CN103546868B - 一种无线传感器网络的时间同步方法、网络系统和节点 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种无线传感器网络的时间同步方法、网络系统和节点，能够减少无线传感器网络等级建立过程中传输分组开销。该方法包括：子节点接收父节点发送的等级广播分组消息，等级广播分组消息中包括父节点的等级信息和标识号信息，其中，父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i‑1)*R，R为无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1；子节点根据等级信息设定子节点的等级，并存储向子节点发送等级广播分组消息的父节点的标识号信息，以使得无线传感器网络建立节点等级结构；无线传感器建立节点等级结构后，子节点接收子节点的父节点发送的时间同步消息，并根据时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。本发明适用于通信技术领域。

Description

一种无线传感器网络的时间同步方法、网络系统和节点

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络的时间同步方法、网络系统和节点。

背景技术

无线传感器网络是由部署在检测区域内大量的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个自组织的网络系统，节点之间相互协作的感知、采集、处理网络覆盖区域中的对象信息。在上述所有过程中要求无线传感器网络必须具有时间同步的性质。

目前典型的无线传感网路的时间同步算法主要包括：RBS（ReferenceBroadcasting Synchronization）即参考广播同步协议、FTSP（Flooding TimeSynchronization Protocol）即泛洪时间同步协议和TPSN（Timing-Sync Protocol forSensor Networks）即传感器网络时间同步协议。RBS时间同步机制利用无线信道的广播特性，参考节点周期性地向其邻居节点广播时间同步消息，接收到这个消息的一组节点记录消息到达时各自的本地时间，然后两两相互交换收到同步消息的时间，这样这组节点就可以计算出相互间的时钟偏差。FTSP是由父节点周期性广播信息，子节点记录不同周期的同步信息的发送时间戳和接收时间戳，通过线性回归的方法算出时间偏差，实现时间同步。TPSN采用层次型网络结构来提供全网范围内节点同步，考虑传播时间和接收时间，利用双向消息交换计算消息的平均延迟。

目前无线传感器网络在时间同步上存在如下问题：RBS的两两交互信息、FTSP和TPSN节点的建立都需要大量的资源开销，使得无线传感器网络的传输分组开销较大。

发明内容

本发明的实施例提供一种无线传感器网络的时间同步方法、网络系统和节点，能够减小无线传感器网络的传输分组的开销。

本发明的实施例采用如下技术方案：

一种无线传感器网络的时间同步方法，所述无线传感器网络包括网络根节点，网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，该方法包括：

所述子节点接收所述父节点发送的等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1；

所述子节点根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，以使得所述无线传感器网络建立节点等级结构；

所述无线传感器网络建立所述节点等级结构后，所述子节点根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息，并根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

一种无线传感器网络的时间同步方法，所述无线传感器网络包括网络根节点，网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，该方法包括：

所述父节点向子节点发送等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，以使得所述子节点根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，建立所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1；

所述无线传感器网络建立所述节点等级结构后，所述父节点向所述子节点发送时间同步消息，以使得所述子节点根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

一种无线传感器网络中的子节点，所述无线传感器网络还包括网络根节点和网络父节点，每一个节点为无线传感器设备，所述子节点包括：接收单元、等级建立单元、同步单元；

所述接收单元，用于接收所述父节点发送的等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1；

所述等级建立单元，用于根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，以使得所述无线传感器网络建立节点等级结构；

所述接收单元，还用于根据所述等级建立单元建立的所述子节点等级后，根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息；

所述同步单元，用于根据所述接收单元接收的时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

一种无线传感器网络的父节点，所述无线传感器网络还包括网络根节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，所述父节点包括：第一发送单元和第二发送单元；

所述第一发送单元，用于向子节点发送等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，以使得所述子节点根据等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，建立所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1；

所述第二发送单元，用于所述无线传感器网络建立节点等级结构后，向所述子节点发送时间同步消息，使得所述子节点根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

一种无线传感器网络系统，所述系统包括网络根节点、网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，所述根节点、父节点和子节点用于组成所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1；

