CN111049608A - 可实现高精度时间同步的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

一种可实现高精度时间同步的数据传输方法，以解决电力因时间不统一造成的大面积故障的问题。步骤是：构建改进的簇平均时钟同步方法；假设节点发送与接收信息之间所经历的时间都相同，那就是一个固定值，设为d，簇内的发射器给所有的簇内成员广播一个同步信标，这些成员记录收到信标的本地时间；通过簇平均实现全局的平均时钟同步；考虑相位偏置、频率漂移和随机时间延时的簇平均时钟同步算法；对算法进行收敛性分析，使传感器网络将通过算法能渐渐达到平均时钟同步状态。

Description

可实现高精度时间同步的数据传输方法

技术领域

本发明涉及电力系统同断面技术领域，通过将所接受的信号和信息来实现相对标准的“异地复制”，校准本地的时间量，进而为相关设备仪器与系统的运行提供良好的环境。

背景技术

智能变电站作为智能电网重要组成部分和关键环节，是构建智能电网的重要基础和支撑。随着电力系统的快速发展，智能变电站各智能设备对时间同步的要求日益迫切。时钟同步系统是实现智能变电站的测量和控制，保护的重要基础和支撑，其精度将直接影响智能变电站的控制精度和性能。

发明内容

本发明的目的在于解决变电站之间的时间同步问题,提供一种可实现高精度时间同步的数据传输方法。以解决电力因时间不统一造成的大面积故障的问题。本发明使网络各节点时钟以分布式方式同步于网络节点的时钟平均值，即网络节点收敛于时间平均值。不依赖网络的阶层结构，使各个节点的时间向周围节点逐层扩散，这就使算法具有鲁棒性；它不依赖于某个固定根节点或外部时钟源，使算法更加稳定、安全；同时该算法使节点采用分布式的交互通信，可适用于任意规模和结构的网络，自适应网络拓扑结构的变化，提高了网络的可扩展性；基于簇平均的时钟同步算法替代了现有多种协议的阶梯式同步方法，减少传感器节点之间的包传递次数(特别是对大规模网络)，从而减少能耗，延长网络寿命。

本发明的技术解决方案是：

一种可实现高精度时间同步的数据传输方法，其步骤是：

步骤1：构建改进的簇平均时钟同步方法，将ACATS算法应用到一个由3个节点组成的相对简单的传感器网络中，发射器给3个节点广播一个同步信标，假设节点能够估计它们的相对相位偏置，其同步时间流程如下：

步骤1.1：发射器给3个节点V_i，V_j，V_k广播一个同步信标，每个节点都记录各自接收到信标的本地时间t_i,t_j,t_k:

步骤1.2：节点V_i发送给节点V_j—个数据包，其中包含t_i信息，当节点V_j收到这个数据包时，节点V_k也监听到这个数据包；

步骤1.3：然后，节点V_j发送给节点V_k—个数据包，其中包含t_j信息，当节点V_k收到这个数据包时，节点V_i也监听到这个数据包；

步骤1.4：然后，节点V_k发送给节点V_i—个数据包，其中包含t_k言息，当节点V_i收到这个数据包时，节点V_j也监听到这个数据包；

步骤1.5:此时，三个节点都知道了时间信息t_i,t_j,t_k,则各自计算出时间平均值avg＝(t_i+t_j+t_k)/3,并更新自己的本地时间；

步骤2：假设节点发送与接收信息之间所经历的时间都相同，那就是一个固定值，设为d，簇内的发射器给所有的簇内成员广播一个同步信标，这些成员记录收到信标的本地时间。其中一个节点向其一个邻居发送含自己的记录值的数据包，当这个邻居节点收到这个数据包时，簇内的其它节点也都监听到了这个数据包，然后次邻居节点再向其一个邻居发送包含自己记录值的数据包，所述邻居不包括其父节点；当它的这个邻居节点收到这个数据包时，簇内的其它节点也都监听到了这个数据包，依次循环下去，直到簇内所有节点都知道了彼此记录的时间值，停止数据包的发送；然后族内所有节点按下式各自计算记录值的平均值，并更新自己的本地时间；

n：簇内节点个数，

X_i：节点v_i收到同步信标时记录的本地时间，

d：固定的时间延时，

avg：所有节点记录值的计算平均值，即族内成员同步时的值；

步骤3：通过簇平均实现全局的平均时钟同步，假设无线传感器网络有N个节点，可以分成M个簇，设第L个簇C_i内有n_i个节点，当一个族内的发射器正忙着给簇内成员广播信标时，簇内成员是处于接收信息的工作状态，即没有多余的信道去响应其他的信号；

步骤4:考虑相位偏置、频率漂移和随机时间延时的簇平均时钟同步算法：

步骤4.1：无线传感器网络划分成交叉互连的若干簇M，切换信号s(K)依次开启各个族；

步骤4.2：当簇C_i内的节点V′₁～V′_ni接收到发射器广播的同步信标时记录此时各自的本地时间x'₁(k-1)～x'_ni(k-1)，然后依次将各自的记录值x'₁(k-1)～x'_ni(k-1)和频率w'₁(k-1)～w′_ni(k-1)发送给其邻居节点，每次发送相隔时间段

