一种基于ATS协议的分层网络时钟同步方法技术

本发明专利技术涉及一种分布式网络实现高精度时钟同步的基于ATS协议的分层网络时钟同步方法。本发明专利技术包括：提供一个主时钟和P个同步节点时钟；通过改进Bootstrap统计方法对收集到的节点时间信息进行滤波处理；对网络进行分Z层，并收集层内节点的时间对信息；在层内通过自然选择粒子群算法对滤波后的节点信息进行数据融合，产生虚拟主时钟等。本发明专利技术提出在分布式网络中实现分层同步的方法，在保持原ATS协议优点的同时提高了网络的收敛速度，使网络实现同步的时间缩短。且将由自然选择粒子群算法形成的虚拟主时钟纳入层内，使之与层内节点实现一致性同步，该方法提高了网络的同步精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种分布式网络实现高精度时钟同步的基于ATS协议的分层网络时钟同步方法。
技术介绍
分布式无线网络是由一系列地位完全平等的移动节点组成的多跳、临时性的自组织系统，并且不依赖于任何固定基础设施，各个节点通过无线链路直接通信来实现节点间信息的共享。智能家局、物联网等技术都是基于分布式网络，而在分布式网络中的时钟同步技术为重要研究内容。时钟同步是无线传感器网络的一项关键技术支撑，它在数据融合，目标追踪，事件监测等应用中发挥重要作用。时钟同步方式主要有3种：第一种方式利用全球定位系统GPS实现同步；第二种方式为编码同步；第三种方式为报文同步。无线传感器网络拓扑结构有集中式和分布式，现已有的时钟同步协议有基于参考节点的时钟同步协议和分布式时钟同步协议两种，ReferenceBroadcastSynchronization(RBS)时钟同步协议、FloodingTimeSynchronizationProtocol(FTSP)时钟同步协议以及由Ganeriwal等提出的Time-synchronizationProtocolforSensorNetworks(TPSN)时钟同步协议是基于参考节点的时钟同步协议的代表。基于参考节点的时钟同步协议具有算法简单，计算量小，收敛速度快等优点，但这些算法需要参考节点具有较高精度，其向子节点传送的数据包信息的准确度也有较高要求。同时它对网络拓扑结构的变化非常灵敏，节点的增加或丢失都会使整个网络重新开始工作，并可能导致更差的同步精度。为了提高网络的稳定性和可扩展性，众多学者提出了分布式时钟同步协议。Solis等提出的DistributedTimeSynchronizationProtocol(DTSP)时钟同步协议、AverageTimeSynchronization(ATS)时钟同步协议均为分布式时钟同步协议的代表。分布式时钟同步协议不依赖于任何的特定节点，网络不局限于特定的拓扑结构。因而分布式时钟同步具有更好的鲁棒性和可扩展性。同时，一致性同步协议可以同时补偿时钟的斜率和偏移，提高网络中邻居节点之间的同步精度。现有的一致性同步协议大都是基于平均一致性理论，这些算法都是渐进收敛，不能保证有限时间收敛，网络实现时钟同步的能耗较大，从而限制了算法的使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种解决目前分布式网络实现同步的精度低、收敛速度慢、能耗大等问题的基于ATS协议的分层网络时钟同步方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)提供一个主时钟和P个同步节点时钟；(2)通过改进Bootstrap统计方法对收集到的节点时间信息进行滤波处理；(3)对网络进行分Z层，并收集层内节点的时间对信息；在层内通过自然选择粒子群算法对滤波后的节点信息进行数据融合，产生虚拟主时钟；(4)将得到的虚拟主时钟加入到分层网络中，则每层含有n+1个节点，n＝P/Z；(5)每层网络内的节点根据ATS协议和收集到的时间对信息实现组内时钟同步，同时得到Z个独立的逻辑时钟；(6)将这Z个独立的逻辑时钟视为Z个独立的逻辑节点,同时其以自身的本地逻辑时钟为基准，周期性地向其逻辑节点广播自身的时间信息；(7)网络再一次根据ATS协议和收集到的逻辑节点的时间对信息实现全网络的时钟同步。本专利技术的有益效果在于：本专利技术在小样本条件下对无线网络的节点晶振的时偏和频偏进行滤波处理，在保证频偏和时偏的修正精度的条件下缩短了采样时间。现有的分层网络及其改进方法都是基于集中式同步协议，基于参考节点的时钟同步协议对网络拓扑结构的变化非常灵敏，节点的增加或丢失都会使整个网络重新开始工作，并可能导致更差的同步精度。而本专利技术提出在分布式网络中实现分层同步的方法避免了上述问题，在保持原ATS协议优点的同时提高了网络的收敛速度，使网络实现同步的时间缩短。且将由自然选择粒子群算法形成的虚拟主时钟纳入层内，使之与层内节点实现一致性同步，该方法提高了网络的同步精度。