所述父节点，用于所述无线传感器建立所述节点等级结构后，所述父节点向所述父节点的子节点发送时间同步消息；

所述子节点，用于根据接收到的时间同步消息，调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移。

本发明实施例提供了一种无线传感器网络的时间同步方法、网络系统和节点，该方法包括建立无线传感器网络的节点等级结构，所述无线传感器网络的节点等级结构中包括根节点、父节点和子节点，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1，在所述无线传感器建立所述节点等级结构后，所述父节点向所述父节点的子节点发送时间同步消息，所述子节点根据所述时间同步消息调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移。由于在无线传感器网络的节点等级结构建立过程中，只有满足第一条件的子节点可以作为下一级子节点的父节点，这样可以减少无线传感器网络中父节点的数目，从而可以减少无线传感器网络的传输分组的开销。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供了一种无线传感器网络的时间同步方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供了另一种无线传感器网络的时间同步方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供了一种无线传感器网络的子节点结构示意框图；

图4为本发明实施例提供了一种无线传感器网络的父节点结构示意框图；

图5为本发明实施例提供了一种无线传感器网络系统示意图；

图6为本发明实施例提供了又一种无线传感器的时间同步方法流程示意图；

图7为二级子节点请求一级子节点时间同步的时刻示意图；

图8为本发明实施例还提供了一种无线传感器网络中的子节点结构示意框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明实施例中无线传感器网络可能包括网络根节点，网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备。

实施例一、

本发明实施例提供了一种无线传感器网络的时间同步方法，所述传感器网络包括网络根节点、网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，所述方法的执行主体为无线传感器网络中的子节点，如图1所示，该方法包括：

101、所述子节点接收所述父节点发送的等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1。

相比较于现有技术中的树形层次结构的无线传感器网络，第i级的子节点都可以作为i+1级子节点的父节点，发送等级广播分组消息，发现第i+1级的子节点，从而建立无线传感器网络的树形层次结构。

本实施中，第i级的子节点只有与根节点的距离D满足第一条件才能作为i+1级子节点的父节点，发送等级广播分组消息，发现第i+1级子节点，其中，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1，这样可以减少无线传感器网络中父节点的数目，从而也可以减少等级结构建立过程中子节点的处理时间。

102、所述子节点根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，以使得所述无线传感器网络建立节点等级结构。

在所述无线传感器网络中，每个节点都有一个标识号，即ID号，用于标识该节点在该无线传感器网络中的身份。

103、所述无线传感器网络建立所述节点等级结构后，所述子节点根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息，并根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

本发明实施例还提供了一种无线传感器网络的时间同步方法，所述无线传感器网络包括网络根节点、网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，该方法的执行主体为无线传感器网络中的父节点，如图2所示，该方法包括：

201、所述父节点向子节点发送等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，以使得所述子节点根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，建立所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1。

相比较于现有技术中的树形层次结构的无线传感器网络，第i级的子节点都可以作为i+1级子节点的父节点，发送等级广播分组消息，发现第i+1级的子节点，从而建立无线传感器网络的树形层次结构。

本实施中，第i级的子节点只有与根节点的距离D满足第一条件才能作为i+1级子节点的父节点，发送等级广播分组消息，发现第i+1级子节点：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1，这样可以减少无线传感器网络中父节点的数目，从而可以减少等级结构建立过程中的网络传输分组的开销。

其中，在所述无线传感器网络中，每个节点都有一个标识号，即ID号，用于标识该节点在该无线传感器网络中的身份。

202、所述无线传感器网络建立所述节点等级结构后，所述父节点向所述子节点发送时间同步消息，以使得所述子节点根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

本发明实施例还提供了一种无线传感器网络中的子节点30，所述无线传感器网络还包括网络根节点和网络父节点，每一个节点为无线传感器设备，如图3所示，所述子节点包括：接收单元31、等级建立单元32、同步单元33。

所述接收单元31，用于接收所述父节点发送的等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1。

相比较于现有技术中的树形层次结构的无线传感器网络，第i级的子节点都可以作为i+1级子节点的父节点，发送等级广播分组消息，发现第i+1级的子节点，从而建立无线传感器网络的树形层次结构。

