無線傳感器網絡時鐘同步方法
2023-11-02 10:51:12
專利名稱：無線傳感器網絡時鐘同步方法
技術領域：
本發明涉及一種無線傳感器網絡時鐘同步的方法，傳感器節點又稱無 線傳送器，是一種具有感知、計算、存儲和通訊功能的器件，所說的無線 傳感器網絡指傳感器節點組成的網絡，
(二)
背景技術：
集成了傳感器、嵌入式計算、網絡和無線通信四大技術而形成的無線 傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，它能夠協作地實時監測、 感知和採集各種環境或監測對象的信息，並對其進行處理。時間同步對於 所有分布式系統來說都是一個重要的問題，精確的時間同步對於傳感器網 絡的設計和應用同樣具有重要的意義，在數據匯聚算法、定位算法、能源
有效的MAC協議等都需要傳感器節點具有統一的時間信號。比如多個傳感 器聯合來探測一個運動目標的軌跡，每個傳感器將它觀測到的位置和時間 返回到處理中心，如果這些時鐘不事先同步，那麼無法判斷觀測到的位置 的時序，從而無法計算出軌跡。無線傳感器網絡中節點眾多，節點的能量、 帶寬、處理能力等相對受限，這就要求時間同步算法必須具有擴展性好、 低通信開銷、低計算複雜度等特性。有限的電池能量，存儲以及帶寬限制 等傳感器固有的特性的存在，導致傳統的時鐘同步算法不適合無線傳感器 網絡時鐘同步。
近年來提出的時間同步協議在不同的應用環境和性能評價指標下各 有千秋。TPSN算法採用鏈路層打時間戳技術,避免了協議發送時延、接入 時延和接收處理時延的影響，並通過構造分層網絡實現多跳同步，具有良 好的擴展性，但是進行一次全局同步有較大的能量消耗。FTSP算法通過發 送節點發出一個包含本地發送時間戳的數據包，接收節點用本地時間記錄 接受時間並取出同步消息中的時間戳，然後調整自身時間與同步節點時間 同步。該算法實現簡單，具有較低的計算複雜度和較小的系統能量開銷， 但是同步精度略有下降。RBS算法使用第三方節點廣播若干次同步信令， 廣播域內各節點利用本地時間記錄信令的到達時刻，然後各接收節點之間 交換時間記錄，進而兩兩校準。該算法有較高的網絡流量開銷和計算複雜 度。以上這些算法都沒有考慮到無線介質的廣播本質帶來數據包的衝突 甚至丟失，從而增大了數據包路由的延遲方差及數據包傳輸的開銷。
發明內容
因此，本發明為了提高數據包傳輸能力，有效提高同步精度，本發明 提出 一種多信道傳感器網絡時間同步方法。
為了實現本發明的發明目的，本發明採用以下技術方案
該發明無線傳感器網絡時鐘同步方法，該方法首先把無線傳感器網絡 構建成樹型網絡拓撲，並以根節點的時間值為基準時間，且根節點與所述 網絡的基站通過pair-wise算法同步；其後根節點沿各子樹廣播包含根節點 時間信息的同步數據包，各子樹的父節點與其子節點間通過pair-wise算法 同步，並最終使各子樹各層間同步；進而，直到樹型網絡各節點都具有一 個統一的時間信號。
基於本發明技術方案的無線傳感器網絡時鐘同步方法採用樹形網絡 拓撲結構，數據包傳輸能力強。另一方面，樹形拓撲層次分明便於同步數 據包的逐層傳輸，或者逐子樹傳輸，並且每個子樹出現問題，不會影響其 他子樹的正常傳輸。而基於Pair-Wise的時間同步算法使節點一旦建立自己 的級別，就忽略任何其它分級數據包，以防網絡擁塞；並且能夠準確的計 算出時鐘漂移和傳輸延遲，從而可以可靠並精確的實現各節點的時間同步。
上述無線傳感器網絡時鐘同步方法，所述父節點與子節點同步步驟 中，所述同步數據包包含的本地時間為T1，所有的子節點記錄下各自收到 這個數據包的時間T，父節點隨機的選擇一個子節點，該節點收到這個數 據包的時間為T，，然後父結點與該子節點間通過pair-wise算法獲得同步時 間信息，之後父節點廣播時間差值到其子節點，各子節點根據自身與父節 點的時間差值校正自身的時間偏差。
所述根節點通過GPS授時系統授時，且各個節點都設有時鐘電路，並 除根節點外的各節點依據所述同步方法授時。
