CN103747516B - 无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法，具体采用在网络节点间使用分布式的方式进行时间标签同步，并且只有参与信息传输的网络节点之间需要进行时间同步，而对于视频监测节点来说，与传统的先进行全局时间同步再进行事件监测相比，时间同步过程在事件监测和网络传输之后，实现对时敏数据的快速采集，减少预先同步导致的开销和延迟，并且实现时间同步的时间标签报文和视频数据报文的通信过程完全独立，在信息处理中心节点根据报文的节点ID将时间标签报文和视频信息报文合并成一个完整的接收报文，因此本发明的方法能够对大规模传感器网络，实现对时敏数据的快速采集，减少预先同步导致的开销和延迟。

Description

无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，具体涉及传感器网络中采用后发时间同步对时敏数据进行快速采集的方法。

背景技术

在传统传感器网络数据采集和传输过程中，通常是在事件监测节点监测到事件发生后，启动事件监测节点与信息处理中心节点的时间同步，再启动事件采集节点采集数据信息，通过多跳传感器网络传输到信息处理节点进行信息分析处理。但是在多跳传感器网络中，由于事件监测节点和信息处理中心节点的传输距离一般都比较远，预先进行两者之间的时间同步造成的事件监测延迟较大，影响视频采集的准确性；并且对于一些网络信息采集系统来说，实时性和记录时间的准确性要求非常严格，因此网络延迟成为一个急需改善的问题，例如在入侵检测应用中，需要对入侵事件的具体时间进行准确记录，但是使用传统的先时间同步再事件监测，尤其是在大规模网络中，增加了事件监测延迟、增大通信开销、降低监测时间准确性。

2010年IEEE国际会议公开了一篇论文“Wei Nuo,Guo Qiang,Fu Yong,MingleiShu,A cluster based on demand time synchronization In wireless sensornetworks.3th IEEE International Conference on Computer Science andInformation Technology,2010,204-207”该方法按需启动事件监测节点进行事件采集，提出了基站节点先和集群中心节点进行时间同步，再采集事件通过网络传输到集群中心，这种按需启动采集节点的方法节省了基站节点电量，也实现采集信息的同步传输，但是先进行时间同步的方法增加了事件监测的时间，尤其是当传感器网络规模增加时，事件监测的延迟随之增加，监测时间准确性和实时性大大降低。

发明内容

本发明针对现有多媒体传感器网络在采集时间敏感数据之前预先进行全局时间同步，从而导致的事件监测延迟和开销的问题，提出了：一种无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法。

本发明的技术方案为：一种无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法，具体包括如下步骤：

步骤一：采用本地时钟进行时敏数据快速采集：无线传感器网络的监控系统在未监测到事件发生时处于休眠模式，当监控系统检测到事件发生时，触发事件监测节点，从休眠中激活，进行事件监测并采集事件数据信息，并根据事件监测时刻的本地时钟时间建立时间标签；每个本地节点维护独立的本地时钟步进节奏，事件监测节点的时间标签采用本地时钟时间，通过本地节点ID和本地时钟时间构建时间标签报文，通过本地节点ID和视频信息构建数据报文，并向下一相邻节点发送；

步骤二：传输时敏数据到信息处理中心并逐跳校正时间信息，具体过程如下：

根据路由算法选择最佳路径逐跳传输信息报文：事件监测节点通过路由算法选择最佳路由传输信息报文，信息报文包括时间标签报文和数据报文；时间标签同步过程与事件数据通信过程完全独立，时间标签报文和数据报文分别使用路由算法经不同传输路径达到信息处理中心节点；事件监测节点将信息报文直接传输到下一相邻节点，由相邻节点根据从时间标签报文中提取的时钟时间进行本地同步计算；所述时间标签报文包括时钟时间和事件检测节点进行采集的时刻；

时间标签报文在网络传输中逐跳校正时间信息：本地节点i接收来自上一相邻节点j的时间标签报文，从该报文中提取时钟时间T_j，从时间列表中得到本地节点i和相邻节点j的时钟差异D_ij，如果时钟差异D_ij在预设阈值范围内，则表示本地节点i和上一相邻节点j是保持时间同步的，如果时钟差异D_ij超过预设阈值，表示本地节点i和上一相邻节点j时间不同步，则需更新时间列表，根据上一相邻节点j的时钟时间T_j与本地节点i相邻节点j的时钟差异D_ij，完成本地节点i和相邻节点j的时间同步；

