CN105142211A - 无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法，所述无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法通过节点间的信息交换对传感器节点的时钟偏移与时钟速率进行补偿。本发明使传感器节点时钟同步，并达到较快的收敛速度，对传播延时进行补偿，实现最小的数据交换。

Description

无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法，该技术是基于无线传感器网络或物联网的高精度监测应用的重要基础。

背景技术

无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。近年来，无线传感器网络应用广泛，其相关技术也飞速发展。

但由于物理上的分散性，网络无法为彼此间相互独立的节点提供一个统一的全局时钟，每个节点各自维护它们的本地时钟。为了解决这些本地时钟的失步现象，必须进行时间同步操作。现今较成熟的算法有：网络时间同步协议(NTP，NetworkTimeProtocol)、参考广播同步算法(RBS，ReferenceBroadcastSynchronization)、传感器网络的时间同步协议(TPSN，Timing-syncProtocolforSensorNetworks)、泛洪时间同步协议(FTSP，FloodingTimeSynchronizationProtocol)、扩散时间同步协议(TDP，Time-diffusionSynchronizationProtocol)等。这些算法在收敛快速性、传播延时的补偿以及数据交换大小等方面有待提出更高的要求。

发明内容

针对因晶振误差、运行环境存在不一致所导致的无线传感器网络中各节点本地时钟的失步现象，本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法，其对出现失步现象的各个本地时钟进行时钟偏移补偿和速率补偿，以确保时钟克服因各种原因出现的误差并使它们以相同的速度在网络中运行。该算法达到较快的收敛速率，对传播延时进行有效补偿，并使数据交换达到最小。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法，其特征在于，所述无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法通过无线传感器节点间的信息交换对无线传感器节点的时钟偏移与时钟速率进行补偿。

优选地，述无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法通过无线传感器节点间的信息交换对无线传感器节点的时钟偏移进行的补偿包括以下步骤：

步骤一：无线传感器节点上电，设置自身的置信参数为1；

步骤二：周期地运行时间同步算法；每次执行同步算法时，无线传感器节点通过CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，载波侦听多路访问/冲突避免)方案，向其发送功率范围内的节点广播一个包含了该节点的补偿时钟值的同步数据包；

步骤三：无线传感器节点收到其它节点的同步广播数据包后，以置信参数为权重进行加权平均，来更新自己的时钟，然后将自己的置信参数增加1；

步骤四：周期地重复以上步骤。

优选地，所述无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法通过无线传感器节点间的信息交换对无线传感器节点的时钟速率进行的补偿包括以下步骤：

步骤十一：无线传感器节点周期地进行时钟速率补偿；无线传感器节点检测信道，若信道空闲，则广播询问传输范围内的邻近无线传感器节点的时钟速率；

步骤十二：无线传感器节点收到邻近无线传感器节点的广播询问信息后，将自己的时钟速率信息发送回去；

步骤十三：无线传感器节点收到邻近无线传感器节点返回的时钟速率信息后，首先补偿传播延迟；

步骤十四：无线传感器节点根据其收到的邻近无线传感器节点的时钟速率信息，计算邻近无线传感器节点及其本身的平均速率；

步骤十五：无线传感器节点以平均时钟速率更新其速率补偿值；

步骤十六：补偿完成后，无线传感器节点向其发送功率范围内的节点广播补偿表，该广播补偿表包括无线传感器节点ID和补偿速率；

步骤十七：传感器节点收到其它邻近无线传感器节点的补偿表，依据补偿表更新自己的时钟速率补偿值；

步骤十八：周期地重复以上步骤。

本发明的有益效果如下：本发明通过对出现失步现象的各个本地时钟进行时钟偏移补偿和时钟速率补偿，完成高精度时间同步，算法收敛速度快，传播延时得到有效补偿，同步过程中实现数据交换最小化。

