一种无线传感网络的时间同步校准方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种无线传感网络的时间同步校准方法，所述无线传感网络包括若干无线传感节点，包括以下步骤：创建所述无线传感节点的时钟模型以确定所述无线传感节点的本地时钟中时钟偏差；利用预定滤波方式预估所述无线传感节点标准时钟最优状态，并校正本地时钟中时钟偏差；执行线性二次型最优控制实现所述无线传感节点的本地时钟与标准时钟的同步。本发明专利技术首先应用卡尔曼滤波对节点接收的标准时间信息进行噪声滤波，通过提高标准时钟精度，从而有效的提高本地时间同步的精度；接着应用最优控制的线性二次型跟踪方法，在保证系统稳定的前提下，以较小的控制能量为代价，使误差保持在零附近，达到时间同步的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感网络
，涉及一种校准方法及系统，特别是涉及一种 无线传感网络的时间同步校准方法及系统。
技术介绍
ZigBee网络以其较高的监测精度、较低的功耗与成本、低复杂度以及部署灵活的 特点受到高度的关注，在许多领域例如智能家居、工业控制、军事侦察、智能交通、环境监测 里具有非常广泛的应用。但是由于其监控环境一般较为复杂和不稳定，节点一般以电池供 电，使得能量补给比较困难，节点的持续工作时间成为制约网络的关键问题，如何节省能耗 成为设计无线传感网络的关键。IEEE1588是一种精准时钟同步协议，适用于工业网络通信 系统的需求，能达到1毫秒以下的同步精度。该协议之所以能达到更高的精度，一个重要因 素是它采用了高精度的时间戳。由于传统时间同步方法的时间戳记录的是数据包进入协议 栈的时间，数据包在协议栈中的排队时间及处理时间并未考虑进去，因此时间戳与数据包 的实际发出时间有较大误差，造成了其同步的精度下降。 PTP将时间戳的获取位置下移到协议栈最底层，将同步报文和延时测量报文分两 次发送，使待同步时钟能得到主时钟发送数据报的准确时间，提高了同步精度。使用PTP时 间同步算法校正本地时钟时间，由于标准时钟观测误差的存在，再加上本地时钟频率的偏 差，同步结果收敛不好，本地时钟不能较好的跟踪标准时钟。 因此，如何提供一种无线传感网络的时间同步校准方法及系统，以解决现有技术 中的使用PTP时间同步算法校正本地时钟时间，由于标准时钟观测误差的存在，再加上本 地时钟频率的偏差，同步结果收敛不好，本地时钟不能较好的跟踪标准时钟等种种缺陷，已 成为本领域从业者亟待解决的技术问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种无线传感网络的时间 同步校准方法及系统，用于解决现有技术中用PTP时间同步算法校正本地时钟时间，由于 标准时钟观测误差的存在，再加上本地时钟频率的偏差，同步结果收敛不好，本地时钟不能 较好的跟踪标准时钟的问题。 为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术一方面提供一种无线传感网络的时间同 步校准方法，所述无线传感网络包括若干无线传感节点，所述无线传感网络的时间同步校 准方法包括以下步骤：创建所述无线传感节点的时钟模型以确定所述无线传感节点的本地 时钟中时钟偏差；利用预定滤波方式预估所述无线传感节点标准时钟最优状态，并校正本 地时钟中时钟偏差；执行线性二次型最优控制实现所述无线传感节点的本地时钟与标准时 钟的同步。 可选地，所述本地时钟中时钟偏差包括：与所述标准时钟的相位偏差，与所述标准 时钟的频率偏差，和/或随机噪声。 可选地，所述无线传感节点的时钟模型表示为：C(t) = <i> + 〇t+e，其中，巾表示 与所述标准时钟的相位偏差，《表示与所述标准时钟的频率偏差，e表示随机噪声。 可选地，所述预定滤波方式指以最小均方差为准则，采用信号与噪声的状态空间 方程，利用上一时刻k_l的预估值与当前时刻k的观测值来计算当前时刻k的预估值。 