根据本地节点i从时间标签报文中提取事件监测节点进行采集的时刻T_j’与本地节点i相邻节点j的时钟差异D_ij得到本地节点i的事件监测节点进行采集的时刻；

本地节点i时间标签报文传递给下一节点，采用相同的方式逐跳校正报文中的时间信息，直到传递到信息处理中心节点；

步骤三：在信息处理中心进行时敏数据融合：在信息处理中心节点根据接收报文中节点ID将时间标签报文和数据报文合并成完整的接受报文，完成时敏数据和其采集时间的融合。

进一步的，步骤二中的本地节点i和相邻节点j的时钟差异D_ij是由多次测量值通过线性预测的方法对未来值进行预测得到。

进一步的，步骤二所述的本地节点i和相邻节点j的时间同步的具体计算方法为：

本地节点i和相邻节点j的时钟时间T_i和T_j的关系为：

其中，t_j为相邻节点j对应的任意时刻，a_i和a_j为两节点时钟频率漂移参数。

更进一步的，当本地节点i与相邻节点j的时钟频率一致时，则节点的时钟频率漂移参数也相等，则本地节点i和相邻节点j对应的本地时钟时间为T_i和T_j的同步关系可以简化为：T_i＝T_j-D_ij。

进一步的，步骤二所述的得到的本地节点i的事件监测节点进行采集的时刻具体计算过程为：

本地节点i从时间标签报文中提取事件监测节点进行采集的时刻T_j’减去节点时钟差异D_ij得到的时间T_i’即为本地节点i的事件监测节点进行采集的时刻。

本发明的有益效果：本发明的无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法采用在网络节点间使用分布式的方式进行时间标签同步，并且只有参与信息传输的网络节点之间需要进行时间同步，而对于视频监测节点来说，与传统的先进行全局时间同步再进行事件监测相比，时间同步过程在事件监测和网络传输之后，实现对时敏数据的快速采集，减少预先同步导致的开销和延迟，并且实现时间同步的时间标签报文和视频数据报文的通信过程完全独立，在信息处理中心节点根据报文的节点ID将时间标签报文和视频信息报文合并成一个完整的接收报文，因此本发明的方法能够对大规模传感器网络，实现对时敏数据的快速采集，减少预先同步导致的开销和延迟，方便实现、通信开销小、事件监测延迟小从而保证所传输的视频信息的完整性和事件监测时间的准确性，并能适应不同拓扑结构的网络，灵活性高。

附图说明

图1为本发明实现无线传感器网络的后时间同步方法的方案的流程示意图；

图2为本发明实现无线传感器网络的后时间同步方法的实施例(数据报文和时间标签报文相同路径传输)；

图3为本发明实现无线传感器网络的后时间同步方法的实施例(数据报文和时间标签报文不同路径传输)；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

本发明设定在一个具有不同网络拓扑和动态的多跳的无线传感器网络，将网络中任意两个节点中的一个作为本地节点i，另一个作为邻居节点j(包括事件监测节点)，通过具体的实施过程对本发明中事件监测节点的和本地节点i的时敏数据后时间同步方法进行详细描述。

本发明的无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法的流程框图如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：采用本地时钟进行时敏数据快速采集：无线传感器网络的监控系统在未监测到事件发生时处于“休眠”模式，以减少系统节点的电池电量使用，当监控系统监测到事件发生时，触发事件监测节点，从休眠中激活，进行事件监测并采集事件数据信息，并根据事件监测时刻的本地时钟时间建立时间标签。每个本地节点维护独立的本地时钟步进节奏，事件监测节点的时间标签采用本地时钟时间，通过本地节点ID和本地时钟时间构建一个时间标签报文，通过本地节点ID和视频信息构建数据报文，并向下一相邻节点发送。