本实施中，第i级的子节点只有与根节点的距离D满足第一条件才能作为i+1级子节点的父节点，发送等级广播分组消息，发现第i+1级子节点：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1，这样减少了无线传感器网络中父节点的数目，从而可以减少网络传输分组的开销。

在所述无线传感器网络中，每个节点都有一个标识号，即ID号，用于标识该节点在该无线传感器网络中的身份。

所述等级建立单元32，用于根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，以使得所述无线传感器网络建立节点等级结构。

所述接收单元33，还用于在所述等级建立单元建立的所述子节点的等级后，根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息。

所述同步单元34，用于根据所述接收单元接收的时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

本发明实施例还提供了一种无线传感器网络的父节点40，所述无线传感器网络还包括网络根节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，如图4所示，所述父节点包括：第一发送单元41和第二发送单元42。

所述第一发送单元41，用于向子节点发送等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，以使得所述子节点根据等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，建立所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1。

相比较于现有技术中的树形层次结构的无线传感器网络，第i级的子节点都可以作为i+1级子节点的父节点，发送等级广播分组消息，发现第i+1级的子节点，从而建立无线传感器网络的树形层次结构。

本实施中，第i级的子节点只有与根节点的距离D满足第一条件才能作为i+1级子节点的父节点，发送等级广播分组消息，发现第i+1级子节点：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1，这样可以减少无线传感器网络中父节点的数目，从而可以减少等级结构建立过程中网络传输分组的开销。

所述第二发送单元42，用于所述无线传感器网络建立节点等级结构后，向所述子节点发送时间同步消息，使得所述子节点根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

在所述无线传感器网络中，每个节点都有一个标识号，即ID号，用于标识该节点在该无线传感器网络中的身份。

本发明实施例还提供了一种无线传感器网络系统50，如图5所示，所述系统包括网络根节点51、网络父节点52和网络子节点53，每一个节点为无线传感器设备，所述根节点51、父节点52和子节点53用于组成所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点52与根节点51的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点52的等级，且i>=1。

所述父节点52，用于在所述无线传感器建立所述节点等级结构后，向所述父节点的子节点发送时间同步消息。

所述子节点53，用于根据接收到的时间同步消息，调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移。

本发明实施例提供了一种无线传感器网络的时间同步方法、节点和系统，该方法包括建立无线传感器网络的节点等级结构，所述无线传感器网络的节点等级结构中包括根节点、父节点和子节点，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1，根据所述节点等级结构，所述父节点向所述父节点的子节点发送时间同步消息，所述子节点根据所述时间同步消息调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移。由于在无线传感器网络的节点等级结构建立过程中，只有满足第一条件的子节点可以作为父节点，这样可以减少无线传感器网络中父节点的数目，从而可以减少无线传感器网络的传输分组的开销。

实施例二、

本发明实施例提供了一种无线传感器网络的时间同步方法，该无线传感器网络包括网络根节点，网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，如图6所示，该方法包括：

601、根节点发送所述等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述根节点的等等级信息，以使得接收到所述根节点发送的等级广播分组消息的子节点设定自身的等级。

具体的，在建立无线传感器网络的节点等级结构时，首先根节点向自身的通信范围内的子节点发送等级广播分组消息，该等级广播分组消息中包括该根节点的等级信息和标识号信息，通常根节点的等级为零。这样接收到所述根节点发送的等级广播分组消息的子节点设定自身的等级，通常依次设定为一级，并存储根节点的标识号信息。

例如，如图5所示，无线传感器网络系统A中，根节点A0向通信范围内的子节点发送等级广播分组消息，广播根节点A0的等级信息为0级的等级信息和标识号信息。根节点A0的通信范围内包括有A11、A12、A13、A14和A15五个子节点，A11-A15接收到根节点A0发送的广播分组消息后，分别将自身的等级设定为一级子节点，并存储根节点A0的标识号信息。

602、所述子节点确定与根节点的距离D是否满足所述第一条件，若所述子节点满足所述第一条件，将所述子节点确定为父节点；所述第一条件为：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1。