可选地，利用预定滤波方式预估所述无线传感节点标准时钟最优状态的步 骤是通过以下五个预存公式完成；其中，五个预存公式分别为第一预存公式，第二预 存公式，第三预存公式，第四预存公式，及第五预存公式；第一预存公式：X(k|k_l)= AX(k-l|k_l)+BU(k);第二预存公式：P(k|k_l) =AP(k-l|k_l)A' +Q;第三预存公式： X(k|k) =X(k|k-l)Kg(k)(Z(k)-HX(k|k_l));第四预存公式：Kg(k) =P(k|k_l)H' / (HP(k|k-lW +R);第五预存公式：P(k|k) = (l-Kg(k))P(k|k-l);其中，所述第一预存公 式和第二预存公式是对当前时刻k的先验估计；所述第一预存公式中X(k|k-1)为预测当 前时刻状态，X(k-l|k-l)为上一时刻k-1的最优结果；所述第二预存公式中P(k|k-1)和 P(k|k)分别是X(k|k-1)和X(k|k)对应的协方差，Q是传感节点过程协方差；所述第三预存 公式、第四预存公式、及第五预存公式推算最优化预估值X(k|k)以完成校正，K g(k)为卡尔 曼增益，H为一常数，H' = 1/H，R为另一常数，A与B为互为等值的常规矩阵，U (k)为最优 状态反馈控制器。。 可选地，所述执行线性二次型最优控制的步骤包括通过线性二次型最优控制跟踪 方法求得二次型目标函数使得二次型性能指标最小。 本专利技术另一专利技术还提供一种无线传感网络的时间同步校准系统，所述无线传感网 络包括若干无线传感节点，所述无线传感网络的时间同步校准系统包括：时钟模型创建模 块，用于创建所述无线传感节点的时钟模型以确定所述无线传感节点的本地时钟中时钟偏 差；处理模块，与所述时钟模型创建模块连接，用于利用预定滤波方式预估所述无线传感节 点标准时钟最优状态，并校正本地时钟中时钟偏差；控制模块，与所述时钟模型创建模块和 处理模块连接，用于执行线性二次型最优控制实现所述无线传感节点的本地时钟与标准时 钟的同步。 可选地，所述时钟模型创建模块创建的无线传感节点的时钟模型表示为：C(t)= (J) + ?t+e其中，伞表示与所1述标准时钟的相位偏差，表示与所1述标准时钟的频率偏差， e表示随机噪声；所述本地时钟中时钟偏差包括：与所述标准时钟的相位偏差，与所述标 准时钟的频率偏差，和/或随机噪声。 可选地，预存在所述处理模块中的所述预定滤波方式指以最小均方差为准则，采 用信号与噪声的状态空间方程，利用上一时刻k_l的预估值与当前时刻k的观测值来计算 当前时刻k的预估值。 可选地，所述处理模块包括分别用于计算预存的五个预存公式的计算单元； 其中，第一计算单元用于计算第一预存公式，第二计算单元用于计算第二预存公式，第 三计算单元用于计算第三预存公式，第四计算单元用于计算第四预存公式，及第五计 算单元用于计算第五预存公式，第一预存公式：X(k|k-l) =AX(k-l|k-l)+BU(k);第二 预存公式：P(k|k-1) =AP(k-l|k-l)A' +Q;第三预存公式：X(k|k) =X(k|k-l)Kg(k) (Z(k)-HX(k|k-l));第四预存公式：Kg(k) =P(k|k-l)H' AHP(k|k-l)H' +R);第五预存 公式：P(k|k) = (l-Kg(k))P(k|k-l)其中，所述第一预存公式和第二预存公式是对当前时 刻k的先验估计；所述第一预存公式中x(k|k-l)为预测当前时刻状态，X(k-llk-l)为上一 时刻k-1的最优结果；所述第二预存公式中P (k I k-1)和P (k I k)分别是X (k I k-1)和X (k I k) 对应的协方差，Q是传感节点过程协方差；所述第三预存公式、第四预存公式、及第五预存 公式推算最优化预估值X(k|k)以完成校正，K g(k)为卡尔曼增益，H为一常数，H' =1/H，R 为另一常数，A与B为互为等值的常规矩阵，U (k)为最优状态反馈控制器。 可选地，所述控制模块还用于通过线性二次型最优控制跟踪方法求得二次型目标 函数使得二次型性能指标最小。 本专利技术又一方面还提供一种无线传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感网络的时间同步校准方法，所述无线传感网络包括若干无线传感节点，其特征在于，所述无线传感网络的时间同步校准方法包括以下步骤：创建所述无线传感节点的时钟模型以确定所述无线传感节点的本地时钟中时钟偏差；利用预定滤波方式预估所述无线传感节点标准时钟最优状态，并校正本地时钟中时钟偏差；执行线性二次型最优控制实现所述无线传感节点的本地时钟与标准时钟的同步。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱培，
申请(专利权)人：上海斐讯数据通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31