附图说明图1是主从时钟之间交互过程；图2是线性时钟模型；图3是本专利技术方法的流程图；图4是分层网络的拓扑结构图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。本专利技术首先提供一个主时钟和P个同步节点时钟；通过改进Bootstrap统计方法对收集到的节点时间信息进行滤波处理，提高节点时间信息的可靠性；对网络进行分层(假定分为Z组)，并收集层内节点的时间对信息。在层内通过自然选择粒子群算法对滤波后的节点信息进行数据融合，产生虚拟主时钟；将得到的虚拟主时钟加入到分层网络中，则每层含有n+1个节点(n＝P/Z)；每层网络内的节点根据ATS协议和收集到的时间对信息实现组内时钟同步，同时得到Z个独立的逻辑时钟；将这Z个独立的逻辑时钟视为Z个独立的逻辑节点,同时其以自己的本地逻辑时钟为基准，周期性地向其逻辑节点广播自己的时间信息；网络再一次根据ATS协议和收集到的逻辑节点的时间对信息实现全网络的时钟同步。本专利技术包括：步骤1：提供一个主时钟和P个同步节点时钟；步骤2：对Bootstrap统计算法进行改进。Bootstrap算法的再生样本由原始样本直接生成，当原始样本数据小时，再生样本会非常相似于原样本，将会导致计算结果远远偏离真实情况；并且当真实分布为连续分布时，未在样本观测点处的分布特性无法获取，从而不能估计出更加接近于真实分布的分布函数。改进后的Bootstrap算法将原始样本进行排序并做出其相应的邻域，根据邻域指标抽取再生子样本。改进后的Bootstrap方法扩展了观测数据，避免只抽取原始数据这一情况，使估计分布尽可能的接近真实分布，提高了估计的准确性。步骤3：卡尔曼滤波算法对若干个节点晶振的时偏和频偏进行校正，在晶振实现快速稳定的同时，提高节点晶振的稳定度和精确度。图1为主从时钟之间的交互过程原理图，假设往返路径对称，即数据包在传播过程中的时延相等，则在传播过程中的时延相等，则：其中offset为主从时钟之间的时偏；TTrans1和TTrans2分别为从时钟接收到主时钟发送Sync数据包的传播时延和主时钟接收从时钟发送Delay-Req数据包的传播时延；tm1为主时钟发送Sync数据包的时间；ts2为从时钟接发送Delay-Req数据包的时间；ts1为从时钟接收到主时钟发送的Sync数据包的时间；tm2为主时钟接收到从时钟发送的Delay-Req数据包的时间。将上述公式离散化，且认为时间偏差的测量误差大小为0，则对从时钟其时间偏差和频率偏差有以下关系式：θ(k+1)＝θ(k)-uθ(k)+[s(k)-us(k)]*τ+wθ(k)(3)s(k+1)＝s(k)-us(k)+ws(k)(4)其中θ(k)和s(k)为k时刻时钟的时偏和频偏；uθ(k)和us(k)是主从时钟实现时钟同步时，时偏和频偏第k次的修正值；τ为第k个采样样本的采样时间，因采样频率一定，则采样周期恒定。在小样本(即节点的时偏和频偏采样点少于10)的条件下,采用改进的Bootstrap方法对原始样本进行重采样，获取新的Bootstrap样本，其为新的观测数据，在IEEE1588协议下，将新的观测数据送入卡尔曼滤波器，对节点晶振进行滤波校正，提高晶振的准确度。步骤4：层次发现及节点收集：通过节点晶振时钟斜率的大小排序实现分层，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ATS协议的分层网络时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)提供一个主时钟和P个同步节点时钟；(2)通过改进Bootstrap统计方法对收集到的节点时间信息进行滤波处理；(3)对网络进行分Z层，并收集层内节点的时间对信息；在层内通过自然选择粒子群算法对滤波后的节点信息进行数据融合，产生虚拟主时钟；(4)将得到的虚拟主时钟加入到分层网络中，则每层含有n+1个节点，n＝P/Z；(5)每层网络内的节点根据ATS协议和收集到的时间对信息实现组内时钟同步，同时得到Z个独立的逻辑时钟；(6)将这Z个独立的逻辑时钟视为Z个独立的逻辑节点,同时其以自身的本地逻辑时钟为基准，周期性地向其逻辑节点广播自身的时间信息；(7)网络再一次根据ATS协议和收集到的逻辑节点的时间对信息实现全网络的时钟同步。

【技术特征摘要】
1.一种基于ATS协议的分层网络时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)提供一个主时钟和P个同步节点时钟；(2)通过改进Bootstrap统计方法对收集到的节点时间信息进行滤波处理；(3)对网络进行分Z层，并收集层内节点的时间对信息；在层内通过自然选择粒子群算法对滤波后的节点信息进行数据融合，产生虚拟主时钟；(4)将得到的虚拟主时钟加入到分层网...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋伊琳，张芳园，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23