为时钟相对偏差增长值不大于阈值的组的平均值；
S7、计算主基站接收到定位标签发送信号的时间戳与主基站发送最新一次同步包时间戳的时间差值；
Δt＝t-t0_N；
其中，t为主基站接收到的标签发送的定位信号的时间戳，t0_N为主基站在接收标签发送信号之前的最新一次同步包的时间，Δt为时间差；
S8、计算步骤S7的时间差值与主基站平均同步时间间隔之比，从而计算出在步骤S7的时间差内各从基站与主基站的时钟相对偏移量；
S9、利用步骤S8计算结果将各从基站时钟同步到主基站时钟。
进一步的，本发明中在步骤S7的时间差内各从基站与主基站的时钟相对偏移量按照如下方式进行：
Figure BDA0001959431160000041
Figure BDA0001959431160000042
其中，offset01为从基站1与主基站0的在上一次同步包发送到接收标签信号的时间内产生的时钟相对偏移量，mean_Δt0为主基站0M次时间同步间隔的中N次有效时间变化值的均值；
进一步的，步骤S9中从基站时钟同步到主基站时钟按照如下方式进行：
Figure BDA0001959431160000043
其中，sync_t1为与主基站0同步之后的从基站1接收标签信号的时间戳，t0_N为主基站0发送第N次同步包的时间戳，t1_N为从基站1接收到第N次同步包的时间戳，S01为从基站1到主基站0的距离，C为光速。
本发明与现有技术相比，取得的有益效果如下：
1、精度高，本发明涉及的方法较之RBS算法易受到奇异点的影响导致时间同步精度不高，而本发明涉及的方法能够有效判定奇异点并去除，使得时间同步精度明显提升；同时能够有效消除了时钟受环境变化造成同步精度降低的影响。
2、算法复杂度低，本发明较之其他高精度的时间同步算法，如FTSP算法需要对传输过程的具体时延进行细致分析，建立合适的分布模型，且实现复杂高，本发明所述方法不需要进行数据分析以及模型构建，算法实现简单高效；同步精度能到达百P秒级别，能够满足高精度同步要求。
3、硬件要求低，较之TPSN、Tiny-sync和Mini-sync这类算法需要发送者和接收者相互通讯，对带宽需求较大的缺陷，本发明所述方法仅需发送者到接收者的单向通讯，带宽需求较小。
综述，该发明设计构思巧妙，计算方式简单易实施，操作方便，能够有效提高无线网络时间同步的精度，应用环境友好，市场前景广阔。
说明书附图：
图1为本发明涉及的单次同步时间间隔内时钟变化值计算流程框图。
图2为本发明涉及的时间同步算法流程框图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本实施例进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及一种优化的无线网络时间同步方法，该方法的具体优化步骤按照如下方式进行：
S1、利用连续两次无线网络通信各个基站标记的时间戳，计算得到各基站每一次同步间隔时间后时间变化值；
Δt0_1＝t0_1-t0_2；
Δt1_1＝t1_1-t1_2；
其中，Δt0_1为主基站0发送第一个同步信号的时间t0_1与第二次发送第二个同步信号的时间t0_2之差，Δt1_1为从基站1接收到第一个同步信号的时间t1_1与接收到第二个同步信号的时间t1_2之差；
S2、清除S1中得到的时间变化值中的异常值，即去除时间变化值与同步时间间隔之差超出同步时间间隔0.02倍的数据，在多次计算过程中发现时钟由于环境等因素影响，会出现同步时间间隔的时间变化值出现突变的情况，如不进行滤除将会导致同步结果误差变大，通过滤除方式能够有效保证计算的精确性；
S3、利用S2中得到的有效时间变化值，计算各从基站与主基站在一次同步间隔时间内时间差值，该差值为各从基站与主基站的时钟相对偏差量；
diff_t01_1＝Δt0_1-Δt1_1；
其中，diff_t01_1为主基站0与从基站1在第一次同步时间间隔内的时钟相对偏差量；
S4、随着M次无线网络通信，重复步骤S1、S2、S3，计算得到N组有效的各从基站与主基站的时钟相对偏差增长量；
diff_t01_2＝Δt0_2-Δt1_2；
diff_t01_3＝Δt0_3-Δt1_3；
……
diff_t01_N＝Δt0_N-Δt1_N；
其中，Δt0_2为主基站0发送第二个同步信号的时间t0_2与第三次发送第二个同步信号的时间t0_3之差，Δt1_2为从基站1接收到第二个同步信号的时间t1_2与接收到第三个同步信号的时间t1_3之差，diff_t01_2为主基站0与从基站1在第二次同步时间间隔内的时钟相对偏差量，同理上述的后续公式；
S5、滤除步骤S4中时钟相对偏差增长值大于阈值的组，其中阈值为N组时钟相对偏差增长值的均方根误差的三倍，即3*diff_trmse；
Figure BDA0001959431160000061
Figure BDA0001959431160000062
其中，diff_t01_i为主基站0与从基站1在第i次同步时间间隔内的时钟相对偏差量，diff_t01′为N组时钟相对偏差增长值的均值，diff_trmse为N组时钟相对偏差增长值的均方根误差；
S6、利用步骤S5得到的组估算出在一次同步时间间隔内各从基站与主基站的时钟相对偏差增长量真值；
Figure BDA0001959431160000063