附图说明

图1为邻域平均时钟同步算法主要思路流程图。

图2为时钟偏移补偿算法流程图。

图3为时钟偏移补偿算法的效果示意图。

图4为时钟速率补偿算法流程图。

图5为时钟速率补偿算法的效果示例图。

具体实施方式

本发明采用邻域平均时钟同步算法通过无线传感器节点间的信息交换对无线传感器节点的时钟偏移与时钟速率进行补偿。对于时钟偏移补偿，邻域平均时钟同步算法先将所有本地时钟的置信参数置1，每进行一次操作，参与操作的本地时钟以置信参数作为权重，对各个本地时钟的时间进行加权平均，再将置信参数加1，从而完成对本地时钟的偏移补偿。对于时钟速率补偿，邻域平均时钟同步算法定期检测信道，若信道是空闲的，则广播询问传输范围内的邻近节点的时钟速率，邻近节点返回时钟速率，补偿传播延迟，无线传感器节点计算邻近节点及其本身的平均时钟速率，更新其速率值，广播补偿表(该表包括节点ID和补偿时钟速率)，接收邻近的补偿表，并更新自己的时钟速率补偿值，如此循环进行下去，达到时钟斜率补偿的目的。

对于每一个无线传感器节点，本发明定义时钟模型为式(1)。C(t)为时钟在t时刻的读数，α为斜率，β为偏移量。在理想状态下，α等于1，β等于0。

C(t)＝α*t+β(1)

则节点i的时钟读数满足式(2)：

C_i(t)＝α_i*t+β_i(2)

本算法旨在找到补偿值和使补偿时钟收敛于C_c(t)(其中，为节点的时钟补偿值，C_c(t)是最终收敛值，为一常量)，如式(3)和式(4)：

${\hat{C}}_i\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{{\widehat{\mathrm{\α}}}_i}*t+{\mathrm{\β}}_i-{\widehat{\mathrm{\β}}}_i---\left(3\right)$

$\underset{t\→\mathrm{\∞}}{\lim }{\hat{C}}_i\left(t\right)=C_c\left(t\right)$

(4)

其中，α_i为晶振脉冲周期与溢出值N_i的乘积，如式(5)：

${\mathrm{\α}}_i=N_i\×T_{tick}^i---\left(5\right)$

如图2所示，时钟偏移补偿的具体内容如下：

偏移补偿的目标是从在网络中所有的时钟去除偏移误差。即找到使其满足式(4)，在此将其扩展为式(6)：

$\begin{array}{c}\underset{t\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{{\mathrm{\α}}_i}{{\widehat{\mathrm{\α}}}_i}*t+{\mathrm{\β}}_i-{\widehat{\mathrm{\β}}}_i=C_c\left(t\right)\\ ={\mathrm{\α}}_c*t+{\mathrm{\β}}_c\end{array}---\left(6\right)$

由此可得式(7)：

${\widehat{\mathrm{\β}}}_i={\mathrm{\β}}_i-{\mathrm{\β}}_c---\left(7\right)$

对于每一轮的偏移补偿，节点执行下面的算法，收敛时钟到如下这个共同的值。

$\stackrel{\‾}{C}\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{C}_i\left(t\right)---\left(8\right)$

时钟偏移补偿包括以下步骤：

步骤1：无线传感器节点上电后，设置自身的置信参数为1(中性值)。

步骤2：周期地运行时间同步算法。每次执行同步算法时，无线传感器节点通过CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，载波侦听多路访问/冲突避免)方案，向其发送功率范围内的节点广播一个包含了该节点的补偿时钟值的同步数据包。

步骤3：无线传感器节点收到其它节点的同步广播数据包后，通过式(9)对本地时钟的时间，以置信参数为权重进行加权平均，来更新自己的时钟，然后将自己的置信参数增加1。

${\hat{C}}_i^{+}\left(t_j\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_i{\hat{C}}_i\left(t_j\right)+{\mathrm{\γ}}_j{\hat{C}}_j\left(t_j\right)}{{\mathrm{\γ}}_i+{\mathrm{\γ}}_j}---\left(9\right)$

${\mathrm{\γ}}_i^{+}={\mathrm{\γ}}_i+1,i=1...N,\∀j\∈R_i$

式中的N为网络中节点的数目，R_i表示通信范围内任意节点i，t_j为节点，j广播其同步数据包时的时间，γ_i与γ_j为置信参数。该式也可表示为式(10)：

${\hat{C}}_i^{+}\left(t_j\right)={\hat{C}}_i\left(t_j\right)+\frac{{\mathrm{\γ}}_j}{{\mathrm{\γ}}_i+{\mathrm{\γ}}_j}\left({\hat{C}}_j\right(t_j)-{\hat{C}}_i(t_j\left)\right)---\left(10\right)$