其中L＝1,...,M；

步骤4.3：这时簇内所有节点都知道了彼此的记录值x'₁(k-1)～x'_ni(k-1)、和频率w'₁(k-1)～w'_ni(k-1)，然后分别计算记录时间的平均值

和频率平均值

步骤4.4：各节点更新自己的本地时间和时钟频率分别为

和

步骤5：对算法进行收敛性分析，假设描述传感器网络拓扑的图是连通图，发接数据包之间的时间延时

(h)是随机变量，其均值为d(h)，方差为σ²(h)，在k——→∞的无限时间内，图的每个族都能够被激活，那么传感器网络将通过算法能渐渐达到平均时钟同步状态。

本发明首先分析了研究无线传感器网络的时钟同步这一课题的背景、必要性及意义，然后主要在分析算法的鲁棒性、扩展性、同步精度以及减少信息包传递次数、保持能量高效使用，受PBS算法的启发，运用了监听思想，对CATS算法中的簇内节点的局部平均时钟同步方法做了改进，减少了簇内节点同步过程中所需的信息交换次数，同时还考虑了相位偏置，频率漂移以及信息传输过程中的随机延时，对适用于实际的时间同步有重要的意义。

附图说明

图1本发明同步系统三节点通过簇平均方法的具体同步时间流程示意图；

图2本发明簇平均的具体同步过程示意图；

图3本发明划分族结构的网络图；

图4本发明多簇网络两算法的同步误差对比图。

具体实施方式

下面结合附图的具体实施例对本发明做进一步说明。

步骤1：构建一种改进的簇平均时钟同步方法，将ACATS算法应用到一个由3个节点组成的相对简单的传感器网络中来示例说明，发射器给3个节点广播一个同步信标，假设节点能够估计它们的相对相位偏置，其同步时间流程如图1所示，具体过程描述如下：

步骤1.1：发射器给3个节点V_i，V_j，V_k广播一个同步信标，每个节点都记录各自接收到信标的本地时间t_i,t_j,t_k:

步骤1.2：节点V_i发送给节点V_j—个数据包，其中包含t_i信息，当节点V_j收到这个数据包时，节点V_k也监听到这个数据包；

步骤1.3：然后，节点V_j发送给节点V_k—个数据包，其中包含t_j信息，当节点V_k收到这个数据包时，节点V_i也监听到这个数据包；

步骤1.4：然后，节点V_k发送给节点V_i—个数据包，其中包含t_k言息，当节点V_i收到这个数据包时，节点V_j也监听到这个数据包。

步骤1.5:此时，三个节点都知道了时间信息t_i,t_j,t_k,则各自计算出时间平均值avg＝(t_i+t_j+t_k)/3,并更新自己的本地时间。

步骤2：假设节点发送与接收信息之间所经历的时间都相同，那就是一个固定值，设为d，如图2所示。簇内的发射器给所有的簇内成员广播一个同步信标，这些成员记录收到信标的本地时间。其中一个节点向其一个邻居发送含自己的记录值的数据包，当这个邻居节点收到这个数据包时，簇内的其它节点也都监听到了这个数据包，然后次邻居节点再向其一个邻居(不包括其父节点)发送包含自己记录值的数据包，当它的这个邻居节点收到这个数据包时，簇内的其它节点也都监听到了这个数据包，依次循环下去，直到簇内所有节点都知道了彼此记录的时间值，停止数据包的发送。然后族内所有节点按下式各自计算记录值的平均值，并更新自己的本地时间。

n：簇内节点个数，

X_i：节点v_i收到同步信标时记录的本地时间

d：固定的时间延时，

avg：所有节点记录值的计算平均值，即族内成员同步时的值，

步骤3：通过簇平均实现全局的平均时钟同步，假设无线传感器网络有N个节点，可以分成M个簇，设第L个簇C_i内有n_i个节点，当一个族内的发射器正忙着给簇内成员广播信标时，簇内成员是处于接收信息的工作状态，即，没有多余的信道去响应其他的信号。

步骤4:考虑相位偏置、频率漂移和随机时间延时的簇平均时钟同步算法。

步骤4.1：无线传感器网络划分成交叉互连的若干簇M，切换信号s(K)依次开启各个族。

步骤4.2：当簇C_i内的节点V′₁～V′_ni接收到发射器广播的同步信标时记录此时各自的本地时间x'₁(k-1)～x'_ni(k-1)，然后依次将各自的记录值x'₁(k-1)～x'_ni(k-1)和频率w'₁(k-1)～w_ni(k-1)发送给其邻居节点，每次发送相隔时间段

