CN103338507A - 基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法，涉及无线传感器网络技术领域，包括根据每个同步区域的形状、面积，计算移动参考节点的移动路径，建立移动参考节点的移动轨迹模型，使移动参考节点按照计算的路径进行移动，覆盖同步区域内的所有无线传感器节点；在移动过程中，移动参考节点对在通信范围内建立连接的普通传感器节点提供时钟同步服务，实现普通传感器节点的时钟同步；当移动参考节点沿着移动路径移动一个周期后，也称为同期时钟同步，完成对整个同步区域的覆盖时，即实现整个同步区域的时钟同步，继而完成整个传感器网络的时钟同步。本发明提供一种基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法，有效提高同步精度。

Description

基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法。

背景技术

目前，面向传感器网络时钟同步的主流算法使用位置固定的参考节点。由于无线传感器节点的通信范围有限，即使是通信能力较强的参考节点的通信范围也无法直接覆盖整个无线传感器网络，因此必须依赖簇头节点或其他中间节点所形成的多跳链路从参考节点向需要进行时钟同步的传感器节点传送同步信息，以此来最终实现全网范围的时钟同步，整体上必然需要较大的通信量，因而造成作为无线传感器网络时钟同步重要性能指标的能量损耗（节点实现同步需要的通信所导致的能量开销）相应提高。同时，在同步信息转发过程中，随着转发次数增多，时钟的误差（主要由传送时间、传播时间和接收时间组成）也逐渐增大，造成作为无线传感器网络时钟同步另一重要性能指标的同步精度（节点估算的参考时间与实际参考时间之间的偏差）逐渐减低。时钟同步的性能随着网络规模的增大而降低。

因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新的提出一种有效的措施，以解决现有技术存在的问题，满足实际应用的更多需求。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之外，本发明提供一种基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法，有效提高同步精度，降低了节点的能量损耗。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法，包括：

根据每个同步区域的形状、面积，计算移动参考节点的移动路径，建立移动参考节点的移动轨迹模型，使移动参考节点按照计算的路径进行移动，覆盖同步区域内的所有无线传感器节点；

在移动过程中，移动参考节点对在通信范围内建立连接的普通传感器节点提供时钟同步服务，实现普通传感器节点的时钟同步；

当移动参考节点沿着移动路径移动一个周期后，也称为同期时钟同步，完成对整个同步区域的覆盖时，即实现整个同步区域的时钟同步，继而完成整个传感器网络的时钟同步。

进一步的，所述移动参考节点在移动过程中不进行通信。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明所述的方案中，移动参考节点与普通传感器节点直接进行通信，避免同步信息在传感器间进行多跳路由传输带来的时间延迟的累加提高了传感器节点同步的精度；同时减少了传感器节点对于同步信息的多次转发带来的能量损耗。

在同步过程中，不需要网络建立簇等结构性的拓扑连接，因此单个节点的失效不会对网络的时钟同步产生影响，时钟同步的鲁棒性得到大幅提高，即时钟同步算法适应节点通信链路失效等网络拓扑动态变化的能力较高。

附图说明

图1是本发明的基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法的流程示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述的无线传感器网络蜂窝覆盖及覆盖圆心的坐标图；

图3是本发明具体实施方式中所述的移动参考节点的移动路径。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图与实例对本发明作进一步详细说明。但所举实例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供一种基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法的流程示意图，包括：

步骤S101，根据每个同步区域的形状、面积，计算移动参考节点的移动路径，建立移动参考节点的移动轨迹模型，使移动参考节点按照计算的路径进行移动，覆盖同步区域内的所有无线传感器节点；

步骤S102，在移动过程中，移动参考节点对在通信范围内建立连接的普通传感器节点提供时钟同步服务，实现普通传感器节点的时钟同步；

步骤S103，当移动参考节点沿着移动路径移动一个周期后，也称为同期时钟同步，完成对整个同步区域的覆盖时，即实现整个同步区域的时钟同步，继而完成整个传感器网络的时钟同步。