每一级的每个子节点在设定自身的等级并存储父节点的标识号信息后，分别确定自身与根节点的距离是否满足第一条件：D>d+(i-1)*R，若该子节点与根节点的距离满足第一条件，则将该子节点确定为父节点。

依次，每级子节点将满足所述第一条件的子节点作为父节点。

603、所述父节点向所述子节点发送等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，以使得所述子节点根据所述等级信息设定自身的等级，并存储向所述子节点发送等级广播分组消息的父节点的标识号信息，建立所述无线传感器网络的节点等级结构。

在第i级的子节点中确定i+1级子节点的父节点后，该i+1级子节点的父节点向其通信范围内的子节点发送等级广播分组消息。在接收到该父节点发送的等级广播分组消息的节点中，若存在已设定了等级的子节点，该子节点直接丢弃该等级广播分组消息；若存在没有设定等级的节点，将该节点的等级设定为i+1级子节点，并存储发送等级广播分组消息的父节点的标识号信息。

然后，依上述的过程，第i+1级的子节点再执行602的步骤，分别确定自身与根节点距离D是否满足第一条件。若满足该条件，则该i+1级的子节点将自身确定为下级子节点的父节点，并向通信范围内的子节点发送等级广播分组消息，建立下级子节点的节点等级结构。

例如，如图5所示，一级子节点A11-A15分别确定自身的位置与根节点的位置是否大于d，其中A14和A15子节点与根节点距离大于d，这样A14和A15确定自身为二级子节点的父节点。所述A14和A15可以继续向通信范围内的节点发送等级广播分组消息，A14通信范围内的子节点分别包括A11-A13、A21、A22和A23子节点；而A15通信范围内的子节点分别包括A11-A13、A23、A24和A25子节点。这样，A11-A13已设定了自身的等级，将直接丢弃A14和A15发送等级广播分组消息。A21、A22子节点接收到A14的广播分组消息后，分别将自身的等级设定为二级子节点，并存储A14的信息。A24和A25子节点接收到A15的广播分组消息后，分别将自身的等级设定为二级子节点，并存储A15的信息。而A23子节点分别接收到了A14和A15发送的等级广播分组消息后，将自身的等级设定为二级子节点，并存储A14和A15的信息，即A23的父节点为A14和A15子节点。

604、所述无线传感器网络建立所述节点等级结构后，所述父节点向所述父节点的子节点发送时间同步消息。

在无线传感器网络建立了节点等级节后，根节点向一级子节点发送时间同步消息，使得一级子节点调节自身的时钟偏移和时钟漂移。

在所述一级子节点调节自身的时钟偏移和时钟漂移后，一级子节点中的父节点向二级子节点发送时间同步消息，使得二级子节点调节自身的时钟偏移和时钟漂移。

当然也可以是，所述子节点向所述子节点的父节点发送时间同步请求消息，所述父节点接收到所述子节点发送的时间同步请求消息后，所述父节点向所述子节点发送时间同步消息。

依次，每级的父节点向所述父节点的子节点发送时间同步消息，使得每级子节点依次调节自身的时钟偏移和时钟漂移。

605、所述子节点根据接收到的时间同步消息，调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移。

举例来说，所述子节点调节自身的时钟偏移的过程如下：

参见图7所示，假设二级子节点在本地时钟T₁时刻发出时间同步请求消息，所述该二级子节点的父节点在本地时钟T₂时刻到达，且该父节点在本地时钟T₃时刻作出响应，即发送时间同步消息。该二级子节点在本地时钟T₄时刻到达。假若二级子节点与该父节点的传输时延为τ，则该二级子节点与父节点的时钟偏移△_1,2计算如下：

其中，T₂=T₁+△_1，2+τ；T₄=T₃-△_1，2+τ

所述子节点调节自身的时钟漂移的过程如下：所述子节点i接收所述父节点j发送的时间同步消息中包括所述父节点j的本地时钟，假设准确时间为t，子节点的本地时钟为C_i(t)，父节点j的本地时钟为C_j(t)，则C_i(t)＝α_it+β_i，C_j(t)＝α_jt+β_j，两者之间的关系式为：