步骤二：传输时敏数据到信息处理中心及并逐跳校正时间信息：具体过程如下：

根据路由算法选择最佳路径逐跳传输信息报文：事件监测节点通过路由算法选择最佳路由传输信息报文。信息报文包括时间标签报文和数据报文，时间标签报文由节点ID和按照步骤一所述构建的时间标签构成，数据报文由节点ID和视频数据部分构成。时间标签同步过程与事件数据通信过程完全独立，所以时间标签报文和数据报文可分别使用路由算法经不同传输路径达到信息处理中心节点。这里时间标签报文具体包括时钟时间和事件监测节点进行采集的时刻。事件监测节点将信息报文直接传输到下一相邻节点。由相邻节点根据从时间标签报文中提取的时钟时间进行本地同步计算，因而对于事件监测节点来说，时间同步过程是在事件监测和网络传输之后。这里的路由算法可以视为现有技术，不再详细描述。

时间标签报文在网络传输中逐跳校正时间信息：本地节点i接收来自上一相邻节点j的时间标签报文，从该报文中提取时钟时间Tj，从时间列表中可以得到本地节点i和相邻节点j的时钟差异Dij，如果时钟差异D_ij在预设阈值范围内，则表示本地节点i和上一相邻节点j是保持时间同步的，如果时钟差异D_ij超过预设阈值范围，表示本地节点i和上一相邻节点j时间不同步，则需更新时间列表。保证差值可以在一个比较小的范围变动，但是不会太影响整个过程造成的误差。

这里的本地节点i和相邻节点j的时钟差异D_ij是由多次测量值通过线性预测的方法对未来值进行预测得到，这个过程为本领域的现有技术，不再详细描述。

本地节点i和相邻节点j的时钟时间T_i和T_j的关系为：

其中，t_j为相邻节点j对应的任意时刻，a_i和a_j为两节点时钟频率漂移参数。

在本实施例中当本地节点i与相邻节点j的时钟频率一致时，则节点的时钟频率漂移参数也相等，则本地节点i和相邻节点j对应的本地时钟时间为T_i和T_j的同步关系可以简化为：T_i＝T_j-D_ij。

那么上一相邻节点j的时钟时间T_j为本地节点i的时钟时间T_i加上其与相邻节点j的时钟差异D_ij，即完成本地节点i和相邻节点j的时间同步。

本地节点i从时间标签报文中提取事件监测节点进行采集的时刻T_j’，即为相邻节点j时钟时间T_j’减去节点时钟差异D_ij得到的时间T_i’即为本地节点i的事件监测节点进行采集的时刻。

本地节点i时间标签报文传递给下一节点，采用相同的方式逐跳校正报文中的时间信息，直到传递到信息处理中心节点。

步骤三：在信息处理中心进行时敏数据融合：时间标签同步过程与时敏数据通信过程完全独立，所以不会影响和改变传统通信路由过程，时间标签报文和数据报文可以通过不同路径到达信息处理中心节点，在信息处理中心节点根据接收报文中节点ID将时间标签报文和数据报文合并成完整的接受报文，完成时敏数据和其采集时间的融合。

融合结束后在信息处理节点将得到的完整报文进行相应的处理和存储。

下面通过一个具体例子进一步阐述本发明所提的无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法。

事件监测节点A向信息处理中心节点D传输信息报文的过程示意图如图2所示，图中实线表示数据报文传输路径，虚线表示时间标签报文的传输路径，图中所示的为分布式多跳多媒体传感器网络。事件监测节点A由事件触发监测系统的红外线触发进行视频采集，节点A将事件发生时刻的时间信息和节点ID封装成时间标签报文，将事件的视频信息和节点ID封装成数据报文。如图2所示，事件监测节点A的信息报文需要经过节点B和节点C的转发才能达到信息处理中心节点，其中数据报文的传输过程为，节点A经过路由算法选择最佳路由达到节点B，节点B提取目的节点ID，再由路由算法选择路由转发到节点C，最后达到信息处理中心节点D，在这个过程中，不论源节点、目的节点或是转发节点都不进行时间同步计算。

时间标签报文传输过程为，事件监测节点A将记录的事件发生的时间和处理的时间与节点ID封装成时间标签报文，经路由算法选择最佳传输路径到达节点B，节点B提取时间标签报文中的节点A的时钟时间，并进行本地同步计算，与节点A进行时间同步，再根据提取的节点A的时钟时间计算得到节点B的时钟时间，再与节点ID封装成新的时间标签报文，经路由选择达到节点C，采用同样的过程完成时间同步最终达到目的节点即信息处理中心节点D，交予信息处理系统对采集的视频信息处理和分析。