本发明选用一个具有GPS授时或北斗授时功能、可移动的、能量不受限的无线传感器节点作为无线传感器网络的参考时钟源，提出了一种基于移动参考节点的时钟同步方法。

对于大范围、大规模部署的无线传感器网络，需要整个网络进行时钟同步时，按照一定规则如正方形或六边形将整个网络划分为多个同步区域，在每个同步区域内使用一个移动参考节点进行时钟同步，由于每个移动参考节点都具有GPS授时或北斗授时功能，直接从同一参考节点GPS卫星定位系统或北斗卫星导航系统获得基准时间，在此认为所有的移动参考节点的时钟是同步的。

在一个需要同步的区域内，本发明提出的基于移动参考节点的时钟同步方法，根据每个同步区域的形状、面积，计算移动参考节点的移动路径，建立移动参考节点的移动轨迹模型，使移动参考节点按照计算的路径进行移动，覆盖同步区域内的所有无线传感器节点；在移动过程中，移动参考节点对在通信范围内建立连接的普通传感器节点提供时钟同步服务，实现普通传感器节点的时钟同步；当移动参考节点沿着移动路径移动一个周期后，也称为同期时钟同步，完成对整个同步区域的覆盖时，即实现整个同步区域的时钟同步，继而完成整个传感器网络的时钟同步。

实际应用中的具体实施：

一、建立移动轨迹模型

为降低移动参考节点的能耗，在移动过程中不进行通信，只在移动参考节点移动到固定位置时为未知节点提供同步授时，由于参考节点的通信覆盖范围为圆形，本问题为在无线传感器节点的部署区域内寻找移动参考节点的移动的固定位置此数学模型为使用最少的圆形来覆盖矩形，以此确定圆心。

本问题的研究难点：

1、移动参考节点的通信半径为R；通信范围以节点为圆心，以R为半径的圆形区域，为了使用最少的圆形区域来无缝覆盖同步区域，利用蜂窝覆盖原理，将移动参考节点的通信范围等效成半径为R的内六边形。

2、假定同步区域为长L宽W的矩形区域，内六边形对同步区域的蜂窝覆盖，如图2给出的无线传感器网络蜂窝覆盖及覆盖圆心的坐标图，

3、设同步区域的坐下角定点为坐标原点，建立坐标轴，

4、利用内六边形的特性以及对同步区域无缝蜂窝覆盖，计算得到每个圆心的坐标；

注：圆心11表示第1行第1列的覆盖圆的圆心。

第一行覆盖圆的圆心坐标如下：

圆心11的坐标为圆心12的坐标为

圆心13的坐标为

由数学归纳法，可知第一行覆盖圆的圆心的纵坐标上的分量固定为

在横坐标上的分量的间距为

的整数倍，即覆盖圆在横坐标上的覆盖的宽度为的整数倍，由此可知，通过分析同步区域长度L与覆盖圆在横坐标上覆盖宽度的关系，得到圆心1n的横坐标；

对

进行取整取余分析如下：

取整运算：

取余运算：

(1)当q=0,p为偶数时，同步区域长度L恰好被整数个圆覆盖，此时的圆心1n的坐标为

(2)当q=0,p为奇数时，同步区域长度L恰好被整数个圆和半个圆覆盖，此时的圆心1n的坐标为

(3)当q>0,p为偶数时，同步区域长度L恰好被整数个圆和小于半个圆覆盖，此时的圆心1n的坐标为

(4)当q>0,p为奇数时，同步区域长度L恰好被整数个圆和大于半个圆覆盖，此时的圆心1n的坐标为

第一列覆盖圆的圆心坐标如下：

圆心11的坐标为

圆心21的坐标为(0,2R)；

圆心31的坐标为 $(\frac{\sqrt{3}}{2}R,(3R+\frac{1}{2}R));$

由数学归纳法，可知第一列覆盖圆的圆心的横坐标上的分量固定为0或

上，在纵坐标上的分量的间距为

的整数倍，即覆盖圆在纵坐标上的覆盖的宽度为

的整数倍，由此可知，通过分析同步区域宽度W与覆盖圆在纵坐标上覆盖宽度的关系，得到圆心m1的纵坐标；对

进行取整取余分析如下：

取整运算：

取余运算：

(1)当β=0,α为偶数时，同步区域宽恰好被整数个圆覆盖，此时的圆心m1的坐标为 $(\frac{\sqrt{3}}{2}R,W-\frac{1}{2}R)$

(2)当β=0,α为奇数时，同步区域宽恰好被整数个圆覆盖，此时的圆心m1的坐标为

(3)当β>0,α为偶数时，同步区域宽被恰好被奇数个圆和另外的一个圆覆盖，此时的圆心m1的坐标为：

$(0,((\mathrm{\α}+1)\frac{3}{2}R+\frac{1}{2}R))=(0,(\mathrm{\α}\frac{3}{2}R+2R))$