C_j(t)=α_i,jC_i(t)+β_i,j α_i,jt=α_j/α_i，β_i,j＝β_j-β_iα_j/α_i

α_i,j和β_i,j分别代表子节点i和j之间的相对时钟漂移和相对时钟偏移，α_i、α_j为子节点i和父节点j的时钟漂移，β_i、β_j为子节点i和父节点j的时钟偏移，当α_i,j→1，β_i,j→0时，子节点i与j完成时间同步。

α_i与时钟振荡器的频率相关，如下式：

f₀为固有频率，f_i为瞬时频率，所以调整好振荡器的频率就可以很好的调整α_i，进而可以调整子节点的时钟漂移。

可选的，为了进一步提高同步的效果，所述子节点，在当前同步周期内根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息。

所述子节点，在所述当前同步周期内根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息后，还获取所述调节前的时钟偏移与所述当前同步周期的乘积，将所述乘积与所述调节后的时钟偏移的比值作为第一同步周期。

这样对于当前时间偏移较大的子节点来说，为了提高该子节点的时钟精度，可以缩小该子节点的时间同步的周期；对于当前时间偏移较小的子节点，为了减小网络传输分组开销，可以增大该子节点的时间同步的周期。

可选的，为了进一步提高子节点的时钟精度，所述子节点根据接收到的时间同步消息，调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移包括：

根据所述子节点与所述子节点的所有父节点的时钟偏移的平均值，调节所述子节点的时钟偏移；

根据所述子节点的所有父节点的时钟频率值的均值，调节所述子节点的时钟漂移。

在该无线传感器网络的节点等级结构建立过程中，每级子节点存储了向其发送广播分组消息中所有父节点的标识号信息，这样每个子节点可能存在了多个父节点，这样在对每个子节点进行时钟调节过程中，可以分别根据所述子节点和所述子节点的所有父节点的时钟偏移的平均值调节所述子节点的时钟偏移、根据所述子节点的所有父节点的时钟频率值的均值，调节所述子节点的时钟漂移，这样解决了单一父节点时钟偏移不稳定的问题，增强了同步的可靠性。

可选的，d的取值满足以下公式：D₃<πd²ρ，

其中，D₃为每个子节点有多个父节点而造成了多个广播分组消息，ρ为所述传感器网络的节点密度值。

在无线传感器网络的节点等级结构建立过程中，每级节点只选取满足一定条件的子节点作为下级节点的父节点，从而可以减少父节点的数目。但为了解决单一父节点时钟偏移不稳定的问题，每个子节点可能有多个父节点，同样也可能增加网络传输分组的开销。这样为了进一步解决网络传输分组开销的问题，优选的保证在该无线传感器网络的节点等级结构中，减少的父节点数目要少于每个节点可能有多个父节点而增加的父节点数目，这就要求参数d与D₃之间满足以下条件：D₃<πd²ρ。

本发明实施例提供了一种无线传感器网络的时间同步方法，该方法包括建立无线传感器网络的节点等级结构，所述无线传感器网络的节点等级结构中包括网络根节点，网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1，根据所述节点等级结构，所述父节点向所述父节点的子节点发送时间同步消息，所述子节点根据所述时间同步消息调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移。由于在无线传感器网络的节点等级结构建立过程中，只有部分满足第一条件的子节点可以作为父节点，这样可以减少无线传感器网络中父节点的数目，从而可以减少无线传感器网络的传输分组的开销。

实施例三、

本发明实施例还提供了一种无线传感器网络中的子节点80，其中，所述无线传感器网络还包括网络根节点和网络父节点，每一个节点为无线传感器设备，如图8所示，所述子节点包括：接收单元81、等级建立单元82、同步单元83和周期更新单元84。

所述接收单元81，用于接收所述父节点发送的等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1。

所述等级建立单元82，用于根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，以使得所述无线传感器网络建立节点等级结构。

所述接收单元81，还用于在所述等级建立单元82建立的所述节点等级后，在当前同步周期内根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息。