該無線網絡傳感器網絡採用多信道傳輸方式以減少同步中數據包的 傳輸數目。
所述多信道傳輸方式採用兩個信道傳輸方式，其一為用於傳輸標誌信 息和控制數據包的控制信道，另一為用於傳輸時間的時間信道。
所述控制信道為各節點間共享信道，時間信道為父節點與子節點間的 專用信道。
5在基站與根節點建立同步步驟前，根節點廣播層發現包含發送者所從 屬層數的層次請求數據包，當根節點的直接鄰接點收到這個數據包後，設 置層數1，然後廣播包含該層數的新發現數據包，依次進行，直到網絡中 所有節點都從屬於一個確定層次。
在確定節點所述層次的步驟中，在網絡中設置一定時模塊，以用於設 定層次請求數據包最大相應時間，並在超過該設定值時，重新發送層次請 求數據包。
(四)
圖l為建立同步樹的示意圖。
圖2為同步數據包的交換過程示意圖。
圖中1-16為節點，11-14為層。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，使本領域
的技術人員更好的理解本發明
參照說明書附圖1和2，基於本發明技術方案的無線傳感器網絡時鐘 同步方法，該方法首先把無線傳感器網絡構建成樹型網絡拓撲，並以根節 點的時間值為基準時間，且根節點與所述網絡的基站通過pair-wise算法 同步；其後根節點沿各子樹廣播包含根節點時間信息的同步數據包，各子 樹的父節點與其子節點間通過pair-wise算法同步，並最終使各子樹各層 間同步；進而，直到樹型網絡各節點都具有一個統一的時間信號。
圖l示出了建立同步數的結構，根節點廣播層次發現數據包，這個數 據包中包含發送者所從屬的層數，即數據包定了該層信息，當根節點的直 接鄰接點收到這個數據包後，設置層數為1，然後廣播包含該層數的新發 現數據包，這個過程如此進行下去，直到網絡中所有節點都從屬於一個確 定層次。
如果一個節點要加入到該網絡中，但是網絡中的層次發現階段已經結 束，那麼它可以廣播層次請求數據包，接收到該請求的鄰接點通過發送其 所在層次的數據包作為回應，那麼該節點層次就是其鄰接點所在層次加1。
所述父節點與子節點同步步驟中，所述同步數據包包含的本地時間為 1\，所有的子節點記錄下各自收到這個數據包的時間T，父節點隨機的選 擇一個子節點，該節點收到這個數據包的時間為T'，然後父結點與該子 節點間通過pair-wise算法獲得同步時間信息，之後父節點廣播時間差值到其子節點，各子節點根據自身與父節點的時間差值校正自身的時間偏差。
對於pair-wise同步算法，要在建立樹形網絡拓撲之後，假設Tb T4
為基站的本地時間，T2 、 T3為根節點的本地時間。1\時刻，基站發送一個
包含L的數據包到根節點，根節點在T2時刻收到此數據包，則T^Ti+D+d，
其中D和d分別為數據包在基站和根節點間的傳輸時間和它們之間的時間
偏差。同樣，T3時刻，根節點發送一個確認數據包到基站，基站在T4時刻
收到此數據包，則有T^T3+D-d ，假設在這段時間裡，時間偏移量和傳輸
延遲不變，可以計算出 D,2-i;)+(T4-T3)]/2
H(vt;)-(T4-T3)〗/2
根節點可以根據d糾正其時間偏差，從而達到同基站同步。然後根節
點會沿著各子樹開始廣播時間數據包，開始整個同步樹的同步過程，進而 實現同步樹各節點的同步。
所述根節點通過GPS授時系統授時，以獲取一個基準時鐘，且各個節
點都設有時鐘電路，並除根節點外的各節點依據所述同步方法授時，即以 所述基準時鐘校正時間偏移量和延遲，以此獲取同步。
如果使用單一信道傳輸數據，當來自不同子節點的數據包同時到達父 節點，會造成父節點數據包的堵塞排隊，因此該無線網絡傳感器網絡採用 多信道傳輸方式以減少同步中數據包的傳輸數目以解決父節點數據包堵塞 排隊的技術問題。
優選地，所述多信道傳輸方式採用兩個信道傳輸方式，其一為用於傳 輸標誌信息和控制數據包的控制信道，另一為用於傳輸時間的時間信道。
所述控制信道為各節點間共享信道，時間信道為父節點與子節點間的 專用信道。
