一種基于dpm模型的rb粒子濾波時(shí)間同步方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種基于DPM模型的RB粒子濾波時(shí)間同步方法。本發(fā)明的具體思路是：首先，將雙向時(shí)間信息交換模型等效成動(dòng)態(tài)馬爾可夫模型，把雙向時(shí)間信息交換過程中的不確定時(shí)延看作是動(dòng)態(tài)馬爾可夫過程的觀測噪聲，把時(shí)鐘偏差看成是動(dòng)態(tài)馬爾可夫模型的狀態(tài)變量；然后，利用DPM模型描述觀測噪聲分布；最后，依據(jù)觀測數(shù)據(jù)，利用RB粒子濾波估計(jì)出觀測噪聲分布參數(shù)和時(shí)鐘偏差，消除時(shí)鐘偏差，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。本發(fā)明結(jié)合DPM模型的優(yōu)勢和RB粒子濾波估計(jì)未知參數(shù)的高效性，有效提高了時(shí)間同步精度。
【專利說明】—種基于DPM模型的RB粒子濾波時(shí)間同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步領(lǐng)域，具體涉及一種基于DPM模型的RB粒子濾波時(shí)間同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)自組織形成的無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘。由于受晶振器頻率偏差、傳感器壽命以及外部環(huán)境的影響，傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘往往存在時(shí)鐘偏差。無線傳感網(wǎng)絡(luò)要利用時(shí)間同步技術(shù)來消除節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘偏差。無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要支撐技術(shù)，是無線傳感網(wǎng)絡(luò)正常工作和應(yīng)用的基礎(chǔ)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)自身協(xié)議的運(yùn)以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合、協(xié)同睡眠、定位等應(yīng)用都需要時(shí)間同步的支持。
[0003]無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步主要分成三種模式:基于接收者-接收者的時(shí)間同步模式，基于發(fā)送者-接收者的單向時(shí)間同步模式和基于發(fā)送者-接收者的雙向時(shí)間同步模式。其中，基于發(fā)送者-接收者的雙向時(shí)間同步模式包含了雙向時(shí)間信息交換機(jī)制。雙向時(shí)間信息交換機(jī)制是高精度時(shí)間同步方法的基礎(chǔ)，是待時(shí)間同步的傳感器節(jié)點(diǎn)獲得彼此時(shí)間信息的保障。
[0004]在基于雙向時(shí)間信息交換機(jī)制的時(shí)間同步中，需要時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行多次時(shí)間信息交換，交換過程如圖1所示。例如第k次時(shí)間信息交換過程是:節(jié)點(diǎn)A在時(shí)刻Tlik向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送時(shí)間信息，時(shí)間信息記錄了節(jié)點(diǎn)A發(fā)送信息的時(shí)刻;節(jié)點(diǎn)B在時(shí)刻T2，k收到時(shí)間信息；節(jié)點(diǎn)B接收完信息后，在時(shí)刻T3，k向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送時(shí)間信息，時(shí)間信息中包含T2，k、T3jk ;節(jié)點(diǎn)A在時(shí)刻T4，k接收完節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的時(shí)間信息；每次雙向時(shí)間信息交換得到時(shí)間信息數(shù)據(jù){Τ1Λ，T2；k, T3；k, T4；k}。在圖1中，d是時(shí)間信息在節(jié)點(diǎn)A、B間的傳播時(shí)間，一般d很小，可以忽略；θ A是節(jié)點(diǎn)A的時(shí)鐘相對(duì)節(jié)點(diǎn)B時(shí)鐘的時(shí)鐘偏差；Rk和Mk分別是節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)A接收時(shí)間信息時(shí)的不確定時(shí)延，且分布未知。