所述同步单元83，用于根据所述接收单元接收的时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

所述周期更新单元84，用于在所述同步单元83调节时钟偏移和时钟漂移后，获取所述调节前的时钟偏移与所述当前同步周期的乘积，将所述乘积与所述调节后的时钟偏移的比值作为第一同步周期。

可选的，所述同步单元83根据所述接收单元接收的时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移具体包括：

根据所述子节点和所述子节点的所有父节点的时钟偏移差之和的平均值，调节所述子节点的时钟偏移；

根据所述子节点的所有父节点的时钟频率值的均值，调节所述子节点的时钟漂移。

可选的，d的取值满足以下公式：D₃<πd²ρ，

其中，D₃为每个子节点有多个父节点而造成了多个广播分组消息，ρ为所述传感器网络的节点密度值。

本发明实施例提供了一种无线传感器网络的子节点，该子节点的接收单元接收与根节点满足第一条件的父节点发送等级广播分组消息，该第一条件为：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1。然后所述等级建立单元根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号的信息，以使得所述无线传感器网络建立节点等级结构。在所述等级建立单元建立了子节点的等级后，所述同步单元根据所述接收单元接收的时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。由于该无线传感器网络的节点等级结构中，只有满足第一条件的子节点可以作为父节点，这样可以减少无线传感器网络中父节点的数目，从而可以减少子节点的对网络传输分组消息的处理，提高节点等级结构建立的效率。

实施例四、

本发明实施例提供了一种无线传感器网络的父节点，所述无线传感器网络还包括网络根节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，如图4所示，所述父节点包括：第一发送单元41和第二发送单元42。

所述第一发送单元41，用于向子节点发送等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，以使得所述子节点根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，建立所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1。

所述第二发送单元42，用于所述无线传感器网络建立节点等级结构后，向所述子节点发送时间同步消息，使得所述子节点根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

其中，d的取值满足以下公式：D₃<πd²ρ，

其中，D₃为每个子节点有多个父节点而造成了多个广播分组消息，ρ为所述传感器网络的节点密度值。

本发明实施例提供了一种无线传感器网络的父节点，该父节点包括第一发送单元和第二发送单元，第一发送单元用于向子节点发送等级广播分组消息，以使得所述无线传感器网络中的子节点建立节点等级结构，其中，该父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1。然后在所述无线传感器网络建立完成节点等级结构级后，第二发送单元向所述子节点发送时间同步消息，使得所述子节点根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。由于该无线传感器网络的节点等级结构中，只有部分满足第一条件的子节点可以作为父节点，这样可以减少无线传感器网络中父节点的数目，从而可以减少无线传感器网络的传输分组的开销。

实施例五、

本发明实施例提供了一种无线传感器网络系统，如图5所示，该系统包括网络根节点51、网络父节点52和网络子节点53，每一个节点为无线传感器设备。

其中，所述根节点51、父节点52和子节点53用于组成所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点52与根节点51的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1。

相比较于现有技术中的树形层次结构的无线传感器网络，第i级的子节点都可以作为i+1级子节点的父节点，发送等级广播分组消息，发现第i+1级的子节点，从而建立无线传感器网络的树形层次结构。

本实施中，第i级的子节点只有与根节点的距离D满足第一条件才能作为父节点52，发送等级广播分组消息，发现第i+1级子节点53：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1，这样减少了无线传感器网络中父节点的数目，从而可以减少网络传输分组的开销。

其中，所述根节点51、父节点52和子节点53组成所述无线传感器网络的节点等级结构具体包括：

所述根节点51，用于向发送所述等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述根节点的等级信息和标识号信息，以使得接收到所述根节点发送的等级广播分组消息的子节点设定自身的等级。

所述子节点53，还用于确定与根节点51的距离D是否满足所述第一条件，若所述子节点满足所述第一条件，将所述子节点确定为下级子节点的父节点。

所述父节点52，用于向所述子节点发送等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，以使得所述子节点根据所述等级信息设定自身的等级，并存储向所述子节点发送等级广播分组消息的父节点的标识号信息，建立所述无线传感器网络的节点等级结构。