(4)当β>0,α为奇数时，同步区域宽被恰好被偶数个圆和另外的一个圆覆盖，此时的圆心m1的坐标为：

$(\frac{\sqrt{3}}{2}R,(\mathrm{\α}+1)\frac{3}{2}R+\frac{1}{2}R)=(\frac{\sqrt{3}}{2}R,(\mathrm{\α}\frac{3}{2}R+2R))$

综上所述，根据α、β、p、q的不同取值，形成了16种组合，得到16个所有圆心的坐标值构成m行n列的矩阵；

在此，以q>0,p为奇数，β>0,α为偶数时为例进行说明，所有圆心的坐标值构成m行n列的矩阵：

$\left[\begin{array}{cccc}(0,(\mathrm{\α}\frac{3}{2}R+2R))& (\sqrt{3}R,(\mathrm{\α}\frac{3}{2}R+2R))& \·\·\·\·\·\·& ((L-q+\frac{\sqrt{3}}{2}R),(\mathrm{\α}-\frac{3}{2}R+2R))\\ \·\·\·\·\·\·& & & \·\·\·\·\·\·\\ \left(\mathrm{0,2}R\right)& & & \\ (\frac{\sqrt{3}}{2}R,\frac{1}{2}R)& (\frac{3\sqrt{3}}{2}R,\frac{1}{2}R)& \·\·\·\·\·\·& (L-q,\frac{1}{2}R)\end{array}\right]$

二、确定好圆心后，选用最优的路径，由于移动参考节点是周期性移动，起点和终点为同一点，移动一个周期完成对整个无线传感器网络所有节点的覆盖，数学模型为旅行商问题，由于每个覆盖圆的圆心间距是固定的相当于特殊的旅行商问题，选用移动路径的原则为：

（1）起点和终点为同一点

（2）移动参考节点在两个圆心间移动的距离均为

（3）移动参考节点在移动过程中经过到所有的圆心

因此，移动参考节点的移动路径不唯一，例如图3所示的移动参考节点的移动路径。

三、移动参考节点对传感器网络进行时钟同步

待到确定好移动轨迹后，移动参考节点遍历部署区域内的所有传感器节点,与通信范围内的未知节点（普通传感器节点）进行直接通信,参考节点移动一个周期后，全网实现时钟同步。

移动参考节点以△t为时间间隔周期性地沿着计算出的固定路径进行移动，移动周期和时间间隔△t根据要求灵活设置。由于节点的通信能耗远大于计算能耗，可以采用主要基于sender-receiver的单向同步算法实现节点的时钟同步。

补充说明的，由于普通节点直接接收（单跳直达）参考节点的同步信息，因此整体网络的同步开销较小。一般传感器节点的本地时钟源通常采用频率准确度和稳定度较差的廉价晶振，造成了节点的同步精度随同步周期（T+△t）的变化而变化，由于时间间隔△t能够灵活设置，即同步周期（T+△t）能够调节，同步精度也可以按照要求灵活改变。

由于同步开始时，不需要网络建立簇等结构性的拓扑连接，因此单个节点的失效不会对网络的时钟同步产生影响，时钟同步的鲁棒性得到大幅提高，即时钟同步算法适应节点通信链路失效等网络拓扑动态变化的能力较高。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法，包括：

根据每个同步区域的形状、面积，计算移动参考节点的移动路径，建立移动参考节点的移动轨迹模型，使移动参考节点按照计算的路径进行移动，覆盖同步区域内的所有无线传感器节点；

在移动过程中，移动参考节点对在通信范围内建立连接的普通传感器节点提供时钟同步服务，实现普通传感器节点的时钟同步；

当移动参考节点沿着移动路径移动一个周期后，也称为同期时钟同步，完成对整个同步区域的覆盖时，即实现整个同步区域的时钟同步，继而完成整个传感器网络的时钟同步。

2.如权利要求1所述的基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法，其特征在于，所述移动参考节点在移动过程中不进行通信。

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