這裡主要考慮兩個優選的信道完全可以滿足數據傳輸，不會造成父節 點數據包的堵塞，過多的信道設置會造成資源的佔用過多，因此，基於上 述方案的多信道設置方式佔用資源少，且能夠解決父節點數據包堵塞的問 題。
相應於前面建立同步樹步驟，該步驟在基站與根節點建立同步步驟
-、/
目"
由於傳感器節點會隨時耗盡資源，當位於i-l層的所有節點都因為資
源耗盡而退出網絡時，為了避免位於第i層的節點收不到任何回復而與網絡失去聯絡，在確定節點所述層次的步驟中，在網絡中設置一定時模塊， 以用於設定層次請求數據包最大相應時間，並在超過該設定值時，重新發 送層次請求數據包。如果此時網絡處於連接狀態，它至少會收到一個回復， 從而可以確定新的層次。所說的定式模塊可以是軟體定時，也可以採用定 時器。
權利要求
1.一種無線傳感器網絡時鐘同步方法，該方法首先把無線傳感器網絡構建成樹型網絡拓撲，並以根節點的時間值為基準時間，且根節點與所述網絡的基站通過pair-wise算法同步；其後根節點沿各子樹廣播包含根節點時間信息的同步數據包，各子樹的父節點與其子節點間通過pair-wise算法同步，並最終使各子樹各層間同步；進而，直到樹型網絡各節點都具有一個統一的時間信號。
2. 根據權利要求1所述的無線傳感器網絡時鐘同步方法，其特徵在 於所述父節點與子節點同步步驟中，所述同步數據包包含的本 地時間為T\，所有的子節點記錄下各自收到這個數據包的時間T， 父節點隨機的選擇一個子節點，該節點收到這個數據包的時間為 T'，然後父結點與該子節點間通過pair-wise算法獲得同步時間 信息，之後父節點廣播時間差值到其子節點，各子節點根據自身 與父節點的時間差值校正自身的時間偏差。
3. 根據權利要求2所述的無線傳感器網絡時鐘同步方法，其特徵在 於所述根節點通過GPS授時系統授時，且各個節點都設有時鐘 電路，並除根節點外的各節點依據所述同步方法授時。
4. 根據權利要求2所述的無線傳感器網絡時鐘同步方法，其特徵在 於該無線網絡傳感器網絡採用多信道傳輸方式以減少同步中數 據包的傳輸數目。
5. 根據權利要求4所述的無線傳感器網絡時鐘同步方法，其特徵在於所述多信道傳輸方式採用兩個信道傳輸方式，其一為用於傳輸標誌信息和控制數據包的控制信道，另一為用於傳輸時間的時 間信道。
6. 根據權利要求5所述的無線傳感器網絡時鐘同步方法，其特徵在於所述控制信道為各節點間共享信道，時間信道為父節點與子 節點間的專用信道。
7. 根據權利要求2所述的無線傳感器網絡時鐘同步方法，其特徵在於在基站與根節點建立同步步驟前，根節點廣播層發現包含發 送者所從屬層數的層次請求數據包，當根節點的直接鄰接點收到 這個數據包後，設置層數1，然後廣播包含該層數的新發現數據 包，依次進行，直到網絡中所有節點都從屬於一個確定層次。
8. 根據權利要求7所述的無線傳感器網絡時鐘同步方法，其特徵在於在確定節點所述層次的步驟中，在網絡中設置一定時模塊， 以用於設定層次請求數據包最大相應時間，並在超過該設定值時， 重新發送層次請求數據包。
全文摘要
本發明公開了一種無線傳感器網絡時鐘同步的方法。該發明無線傳感器網絡時鐘同步方法，該方法首先把無線傳感器網絡構建成樹型網絡拓撲，並以根節點的時間值為基準時間，且根節點與所述網絡的基站通過pair-wise算法同步；其後根節點沿各子樹廣播包含根節點時間信息的同步數據包，各子樹的父節點與其子節點間通過pair-wise算法同步，並最終使各子樹各層間同步；進而，直到樹型網絡各節點都具有一個統一的時間信號。基於本發明技術方案的無線傳感器網絡時鐘同步的方法能夠提高數據包傳輸能力，有效提高同步精度。
文檔編號H04B7/26GK101588628SQ20091001640
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者劉瑞霞, 呂家亮, 孔祥龍, 強 郭, 諾 魏 申請人:山東省計算中心