一种基于反馈机制的物联网时间同步方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于反馈机制的物联网时间同步方法，该方法包括：A.基于GPA算法构建网络PS向量，结合SRS和ROS实现网络节点的时间同步分组传输，减小网络同步分组数据的传输量；B.对时钟相位偏移和频率偏移进行联合极大似然法估计并进行补偿；C.由网络最大频率偏移估计获取网络同步误差，通过时间同步控制器实现同步周期、同步分组交换次数和占空比的实时调整，达到时间同步精度的无差控制，降低时间同步算法的能量消耗。利用本发明，从同步分组数据的传输量减小、时钟估计准确性提高、占空比实时调整和同步精度的闭环控制技术层面，提高物联网时间同步的能量有效性和精度。
【专利说明】—种基于反馈机制的物联网时间同步方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及物联网感知层时间同步【技术领域】，具体是一种基于反馈机制的时间同步方法。
【背景技术】
[0002]物联网主要包括感知层、传输层和应用层(见文献[I]张申，赵小虎.论感知矿山物联网与矿山综合自动化[J].煤炭科学技术，2012，40 (I):83-87.)，感知层位于物联网的最底层，分布有大量可以感知环境、设备、灾害、人员等的传感器节点，以有线或无线方式连接起来形成一个信息采集与控制的网络，经由传输层实现应用层与感知层的信息或命令传输。
[0003]物联网中与数据相关的应用，如数据压缩融合、测距定位、节点周期性睡眠-唤醒调度机制、协作传输以及安全协议等，皆需要实现节点的时间同步，而且时间同步精度会对它们的性能产生关键性的影响。为此，实现应用层对网络的监测、控制与管理，要求感知层的节点以一定的精度达到并保持时间同步。在物联网感知层中，节点对时间的认知来自于维护各自的本地时钟，时钟依靠对自身晶振中断计数实现。由于节点时钟的晶振频率会随着温度、湿度、压力、电源电压和电磁干扰等外界环境因素的变化而产生波动，晶振的频率误差和初始相位不同，节点之间时钟不同步。
[0004]在物联网感知层中，由于节点的诸多不足，如能量有限、存储空间小、计算能力低等(见文献[2]Luca Schenato, Federico Fiorentin.Average TimeSynch:A consensusbased protocol for clock synchronization in wireless sensor networks[J].Automatica, 2011，47 (7): 1878-1886.)，且事件大多为突发事件，时间同步算法在保证同步精度的同时，减小节点唤醒时间、减少通信量，节约能量。针对影响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，提出一种能量有效精度可控的物联网感知层时间同步算法，提高物联网感知层节点的生存周期，保证其它技术在物联网中的应用。
【发明内容】
[0005]本发明目的是针对物联网感知层对时间同步高精度、低能耗的要求，以及现有方法的一些不足，从时间同步数据量减小、低占空比控制和时间同步精度的闭环无差控制三个方面结合，发明了一种能量有效精度可控的基于反馈机制的物联网时间同步方法。
[0006]本发明为实现上述目的，采用如下技术方案:
[0007]I)基于GPA的PS向量对生成
[0008]在网络生成树层次发现阶段，采用群智慧对选择算法(Group-wise PairSelection Algorithm, GPA)为网络中每一个父-子群寻找最优成对同步(PairwiseSynchronization, PS)进行SRS双向时间同步,父-子群PS向量对确定过程为:
[0009]Stepl初始化网络层号为1=0,群号n=0,汇聚节点SiQ=O)广播level-discovery分组，首次接收到分组的节点为第1+1层节点，且为汇聚节点Si子节点，记为Sj ；[0010]Step2 1+1层中所有节点Sj广播level-discovery分组以建立第1+2层节点,其子节点记为Sk ;若Si群中其它节点Sm接收到分组，则发回应答信号，节点Sj标记连通值％m=l，
否则M?m=0，该群中同时与父节点Si和连通的节点个数为,
[0011]Step3 Si群中与子节点Sj连通最多的节点号为i =该父-子群的一个
PS对记为PM=Av，若〃匕=0表明群中没有子节点与Sj连通，则Sj需要与父节点Si单独双向同步分组交换，该PS对记为P [n] =PiJ ；
[0012]Step4 1=1+1，i=j, j=k，n=n+l,重复step2至step4,直至网络中所有节点都拥有网络层号和确定网络PS向量P。
[0013]2) ROS和SRS结合的时间同步模型
[0014]每个时间同步周期内，从汇聚节点开始的父节点SiQ=O, I,——)根据PS向量P中Pi1 j往sj节点发起时间同步请求信号，子节点Sj接收到同步请求信号后往父节点Si发送时间同步分组，Si接收到同步分组后在发回时间同步应答分组，如此循环N次。
[0015]在第k次时间同步分组交换时，Sj在本地时间圮发起时间同步分组(包含圮)，父
节点Si在本地时刻T接收到分组，并在T;k时刻发送同步应答分组和Tu )，子节点Sj在本地时间％接收到同步应答分组，记录一次同步数据代? Add。
[0016]与Sj连通且共父 节点的节点Sm在本地时间G时刻接收到Sj发起时间同步分组，
从接收到的Si发送的同步应答分组中获取时间信息^，记录一次同步数据丨。
[0017]3)时钟偏移的联合估计
[0018]将Si群中子节点分为RSR节点Sj和ROS节点sm，在Si和Sj节点间进行N次双向时间同步分组交换后，RSR节点Sj保存有N组时间数据!H“G叩= i，U)，ROS节点Sffl侦听并保存有N组时间数据(A- = U…N、，相位偏移和频率偏移的联合估计如下:
【权利要求】
1.一种基于反馈机制的物联网时间同步方法，其特征在于包括有以下步骤: 1)、基于GPA的PS向量对生成 在网络生成树层次发现阶段，采用群智慧对选择算法为网络中每一个父-子群寻找最优成对同步进行SRS双向时间同步，父-子群PS向量对确定过程为: Stepl初始化网络层号为1=0,群号n=0,汇聚节点Si (i=0)广播level-discovery分组，首次接收到分组的节点为第1+1层节点，且为汇聚节点Si子节点，记为Sj ； Step2 1+1层中所有节点Sj广播level-discovery分组以建立第1+2层节点,其子节点记为Sk ;若Si群中其它节点Sm接收到分组，则发回应答信号，节点Sj标记连通值Mj，m=l，否则M?m=0，该群中同时与父节点Si和连通的节点个数为
【文档编号】H04L7/00GK103647629SQ201310627589
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】陈珍萍, 黄友锐, 曲立国, 唐超礼, 徐善勇 申请人:安徽理工大学