CN103402250B - 一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法包括：动态配置同步生命周期策略，该策略允许传感网络节点的同步生命周期动态的被改变，这个生命周期可以是永久的，也可以是临时性的，比如1个小时等，该策略的依据根据是否为移动节点、节点剩余电量作为主要判据，决定该网络节点被配置的时间同步生命周期；动态配置同步的地理范围策略，该策略允许传感网络节点被划分到不同的地理范围，不同的地理范围获得不同的时间同步配置策略，比如同步的频率和同步的生命周期等，该策略依据根据节点是否为移动节点、节点地理位置远近来决定如何划分节点的范围。本发明的方法按照应用需要全网进行节点分类，实现按照不同类别节点的同步寿命配置，即配置不同期限的同步服务时间，可以有效的解决不同节点对于网络的冲击，降低时间同步的失败率。

Description

一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种无线传感网络中时钟同步的方法及装置，尤其涉及一种无一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法及装置。

背景技术

加州大学网络和嵌入式系统实验室提出的传感器网络时间同步TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor Networks)算法采用“发送者–接收者”(Sender–Receiver Synchronization，SRS)之间进行节点成对同步的工作方式，并扩展到整个网络域。TPSN算法没有对时间的频差进行估计，这使得它需要频繁同步，开销较大。研究者们所提出的两个轻量级算法Tiny-sync和Mini-sync中，对TPSN进行了改进，通过交换少量的消息就能够提供误差上界的确定频偏与相偏估计，同时只占用非常有限的网络通信带宽、存储容量和计算处理能力等资源，这正是无线传感节点WSN最需要的特性。在此基础上，以一定程度上降低时间同步精度为代价，减少时间同步过程的能量开销的LTS(Lightweight Time Synchronization)算法得到了研究。

智慧城市的建设以及物联网产业的迅猛发展，使得大规模无线传感网络的应用和移动节点与静态节点混合并存情况更加普遍，这些都对无线传感网络提出了更高的要求。在此种背景下，WSN时间同步面对巨大挑战。在网络规模较小时，WSN可以通过网络拓扑结构将全部节点组织起来。但面对大规模网络时，由于无线环境的不稳定以及移动节点造成网络拓扑结构的变化，迫使WSN频繁进行拓扑更新才能跟踪拓扑的变化。一方面，频繁更新将受到有限的无线资源和节点电能的限制；另一方面，将网络拓扑维护的任务交给时间同步协议来承担也十分勉强。

发明内容

针对现有路由算法不能满足智慧城市的需要，本发明提出一种解决方案，采用同步期限（或寿命）与有效同步范围动态配置的概念，可以有效的解决不同节点对于网络的冲击，降低时间同步的失败率，解决现有技术中存在的问题。

本发明通过如下技术方案实现：

本发明的第一方面，提供一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法，包括以下步骤：

步骤1.判断是否采用动态配置同步生命周期策略，该策略允许无线传感网络内每个无线传感网络节点的同步生命周期动态的被改变；

步骤2.若采用动态配置同步生命周期策略，则执行动态配置同步生命周期策略；若否，则将同步生命周期设置为默认周期T1。

进一步地，所述判断是否采用动态配置同步生命周期策略具体为：根据所述无线传感网络节点是否为移动节点进行判断，若为路由节点，则采用动态配置同步生命周期策略。

进一步地，所述判断是否采用动态配置同步生命周期策略具体为：根据所述无线传感网络是否启动数据融合进行判断，若为是，则采用动态配置同步生命周期策略。

进一步地，所述判断是否采用动态配置同步生命周期策略具体为：根据所述无线传感网络节点是否启动节点剩余电量监测进行判断，若为是，则采用动态配置同步生命周期策略。

进一步地，所述执行动态配置同步生命周期策略具体为，将同步生命周期设置为T2，其中，T2小于所述默认周期T1。

本发明的第二方面，提供一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法，其特征在于：无线传感网络内每个无线传感网络节点执行动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略允许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围，不同的地理范围采用不同的时间同步配置策略。

进一步地，所述执行动态同步生命周期配置的地理范围策略，具体为：根据所述无线传感网络节点所属的中心节点的作用域半径进行划分不同的地理范围，为不同作用域内的无线传感节点配置不同的同步周期；作用域半径小的范围内的无线传感网络节点的同步周期小于作用域半径大的范围内的无线传感网络节点的同步周期。

本发明的第三方面，提供一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法，包括以下步骤：

步骤1.判断是否采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略允许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围；

步骤2.当判断为采用动态同步生命周期配置的地理范围策略时，执行执行动态同步生命周期配置的地理范围策略；当判断为不采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，则执行动态同步生命周期配置策略。

