基于改进粒子群优化PID的双补偿时钟同步算法_符强.pdf

第4 3卷 第1期桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报V o l.4 3,N o.1 2 0 2 3年2月J o u r n a l o f G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g yF e b.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 1-0 9-2 3基金项目:国家自然科学基金(6 1 5 6 1 0 1 6,6 1 8 6 1 0 0 8);广西科技厅项目(桂科A A 1 9 1 8 2 0 0 7);认知无线电与信息处理教育部重点实验室基金(C R K L 2 0 0 1 0 8);广西精密导航技术与应用重点实验室基金(D H 2 0 1 9 0 1);桂林电子科技大学研究生教育创新计划(2 0 2 2 Y C X S 0 5 0)通信作者:纪元法(1 9 7 5-),男,教授,博士,研究方向为卫星导航与卫星导航接收机。E-m a i l:2 3 2 5 9 5 0 8 0 7 q q.c o m引文格式:符强,孔健明,纪元法,等.基于改进粒子群优化P I D的双补偿时钟同步算法J.桂林电子科技大学学报,2 0 2 3,4 3(1):2 7-3 4.基于改进粒子群优化P I D的双补偿时钟同步算法符 强1,2,3,孔健明1,2,3,纪元法1,2,3,董兴波1,2,3,郭 宁1,2,3(1.桂林电子科技大学 广西精密导航技术与应用重点实验室,广西 桂林 5 4 1 0 0 4;2.桂林电子科技大学 信息与通信学院,广西 桂林 5 4 1 0 0 4;3.桂林电子科技大学 卫星导航定位与位置服务国家地方联合工程研究中心,广西 桂林 5 4 1 0 0 4)摘 要:在无线传感网络系统中,主节点和从节点存在大量实时传输的数据,为了保证数据传输的准确性,需要传感网络上全部节点的时钟保持同步。其中,时钟偏差和时钟漂移的精确测量是实现主从时钟同步的关键。针对实际工作环境中出现的时钟漂移和时钟偏差,提出了一种基于改进粒子群算法优化P I D的双补偿时钟同步算法。利用卡尔曼滤波器对时钟偏差和时钟漂移进行同时估计,利用估计值对从节点时钟进行补偿和修正。在粒子群算法更新方程的基础上引入环境因子,使粒子适应时钟不断变化的动态环境。实验结果表明,在无线传感网络系统引入改进粒子群优化P I D的双补偿时钟同步算法,减少了由于动态环境中传统粒子群陷入局部最优值的影响,增强了粒子群算法的全局寻优能力,提高了时钟同步的精度,消除了从节点时钟不稳定性对时钟同步的影响。关键词:粒子群算法;卡尔曼滤波;环境因子;时钟同步;无线传感网络中图分类号:T P 3 9 1.9 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 3-8 0 8 X(2 0 2 3)0 1-0 0 2 7-0 8D u a l c o m p e n s a t i o n c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n i m p r o v e d p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o n P I DF U Q i a n g1,2,3,K O N G J i a n m i n g1,2,3,J I Y u a n f a1,2,3,D O N G X i n g b o1,2,3,G U O N i n g1,2,3(1.G u a n g x i K e y L a b o r a t o r y o f P r e c i s i o n N a v i g a t i o n T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n,G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y,G u i l i n 5 4 1 0 0 4,C h i n a;2.S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d C o mm u n i c a t i o n,G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y,G u i l i n 5 4 1 0 0 4,C h i n a;3.N a t i o n a l&L o c a l J o i n t E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f S a t e l l i t e N a v i g a t i o n P o s i t i o n i n g a n d L o c a t i o n S e r v i c e,G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y,G u i l i n 5 4 1 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h e w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s y s t e m,t h e r e i s a l a r g e a m o u n t o f r e a l-t i m e d a t a t r a n s m i s s i o n b e t w e e n t h e m a s t e r n o d e a n d t h e s l a v e n o d e.I n o r d e r t o e n s u r e t h e a c c u r a c y o f d a t a t r a n s m i s s i o n,t h e c l o c k s o f a l l n o d e s o n t h e s e n s o r n e t w o r k s h o u l d b e s y n c h r o n i z e d.Am o n g t h e m,a c c u r a t e m e a s u r e m e n t o f c l o c k d e v i a t i o n a n d c l o c k d r i f t i s t h e k e y t o r e a l i z e m a s t e r-s l a v e c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n.A i m i n g a t t h e c l o c k d r i f t a n d c l o c k d e v i a t i o n i n t h e a c t u a l w o r k i n g e n v i r o n m e n t,a d u a l-c o m p e n-s a t i o n c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n t h e i m p r o v e d p a r t i c l e s w a r m a l g o r i t h m t o o p t i m i z e P I D i s p r o p o s e d.T h i s a l-g o r i t h m u s e s t h e K a l m a n f i l t e r t o s i m u l t a n e o u s l y e s t i m a t e t h e c l o c k d e v i a t i o n a n d c l o c k d r i f t,a n d u s e s t h e e s t i m a t e d v a l u e t o c o m p e n s a t e a n d c o r r e c t t h e s l a v e n o d e c l o c k.O n t h e b a s i s o f t h e u p d a t e e q u a t i o n o f t h e p a r t i c l e s w a r m a l g o r i t h m,e n v i r o n-m e n t a l f a c t o r s a r e i n t r o d u c e d t o m a k e t h e p a r t i c l e s a d a p t t o t h e d y n a m i c e n v i r o n m e n t o f c o n s t a n t l y c h a n g i n g c l o c k s.E x p e r i-m e n t s s h o w t h a t t h e i n t r o d u c t i o n o f a n i m p r o v e d d u a l-c o m p e n s a t i o n c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m f o r p a r t i c l e s w a r m o p t i-m i z a t i o n P I D i n w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s y s t e m s r e d u c e s t h e i m p a c t o f t r a d i t i o n a l p a r t i c l e s w a r m s f a l l i n g i n t o l o c a l o p t i m a l v a l u e s i n d y n a m i c e n v i r o n m e n t s,a n d e n h a n c e s t h e g l o b a l o p t i m i z a t i o n c a p a b i l i t y o f p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o n,i m p r o v e t h e a c c u r a c y o f c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n a n d e l i m i n a t e t h e i n f l u e n c e o f c l o c k i n s t a b i l i t y f r o m t h e n o d e o n c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n.DOI:10.16725/45-1351/tn.2023.01.011桂林电子科技大学学报2 0 2 3年2月K e y w o r d s:p a r t i c l e s w a r m a l g o r i t h m;K a l m a n f i l t e r;e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s;c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n;w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k 在无线传感网络系统中,需要对主从设备的数据进行集中处理,从设备通过有线或无线的方式与主设备进行信息交互,完成整个网