正如圖1所示，A、B節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間信息交換時(shí)，上行鏈路(由A到B)和下行鏈路(由B到A)分別存在分布未知的不確定時(shí)延Rk和Mk。不確定時(shí)延增加了時(shí)間同步的難度，影響了時(shí)間同步精度。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)基于雙向時(shí)間信息交換機(jī)制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步中，不確定時(shí)延影響無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度的問題，本發(fā)明提出了一種基于DPM模型的RB粒子濾波無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法。本發(fā)明的思路是:首先將雙向時(shí)間信息交換模型等效成動(dòng)態(tài)馬爾可夫模型，把雙向時(shí)間信息交換過程中的不確定時(shí)延看作是動(dòng)態(tài)馬爾可夫過程的觀測噪聲，把時(shí)鐘偏差看成是動(dòng)態(tài)馬爾可夫模型的狀態(tài)變量；然后，利用DPM (Dirichlet processmixture, Dirichlet過程混合)模型描述觀測噪聲分布；最后，依據(jù)觀測數(shù)據(jù)，利用RB粒子濾波(Rao-Blackwellised particle filter)估計(jì)出觀測噪聲分布參數(shù)和時(shí)鐘偏差；最終，消除時(shí)鐘偏差，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。本發(fā)明的具體步驟如下:
[0006]步驟一:將雙向時(shí)間信息交換模型等效成動(dòng)態(tài)馬爾可夫模型
[0007]依據(jù)圖1，A，B節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向時(shí)間信息交換時(shí):
【權(quán)利要求】
1.一種基于DPM模型的RB粒子濾波時(shí)間同步方法，其特征在于該方法包括以下步驟: (1)將雙向時(shí)間信息交換模型等效成動(dòng)態(tài)馬爾可夫模型；把雙向時(shí)間信息交換過程中的不確定時(shí)延看作是馬爾可夫過程的觀測噪聲；把時(shí)鐘偏差看成是馬爾可夫模型的狀態(tài)變量; (2)馬爾可夫動(dòng)態(tài)模型中觀測噪聲未知；為了提高噪聲估計(jì)準(zhǔn)確度，利用DPM模型描述觀測噪聲分布，確定待估計(jì)的未知參數(shù)Q = P1，…，0L)； (3)利用RB粒子濾波估計(jì)新狀態(tài)變量Ψ= [O，X]，利用粒子濾波估計(jì)O，利用卡爾曼濾波估計(jì)X，得到X的估計(jì)i ；最終得到時(shí)鐘偏差估計(jì); (4)調(diào)整節(jié)點(diǎn)A的時(shí)鐘，消除時(shí)鐘偏差I(lǐng)4，實(shí)現(xiàn)A、B節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。
2.如權(quán)利要求1所述的基于DPM模型的RB粒子濾波時(shí)間同步方法，其特征在于步驟(2)中的DPM模型描述觀測噪聲分布為 nk ~f (nk I Θ k) ek~G (I) G ~DP(G0，α) 其中，9k是未知參數(shù)，Gtl是基礎(chǔ)分布，α是集中度參數(shù)；每次進(jìn)行雙向時(shí)間信息交換時(shí)，觀測噪聲nk可能服從不同分布，L次信息交換后，觀測噪聲從混合分布，未知參數(shù) Θ = ( Θ ” …，Θ L)； 利用DPM模型描述觀測噪聲分布，需要估計(jì)未知參數(shù)O = P1，…，0L);要實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，需要估計(jì)狀態(tài)變量X;定義新狀態(tài)變量Ψ = [θ，χ]表示所有需要估計(jì)的變量。
3.如權(quán)利要求1所述的基于DPM模型的RB粒子濾波時(shí)間同步方法，其特征在于步驟(3)中估計(jì)新狀態(tài)變量Ψ的具體方法:利用RB粒子濾波估計(jì)新狀態(tài)變量Ψ;將Θ看成是Ψ的非線性部分，將X看成是Ψ的線性部分；利用粒子濾波估計(jì)?，利用卡爾曼濾波估計(jì)X，得到X的估計(jì)i; 利用RB粒子濾波估計(jì)Ψ，具體過程是: (a)依據(jù)貝葉斯理論，狀態(tài)變量Ψ的后驗(yàn)概率密度函數(shù)可分解為:
【文檔編號(hào)】H04J3/06GK103957068SQ201410148399
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】郭春生, 沈佳, 宋少雷 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)