本发明的第四方面，提供一种大规模无线传感网络中时钟同步的装置，所述装置位于所述无线传感网络节点中，所述装置包括：

同步生命周期动态配置判断模块，用于判断是否采用动态配置同步生命周期策略，该策略允许所述无线传感网络节点的同步生命周期动态的被改变；

同步生命周期配置模块，用于当判断为采用动态配置同步生命周期策略时，则执行动态配置同步生命周期策略；若否，则将同步生命周期设置为默认周期T1。

本发明的第五方面，提供一种大规模无线传感网络中时钟同步的装置，所述装置位于所述无线传感网络节点中，所述装置包括：

动态同步生命周期配置的地理范围策略判断模块，用于判断是否采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围；

同步生命周期配置模块，用于当判断为采用动态同步生命周期配置的地理范围策略时，执行动态同步生命周期配置的地理范围策略；当判断为不采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，则执行动态同步生命周期配置策略。

本发明的有益效果是：本发明提出了同步期限（或寿命）与有效同步范围配置的概念，按照应用需要全网进行节点分类，实现按照不同类别节点的同步寿命配置，即配置不同期限的同步服务时间，可以有效的解决不同节点对于网络的冲击，降低时间同步的失败率。

附图说明

图1是本发明无线传感网络示意图；

图2（a）、图2（b）是本发明的第一实施例的方法流程图；

图3是本发明的第三实施例的方法流程图；

图4是本发明的第四实施例的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如附图1所示，无线传感网络中心节点都有自己的作用域。cluster head3节点的无线传感网络有2个作用域，分别对应2个半径 R3和R4。

[第一实施例]

如附图2（a）所示，本发明的方法流程如下：

步骤1，判断是否采用动态配置同步生命周期策略，该策略允许无线传感网络内每个无线传感网络节点的同步生命周期动态的被改变；

步骤2，若采用动态配置同步生命周期策略，则执行动态配置同步生命周期策略；若否，则将同步生命周期设置为默认周期T1。

具体地，将网络的同步周期划分为二个参数，分别为T1 >T2，用来设置给不同的无线传感网路节点的时间同步参数。

首先网络协调器根据网络需要广播时间同步周期设置内容，包括节点类型，节点能量阈值，数据融合要求内容，组网方式则是网络协调器自身来管理和判断的；广播内容可以根据不同的应用背景进行增加或者删减；

广播内容包括：

T1

T2

数据融合启用？

网络节点启用？

节点剩余能量？

节点收到该信息后，按照预先设置的策略进行调整，如附图2（b）所示：节点首先判断网络是否考虑了网络节点类型，如果启动了网络节点类型则判断本节点是否为路由节点，如果为路由节点则将自身的时间同步周期设置为T2，否则继续判断；如果没有启动网络节点类型，则继续判断；判断网络是否启动数据融合判据，如果启动了，则将自身的时间同步周期设置为T2，如果没有启动，则继续判断；判断网络是否启动节点剩余电量判据，如果启动了则设置自身节点时间同步周期为T2，否则则设置自身的时间同步周期为T1，整个设置工作结束。

具体地，参照附图1，按照本发明的第一策略，即动态配置同步生命周期策略，能够对不同节点的时间同步周期动态配置，那么Node1和Node2可以配置为不同的时间同步周期，比如分别配置为10分钟和1个小时。Node1每隔10分钟，接收系统的时间同步消息，进行时间同步操作。Node2每隔1个小时，接收系统的时间同步消息，进行时间同步操作。

[第二实施例]

一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法，包括：无线传感网络内每个无线传感网络节点执行动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略允许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围，不同的地理范围采用不同的时间同步配置策略。

具体地，参照附图1，按照本发明的第二策略，即动态配置同步生命周期的地理范围策略，传感网络节点被划分到不同的地理范围，不同的地理范围获得不同的时间同步配置策略，那么在R4半径内的节点配置为一个时间同步的周期T4，在R4和R3之间的节点则为T3。

[第三实施例]

如附图3所示，本发明提供的另一方法流程如下：

步骤1.判断是否采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略允许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围；

步骤2.当判断为采用动态同步生命周期配置的地理范围策略时，执行执行动态同步生命周期配置的地理范围策略；当判断为不采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，则执行动态同步生命周期配置策略。

[第四实施例]

如附图4所示，本发明的大规模无线传感网络中时钟同步的装置300，所述装置位于所述无线传感网络节点中，所述装置包括：

同步生命周期动态配置判断模块301，用于判断是否采用动态配置同步生命周期策略，该策略允许无线传感网络节点的同步生命周期动态的被改变；

同步生命周期配置模块302，用于当判断为采用动态配置同步生命周期策略时，执行动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略允许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围，不同的地理范围采用不同的时间同步配置策略；当判断为不采用动态配置同步生命周期策略时，将无线传感网络节点的同步生命周期配置为一固定周期。

[第五实施例]

本发明提供的另一种大规模无线传感网络中时钟同步的装置，所述装置位于所述无线传感网络节点中，所述装置包括：

动态同步生命周期配置的地理范围策略判断模块，用于判断是否采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围；

