[发明专利]基于扩展卡尔曼滤波的免时间戳同步时钟参数跟踪方法

说明书

本发明涉及一种基于扩展卡尔曼滤波的免时间戳同步时钟参数跟踪方法，属于无线传感器网络技术领域。以一阶高斯马尔可夫模型和时钟模型作为状态方程，描述时钟偏斜和时钟瞬时偏移的演化过程。再建立由免时间戳同步和时钟瞬时偏移的观测模型构成的观测方程，利用基于扩展卡尔曼滤波的跟踪方法来联合跟踪时钟偏斜和时钟瞬时偏移，实现待同步节点与参考时钟节点之间的同步。该方法跟随网络数据流就能够完成两个时变参数的同时跟踪，无需专用同步帧交互同步信息，减少了能量消耗，提高了同步精度。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于扩展卡尔曼滤波的免时间戳同步时钟参数跟踪方法。

背景技术

无线传感器网络由于其具有功耗低、易部署和价格低廉等优点被广泛应用，例如，目标跟踪、数据融合和确定性调度等。这些应用要求网络中的节点运行在共同的时间基准上，因此时间同步技术是无线传感器网络的重要支撑技术。

免时间戳同步是一类无需交互时间戳，就能够实现节点间同步的低功耗同步机制。由于在同步过程中不传递时间信息，且易于将同步功能嵌入到网络数据流中，该类同步机制受到了广泛关注。当前大部分免时间戳同步方法基于时钟偏斜参数保持不变这一假设进行设计，但由于受外界环境和晶振自身寿命等因素的影响，无线传感器节点的时钟偏斜会呈现非线性时变，虽然有方案能够跟踪免时间戳同步的时钟偏斜参数，但未能实现对时钟瞬时偏移参数的估计，制约了免时间戳同步在实际无线传感器网络中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于扩展卡尔曼滤波的免时间戳同步时钟参数跟踪方法，采用一阶高斯马尔可夫模型和时钟模型来建模时变的时钟偏移和偏斜，利用基于扩展卡尔曼滤波的跟踪方法，实现对免时间戳同步时钟瞬时偏移和时钟偏斜的联合跟踪。整个跟踪过程跟随网络数据流，无需专用的同步帧传递时间戳信息，待同步节点根据记录的时间戳及已知的响应时间就能实现与参考时钟节点的长期同步，节约通信带宽和能量，提高同步精度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于扩展卡尔曼滤波的免时间戳同步时钟参数跟踪方法，包括以下步骤：

S1：以时变的参数模型作为状态方程，描述时钟偏斜和时钟瞬时偏移的演化过程，所述时变的参数模型为一阶高斯马尔可夫模型和时钟模型；

S2：建立观测方程，利用基于扩展卡尔曼滤波的跟踪方法来联合跟踪时钟偏斜和时钟瞬时偏移，实现待同步节点与参考时钟节点之间的同步，所述观测方程由免时间戳同步和时钟瞬时偏移的观测模型构成。

进一步，步骤S1中所述的状态方程，将动态变化的时钟偏斜视为一个随机变量，采用一阶高斯马尔可夫模型来描述其特性，具体公式如下：

ρ[n]＝mρ[n-1]+u[n]

其中ρ[n]表示第n个采样时刻待同步节点相对于参考时钟节点的时钟偏斜；m表示小于且接近于1的系数，假设为已知；u[n]表示均值为0，方差为的高斯驱动噪声；

利用时钟模型来描述时钟瞬时偏移，具体公式如下：

θ[n]＝θ[n-1]+ρ[n]τ[n]

其中θ[n]表示第n个采样时刻待同步节点相对于参考时钟节点的时钟偏移；τ[n]表示第n个样本的采样间隔，假设为一个固定值，即τ[n]＝τ₀；

将时钟瞬时偏移和时钟偏斜的公式联立构成矩阵形式，得到状态方程如下：

x[n]＝Ax[n-1]+u[n]

其中和

进一步，步骤S2中所述观测方程的建立步骤如下：

S21：在第i个同步轮次中，待同步节点与参考时钟节点之间进行免时间戳交互，则有同步通式为：