从上面的对数据报文传输和时间标签报文传输过程的叙述中，可知这是两个相互独立的过程，可分别根据各自携带的节点信息进行路由选择，所以在复杂拓扑网络中，这两个过程不一定以相同路径传输报文，如图3所示。数据报文传输和时间标签报文传输经不同路由达到信息处理中心节点D，在节点D将数据报文和时间标签报文合并成接受报文，完成无线传感器网络中事件信息传输和时间同步。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：采用本地时钟进行时敏数据快速采集：无线传感器网络的监控系统在未监测到事件发生时处于休眠模式，当监控系统监测到事件发生时，触发事件监测节点，从休眠中激活，进行事件监测并采集事件数据信息，并根据事件监测时刻的本地时钟时间建立时间标签；每个本地节点维护独立的本地时钟步进节奏，事件监测节点的时间标签采用本地时钟时间，通过本地节点ID和本地时钟时间构建时间标签报文，通过本地节点ID和视频信息构建数据报文，并向下一相邻节点发送；

步骤二：传输时敏数据到信息处理中心并逐跳校正时间信息，具体过程如下：

根据路由算法选择最佳路径逐跳传输信息报文：事件监测节点通过路由算法选择最佳路由传输信息报文，信息报文包括时间标签报文和数据报文；时间标签同步过程与事件数据通信过程完全独立，时间标签报文和数据报文分别使用路由算法经不同传输路径达到信息处理中心节点；事件监测节点将信息报文直接传输到下一相邻节点，由相邻节点根据从时间标签报文中提取的时钟时间进行本地同步计算；所述时间标签报文包括时钟时间和事件监测节点进行采集的时刻；

时间标签报文在网络传输中逐跳校正时间信息：本地节点i接收来自上一相邻节点j的时间标签报文，从该报文中提取时钟时间T_j，从时间列表中得到本地节点i和相邻节点j的时钟差异D_ij，如果时钟差异D_ij在预设阈值范围内，则表示本地节点i和上一相邻节点j是保持时间同步的，如果时钟差异D_ij超过预设阈值，表示本地节点i和上一相邻节点j时间不同步，则需更新时间列表，根据上一相邻节点j的时钟时间T_j与本地节点i相邻节点j的时钟差异D_ij，完成本地节点i和相邻节点j的时间同步；

根据本地节点i从时间标签报文中提取事件监测节点进行采集的时刻T_j’与本地节点i相邻节点j的时钟差异D_ij得到本地节点i的事件监测节点进行采集的时刻；

将本地节点i时间标签报文传递给下一相邻节点，采用相同的方式逐跳校正报文中的时间信息，直到传递到信息处理中心节点；

步骤三：在信息处理中心进行时敏数据融合：在信息处理中心节点根据接收报文中节点ID将时间标签报文和数据报文合并成完整的接受报文，完成时敏数据和其采集时间的融合。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法，其特征在于，步骤二中的本地节点i和相邻节点j的时钟差异D_ij是由多次测量值通过线性预测的方法对未来值进行预测得到。

3.根据权利要求1或2所述的无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法，其特征在于，步骤二所述的本地节点i和相邻节点j的时间同步的具体计算方法为：

本地节点i和相邻节点j的时钟时间T_i和T_j的关系为：

$T_i=T_j-D_{ij}+(\frac{a_i}{a_j}-1)(t_j-T_j)$

其中，t_j为相邻节点j对应的任意时刻，a_i和a_j为两节点时钟频率漂移参数。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法，其特征在于，当本地节点i与相邻节点j的时钟频率一致时，则节点的时钟频率漂移参数也相等，则本地节点i和相邻节点j对应的本地时钟时间为T_i和T_j的同步关系可以简化为：T_i＝T_j-D_ij。

5.根据权利要求4所述的无线传感器网络中事件时间标签的后时间同步方法，其特征在于，步骤二所述的得到的本地节点i的事件监测节点进行采集的时刻具体计算过程为：

本地节点i从时间标签报文中提取事件监测节点进行采集的时刻T_j’减去节点时钟差异D_ij得到的时间T_i’即为本地节点i的事件监测节点进行采集的时刻。