同步生命周期配置模块，用于当判断为采用动态同步生命周期配置的地理范围策略时，执行动态同步生命周期配置的地理范围策略；当判断为不采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，则执行动态同步生命周期配置策略。

本发明的有益效果是：本发明提出了同步期限（或寿命）与有效同步范围配置的概念，按照应用需要全网进行节点分类，实现按照不同类别节点的同步寿命配置，即配置不同期限的同步服务时间，可以有效的解决不同节点对于网络的冲击，降低时间同步的失败率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法，其特征在于：

步骤1.判断是否采用动态配置同步生命周期策略，该策略允许无线传感网络内每个无线传感网络节点的同步生命周期动态的被改变；

步骤2.若采用动态配置同步生命周期策略，则执行动态配置同步生命周期策略；若否，则将同步生命周期设置为默认周期T1，其中，所述判断是否采用动态配置同步生命周期策略具体为：先判断节点类型是否启动，若未启动，则继续判断数据融合是否启动；若节点类型启动，则根据所述无线传感网络节点是否为路由节点进行判断，若为路由节点，则采用动态配置同步生命周期策略，若不为路由节点，则继续判断数据融合是否启动；若数据融合启动，则采用动态配置同步生命周期策略。

2.一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法，其特征在于：步骤1.判断是否采用动态配置同步生命周期策略，该策略允许无线传感网络内每个无线传感网络节点的同步生命周期动态的被改变；步骤2.若采用动态配置同步生命周期策略，则执行动态配置同步生命周期策略；若否，则将同步生命周期设置为默认周期T1，其中，所述判断是否采用动态配置同步生命周期策略具体为：根据所述无线传感网络是否启动数据融合进行判断，若为是，则采用动态配置同步生命周期策略。

3.一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法，其特征在于：步骤1.判断是否采用动态配置同步生命周期策略，该策略允许无线传感网络内每个无线传感网络节点的同步生命周期动态的被改变；步骤2.若采用动态配置同步生命周期策略，则执行动态配置同步生命周期策略；若否，则将同步生命周期设置为默认周期T1，其中，所述判断是否采用动态配置同步生命周期策略具体为：根据所述无线传感网络节点是否启动节点剩余电量监测进行判断，若为是，则采用动态配置同步生命周期策略。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：所述执行动态配置同步生命周期策略具体为，将同步生命周期设置为T2，其中，T2小于所述默认周期T1。

5.一种大规模无线传感网络中时钟同步的方法，其特征在于：

步骤1.判断是否采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略允许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围；

步骤2.当判断为采用动态同步生命周期配置的地理范围策略时，执行动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略允许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围，不同的地理范围采用不同的时间同步配置策略，其中，所述执行动态同步生命周期配置的地理范围策略，具体为：根据所述无线传感网络节点所属的中心节点的作用域半径进行划分不同的地理范围，为不同作用域内的无线传感节点配置不同的同步周期；

作用域半径小的范围内的无线传感网络节点的同步周期小于作用域半径大的范围内的无线传感网络节点的同步周期；

当判断为不采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，则执行如权利要求1-4任一所述的大规模无线传感网络中时钟同步的方法。

6.一种大规模无线传感网络中时钟同步的装置，所述装置位于所述无线传感网络节点中，其特征在于：所述装置包括：

同步生命周期动态配置判断模块，用于判断是否采用动态配置同步生命周期策略，该策略允许所述无线传感网络节点的同步生命周期动态的被改变，其中，所述判断是否采用动态配置同步生命周期策略具体为：先判断节点类型是否启动，若启动，则根据所述无线传感网络节点是否为路由节点进行判断，若为路由节点，则采用动态配置同步生命周期策略；若节点类型未启动，则继续判断数据融合是否启动，若数据融合启动，则采用动态配置同步生命周期策略。

7.一种大规模无线传感网络中时钟同步的装置，所述装置位于所述无线传感网络节点中，其特征在于：所述装置包括：动态同步生命周期配置的地理范围策略判断模块，用于判断是否采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围；

同步生命周期配置模块，用于当判断为采用动态同步生命周期配置的地理范围策略时，执行动态同步生命周期配置的地理范围策略，该策略允许无线传感网络节点被划分到不同的地理范围，不同的地理范围采用不同的时间同步配置策略，其中，所述执行动态同步生命周期配置的地理范围策略，具体为：根据所述无线传感网络节点所属的中心节点的作用域半径进行划分不同的地理范围，为不同作用域内的无线传感节点配置不同的同步周期；作用域半径小的范围内的无线传感网络节点的同步周期小于作用域半径大的范围内的无线传感网络节点的同步周期；

当判断为不采用动态同步生命周期配置的地理范围策略，则执行如权利要求1-4任一所述的大规模无线传感网络中时钟同步的方法。