其中，diff_t01为估算的从基站1与主基站0的时钟相对偏移增长量真值，即为时钟相对偏差增长值不大于阈值的组的平均值；
S7、计算主基站接收到定位标签发送信号的时间戳与主基站发送最新一次同步包时间戳的时间差值；
Δt＝t-t0_N；
其中，t为主基站接收到的标签发送的定位信号的时间戳，t0_N为主基站在接收标签发送信号之前的最新一次同步包的时间，Δt为时间差；
S8、计算步骤S7的时间差值与主基站平均同步时间间隔之比，从而估算出在步骤S7的时间差内各从基站与主基站的时钟相对偏移量；
Figure BDA0001959431160000071
Figure BDA0001959431160000072
其中，offset01为从基站1与主基站0的在上一次同步包发送到接收标签信号的时间内产生的时钟相对偏移量，mean_Δt0为主基站0M次时间同步间隔的中N次有效时间变化值的均值；
S9、利用步骤S8计算结果将各从基站时钟同步到主基站时钟，
Figure BDA0001959431160000073
其中，sync_t1为与主基站0同步之后的从基站1接收标签信号的时间戳，t0_N为主基站0发送第N次同步包的时间戳，t1_N为从基站1接收到第N次同步包的时间戳，S01为从基站1到主基站0的距离，C为光速。

Claims (1)

1.一种优化的无线网络时间同步方法，其特征在于该方法通过如下技术方案实现：
S1、利用连续两次无线网络通信各个基站标记的时间戳，计算得到各基站每一次同步间隔时间后时间变化值；
Δt0_1＝t0_1-t0_2；
Δt1_1＝t1_1-t1_2；
其中，Δt0_1为主基站0发送第一个同步信号的时间t0_1与第二次发送第二个同步信号的时间t0_2之差，Δt1_1为从基站1接收到第一个同步信号的时间t1_1与接收到第二个同步信号的时间t1_2之差；
S2、清除S1中得到的时间变化值中的异常值，具体为去除时间变化值与同步时间间隔之差超出同步时间间隔0.02倍的数据，在多次计算过程中发现时钟由于环境因素影响，会出现同步时间间隔的时间变化值出现突变的情况，如不进行滤除将会导致同步结果误差变大，通过滤除方式能够有效保证计算的精确性；
S3、利用S2中得到的有效时间变化值，计算各从基站与主基站在一次同步间隔时间内时间差值，该差值为各从基站与主基站的时钟相对偏差增长量；
diff_t01_1＝Δt0_1-Δt1_1；
其中，diff_t01_1为主基站0与从基站1在第一次同步时间间隔内的时钟相对偏差增长量；
S4、随着M次无线网络通信，重复步骤S1、S2、S3，计算得到N组有效的各从基站与主基站的时钟相对偏差增长量；
diff_t01_2＝Δt0_2-Δt1_2；
diff_t01_3＝Δt0_3-Δt1_3；
……
diff_t01_N＝Δt0_N-Δt1_N；
其中，Δt0_2为主基站0发送第二个同步信号的时间t0_2与第三次发送第二个同步信号的时间t0_3之差，Δt1_2为从基站1接收到第二个同步信号的时间t1_2与接收到第三个同步信号的时间t1_3之差，diff_t01_2为主基站0与从基站1在第二次同步时间间隔内的时钟相对偏差增长量，同理上述的后续公式；
S5、滤除步骤S4中时钟相对偏差增长量大于阈值的组，其中阈值为N组时钟相对偏差增长量的均方根误差的三倍，即3*diff_trmse；
Figure FDA0002657473680000021
Figure FDA0002657473680000022
其中，diff_t01_i为主基站0与从基站1在第i次同步时间间隔内的时钟相对偏差增长量，diff_t01’为N组时钟相对偏差增长量的均值，diff_trmse为N组时钟相对偏差增长量的均方根误差；
S6、利用步骤S5得到的组估算出在一次同步时间间隔内各从基站与主基站的时钟相对偏差增长量真值；
Figure FDA0002657473680000023
其中，diff_t01为估算的从基站1与主基站0的时钟相对偏差增长量真值，即为时钟相对偏差增长量不大于阈值的组的平均值；
S7、计算主基站接收到定位标签发送信号的时间戳与主基站发送最新一次同步包时间戳的时间差值；
Δt＝t-t0_N；
其中，t为主基站接收到的标签发送的定位信号的时间戳，t0_N为主基站在接收标签发送信号之前的最新一次同步包的时间，Δt为时间差；
S8、步骤S7的时间差内各从基站与主基站的时钟相对偏移量按照如下方式进行：
Figure FDA0002657473680000031
Figure FDA0002657473680000032
其中，offset01为从基站1与主基站0的在上一次同步包发送到接收标签信号的时间内产生的时钟相对偏移量，mean_Δt0为主基站0M次时间同步间隔的中N次有效时间变化值的均值；
S9、利用步骤S8计算结果将各从基站时钟同步到主基站时钟，
Figure FDA0002657473680000033
其中，sync_t1为与主基站0同步之后的从基站1接收标签信号的时间戳，t0_N为主基站0发送第N次同步包的时间戳，t1_N为从基站1接收到第N次同步包的时间戳，S01为从基站1到主基站0的距离，C为光速。
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