所述父节点52，还用于根据所述节点等级结构，向所述父节点52的子节点53发送时间同步消息。

所述子节点53，还用于根据接收到的时间同步消息，调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移。

其中，所述根节点51，作为所述无线传感器网络的基准时钟源，通过向一级子节点发送时间同步消息，从而使得整个无线传感器网络依次进行时间同步。

可选的，为了进一步提高同步的效果，所述子节点53，在所述当前同步周期内接收到所述父节点52发送的时间同步消息后，还用于获取所述调节前的时钟偏移与所述当前同步周期的乘积，将所述乘积与所述调节后的时钟偏移的比值作为第一同步周期。

这样对于当前时间偏移较大的子节点来说，为了提高该子节点的时钟精度，可以实时缩小该子节点的时间同步的周期；对于当前时间偏移较小的子节点，为了减小网络传输分组开销，可以实时增大该子节点的时间同步的周期。

可选的，所述子节点53根据接收到的时间同步消息，调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移具体包括：

根据所述子节点53与所述子节点53的所有父节点52的时钟偏移的平均值，调节所述子节点53的时钟偏移；

根据所述子节点53的所有父节点52的时钟频率值的均值，调节所述子节点53的时钟漂移。

可选的，d的取值满足以下公式：D₃<πd²ρ，

其中，D₃为每个子节点有多个父节点而造成了多个广播分组消息，ρ为所述传感器网络的节点密度值。

本发明实施例提供了一种无线传感器网络系统，该系统包括根节点、父节点和子节点，所述根节点、父节点和子节点构成无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d<R，i为父节点的等级，且i>=1，根据所述节点等级结构，所述父节点向所述父节点的子节点发送时间同步消息，所述子节点根据所述时间同步消息调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移。由于该无线传感器网络的节点等级结构中，只有部分满足第一条件的子节点可以作为父节点，这样可以减少无线传感器网络中父节点的数目，从而在时间同步过程中可以减少网络传输分组的开销。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种无线传感器网络的时间同步方法，所述无线传感器网络包括网络根节点，网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，其特征在于，该方法包括：

所述子节点接收所述父节点发送的等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d＜R，i为父节点的等级，且i＞＝1；

其中，d的取值满足以下公式：D₃＜πd²ρ，D₃为每个子节点有多个父节点而增加的多个广播分组消息，ρ为所述传感器网络的节点密度值；

所述子节点根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，以使得所述无线传感器网络建立节点等级结构；

所述无线传感器网络建立所述节点等级结构后，所述子节点根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息，并根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子节点在当前同步周期内根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息，并根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移；

所述子节点在当前同步周期内根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息，并根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移后还包括：

所述子节点获取所述调节前的时钟偏移与所述当前同步周期的乘积，将所述乘积与所述调节后的时钟偏移的比值作为第一同步周期；

在所述第一同步周期内，所述子节点根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息，并根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述子节点根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息，并根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移包括：

根据所述子节点与所述子节点的所有父节点的时钟偏移的平均值，调节所述子节点的时钟偏移；

根据所述子节点的所有父节点的时钟频率值的均值，调节所述子节点的时钟漂移。

4.一种无线传感器网络的时间同步方法，所述无线传感器网络包括网络根节点，网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，其特征在于，该方法包括：

所述父节点向子节点发送等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，以使得所述子节点根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，建立所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d＜R，i为父节点的等级，且i＞＝1；

所述无线传感器网络建立所述节点等级结构后，所述父节点向所述子节点发送时间同步消息，以使得所述子节点根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移；

其中，d的取值满足以下公式：D₃＜πd²ρ，D₃为每个子节点有多个父节点而增加的多个广播分组消息，ρ为所述传感器网络的节点密度值。

5.一种无线传感器网络中的子节点，所述无线传感器网络还包括网络根节点和网络父节点，每一个节点为无线传感器设备，其特征在于，所述子节点包括：接收单元、等级建立单元、同步单元；

所述接收单元，用于接收所述父节点发送的等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D＞d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d＜R，i为父节点的等级，且i＞＝1；

其中，d的取值满足以下公式：D₃＜πd²ρ，D₃为每个子节点有多个父节点而增加的多个广播分组消息，ρ为所述传感器网络的节点密度值；

所述等级建立单元，用于根据所述等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，以使得所述无线传感器网络建立节点等级结构；