其中L＝1,...,M。

步骤4.3：这时簇内所有节点都知道了彼此的记录值x'₁(k-1)～x'_ni(k-1)、和频率w'₁(k-1)～w'_ni(k-1)，然后分别计算记录时间的平均

和频率平均值

步骤4.4：各节点更新自己的本地时间和时钟频率分别为

和

步骤5：对算法进行收敛性分析，假设描述传感器网络拓扑的图是连通图，发接数据包之间的时间延时

(h)是随机变量，其均值为d(h)，方差为σ²(h)，在k——→∞的无限时间内，图的每个族都能够被激活，那么传感器网络将通过算法能渐渐达到平均时钟同步状态。

ACATS算法是在CATS算法的基础上对簇内节点的平均时钟同步方法做的改进，同时CATS算法受经典的RBS算法的启发而提出的，在此，我们将对这三个算法在图3所示的网络上做仿真实验，并进行对比分析，其中CATS和ACATS算法的仿真都是在簇内发射器广播一次同步信标的基础上进行的。

仿真结果如图4所示，多簇网络达到同步时各算法的同步误差对比，可以看到，RBS有明显的同步误差递增现象，误差随层级数的增加而增加，ACATS和CATS同步精度相当。但是，ACATS算法明显比算法节省能量，减少了能耗，而ACATS也比CATS算法使用了较少的信息交换，在节省能耗的有所改进。

以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可实现高精度时间同步的数据传输方法，其特征是步骤如下：

步骤1：构建改进的簇平均时钟同步方法，将ACATS算法应用到一个由3个节点组成的相对简单的传感器网络中，发射器给3个节点广播一个同步信标，假设节点能够估计它们的相对相位偏置，其同步时间流程如下：

步骤1.1：发射器给3个节点V_i，V_j，V_k广播一个同步信标，每个节点都记录各自接收到信标的本地时间t_i,t_j,t_k:

步骤1.2：节点V_i发送给节点V_j—个数据包，其中包含t_i信息，当节点V_j收到这个数据包时，节点V_k也监听到这个数据包；

步骤1.3：然后，节点V_j发送给节点V_k—个数据包，其中包含t_j信息，当节点V_k收到这个数据包时，节点V_i也监听到这个数据包；

步骤1.4：然后，节点V_k发送给节点V_i—个数据包，其中包含t_k言息，当节点V_i收到这个数据包时，节点V_j也监听到这个数据包；

步骤1.5:此时，三个节点都知道了时间信息t_i,t_j,t_k,则各自计算出时间平均值avg＝(t_i+t_j+t_k)/3,并更新自己的本地时间；

步骤2：假设节点发送与接收信息之间所经历的时间都相同，那就是一个固定值，设为d，簇内的发射器给所有的簇内成员广播一个同步信标，这些成员记录收到信标的本地时间；其中一个节点向其一个邻居发送含自己的记录值的数据包，当这个邻居节点收到这个数据包时，簇内的其它节点也都监听到了这个数据包，然后次邻居节点再向其一个邻居发送包含自己记录值的数据包，所述邻居不包括其父节点；当它的这个邻居节点收到这个数据包时，簇内的其它节点也都监听到了这个数据包，依次循环下去，直到簇内所有节点都知道了彼此记录的时间值，停止数据包的发送；然后族内所有节点按下式各自计算记录值的平均值，并更新自己的本地时间；

n：簇内节点个数，

X_i：节点v_i收到同步信标时记录的本地时间，

d：固定的时间延时，

avg：所有节点记录值的计算平均值，即族内成员同步时的值；

步骤3：通过簇平均实现全局的平均时钟同步，假设无线传感器网络有N个节点，可以分成M个簇，设第L个簇C_i内有n_i个节点，当一个族内的发射器正忙着给簇内成员广播信标时，簇内成员是处于接收信息的工作状态，即没有多余的信道去响应其他的信号；

步骤4:考虑相位偏置、频率漂移和随机时间延时的簇平均时钟同步算法：

步骤4.1：无线传感器网络划分成交叉互连的若干簇M，切换信号s(K)依次开启各个族；

步骤4.2：当簇C_i内的节点V′₁～V′_ni接收到发射器广播的同步信标时记录此时各自的本地时间x'₁(k-1)～x'_ni(k-1)，然后依次将各自的记录值x'₁(k-1)～x'_ni(k-1)和频率w'₁(k-1)～w′_ni(k-1)发送给其邻居节点，每次发送相隔时间段

其中L＝1,...,M；

步骤4.3：这时簇内所有节点都知道了彼此的记录值x'₁(k-1)～x'_ni(k-1)、和频率w'₁(k-1)～w'_ni(k-1)，然后分别计算记录时间的平均值

和频率平均值

步骤4.4：各节点更新自己的本地时间和时钟频率分别为

和

步骤5：对算法进行收敛性分析，假设描述传感器网络拓扑的图是连通图，发接数据包之间的时间延时

是随机变量，其均值为d(h)，方差为σ²(h)，在k——→∞的无限时间内，图的每个族都能够被激活，那么传感器网络将通过算法能渐渐达到平均时钟同步状态。

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