所述接收单元，还用于所述等级建立单元建立的所述子节点的等级后，根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息；

所述同步单元，用于根据所述接收单元接收的时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移。

6.根据权利要求5所述的子节点，其特征在于，所述接收单元，用于在当前同步周期内，根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息；

所述子节点，还包括周期更新单元，用于在所述同步单元调节时钟偏移和时钟漂移后，获取所述调节前的时钟偏移与所述当前同步周期的乘积，将所述乘积与所述调节后的时钟偏移的比值作为获取第一同步周期；

所述接收单元，还用于在所述第一同步周期内，根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息。

7.根据权利要求5或6所述的子节点，其特征在于，所述同步单元根据所述接收单元接收的时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移具体包括：

根据所述子节点与所述子节点的所有父节点的时钟偏移的平均值，调节所述子节点的时钟偏移；

根据所述子节点的所有父节点的时钟频率值的均值，调节所述子节点的时钟漂移。

8.一种无线传感器网络的父节点，所述无线传感器网络还包括网络根节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，其特征在于，所述父节点包括：第一发送单元和第二发送单元；

所述第一发送单元，用于向子节点发送等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息，以使得所述子节点根据等级信息设定所述子节点的等级，并存储向所述子节点发送所述等级广播分组消息的父节点的标识号信息，建立所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d＜R，i为父节点的等级，且i＞＝1；

所述第二发送单元，用于所述无线传感器网络建立节点等级结构后，向所述子节点发送时间同步消息，使得所述子节点根据所述时间同步消息调节时钟偏移和时钟漂移；

其中，d的取值满足以下公式：D₃＜πd²ρ，D₃为每个子节点有多个父节点而增加的多个广播分组消息，ρ为所述传感器网络的节点密度值。

9.一种无线传感器网络系统，其特征在于，所述系统包括网络根节点、网络父节点和网络子节点，每一个节点为无线传感器设备，所述根节点、父节点和子节点用于组成所述无线传感器网络的节点等级结构，其中，所述父节点与根节点的距离D满足第一条件：D>d+(i-1)*R，R为所述无线传感器网络中的所有节点的通信半径，d＜R，i为父节点的等级，且i＞＝1；

其中，d的取值满足以下公式：D₃＜πd²ρ，D₃为每个子节点有多个父节点而增加的多个广播分组消息，ρ为所述传感器网络的节点密度值

所述父节点，用于无线传感器网络建立节点等级结构后，向所述父节点的子节点发送时间同步消息；

所述子节点，用于根据接收到的时间同步消息，调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述根节点、父节点和子节点组成所述无线传感器网络的节点等级结构具体包括：

所述根节点，用于发送所述等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述根节点的等级信息和标识号信息，以使得接收到所述根节点发送的等级广播分组消息的子节点设定自身的等级；

所述子节点，还用于确定与根节点的距离D是否满足所述第一条件，若所述子节点满足所述第一条件，将所述子节点确定为父节点；

所述父节点，还用于向所述子节点发送等级广播分组消息，所述等级广播分组消息中包括所述父节点的等级信息和标识号信息；

所述子节点，还用于根据所述等级信息设定自身的等级，并存储向所述子节点发送等级广播分组消息的父节点的标识号信息，建立所述无线传感器网络的节点等级结构。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述子节点，还用于在当前同步周期内根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息；

所述子节点，在所述当前同步周期内根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息后，还用于获取所述调节前的时钟偏移与所述当前同步周期的乘积，将所述乘积与所述调节后的时钟偏移的比值作为第一同步周期。

12.根据权利要求9-10任一项所述的系统，其特征在于，所述子节点根据存储的标识号信息接收所述标识号对应的父节点发送的时间同步消息，调节所述子节点的时钟偏移和时钟漂移具体包括：

根据所述子节点与所述子节点的所有父节点的时钟偏移的平均值，调节所述子节点的时钟偏移；

根据所述子节点的所有父节点的时钟频率值的均值，调节所述子节点的时钟漂移。