步骤4：周期地重复以上步骤。

每次执行偏移补偿算法时，无线传感器节点将已经收到的节点的时钟以置信参数为权重值进行加权平均。这些无线传感器节点通常比那些没有收到任何同步数据包的节点更靠近理想值。时钟偏移补偿必须定期进行，使时钟误差保持在允许范围内。本发明的邻域平均算法利用两个无线传感器节点平均偏移补偿算法，在整个传感器网络中，两两节点执行偏移补偿算法，达到邻域内的时钟偏移量均得到补偿的效果，如图3所示。最终传感器网络所有节点的偏移量将收敛到一个定值。

时钟速率补偿的具体内容如下：

时钟速率α_i为晶振脉冲周期与溢出值N_i的乘积，如式(5)。时钟速率同步可使传感器节点有一个共同的计数速度。该算法一样通过取平均的方式，对传感器节点之间的时钟速率进行补偿，如式(11)：

${\widehat{\mathrm{\α}}}_i=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i---\left(11\right)$

具体流程如图4，时钟速率补偿包括以下步骤：

步骤11：无线传感器节点周期地进行时钟速率补偿。无线传感器节点定期检测信道，若信道空闲，则广播询问传输范围内的邻近无线传感器节点的时钟速率。

步骤12：无线传感器节点收到邻近节点的广播询问信息后，将自己的时钟速率信息发送回去。

步骤13：无线传感器节点收到邻近无线传感器节点返回的时钟速率信息后，首先补偿传播延迟。其中，传播延时的补偿依据双向信息传递模型中的方式。若节点2向节点1询问其时钟值，则节点1返回本地时钟的即时读数t₁给节点2，节点2收到信息时记录自己的时钟值为t₂，并向节点1反馈接收情况同时记录此时时钟值为t₃，节点1收到反馈并记录自己的时钟值为t₄，在此双向传递过程中，信息传播存在延时情况，对其依据下式进行补偿：

$delay=\frac{(t_4-t_1)-(t_3-t_2)}{2}---\left(12\right)$

步骤14：无线传感器节点根据其收到的邻近节点的时钟速率信息，依据式(11)计算邻近无线传感器节点及其本身的平均速率。

步骤15：无线传感器节点以平均时钟速率更新其速率补偿值。

步骤16：补偿完成后，无线传感器节点向其发送功率范围内的节点广播补偿表，该广播补偿表包括节点ID和补偿速率。

步骤17：无线传感器节点收到其它邻近无线传感器节点的补偿表后，依据补偿表更新自己的时钟速率补偿值。

步骤18：周期地重复以上步骤。

传感器节点的时钟速率将最终收敛到一定值。

为了清楚地说明时钟速率补偿，本发明采取了两个节点作为时钟速率补偿的例子。如图5，从节点i和节点j收集时钟读数，同时读取绝对时间和绝对时刻，并且是节点i和节点j的时钟上限。当计数器达到最大极限时，一个中断被触发，时钟值增加。时钟时间、晶振脉冲周期以及计数器溢出值由以下(13)式给出。

T_clock＝N×T_tick(13)

对于时钟速率同步，根据预先定义的计数器的溢出值，以及收集的时钟读数和来计算节点j新的计数器溢出值以满足 $T_{clock}^i={T_{clock}^j}^{+}.$

通过邻域平均算法，根据以下公式得出节点i新的计数器溢出值以及节点j新的计数器溢出值

${N_i}^{+}=\frac{1+\frac{{\mathrm{\τ}}_i\left(t_2\right)-{\mathrm{\τ}}_i\left(t_1\right)}{{\mathrm{\τ}}_j\left(t_2\right)-{\mathrm{\τ}}_j\left(t_1\right)}}{2}\×N_i---\left(14\right)$

${N_j}^{+}=\frac{1+\frac{{\mathrm{\τ}}_j\left(t_2\right)-{\mathrm{\τ}}_j\left(t_1\right)}{{\mathrm{\τ}}_i\left(t_2\right)-{\mathrm{\τ}}_i\left(t_1\right)}}{2}\×N_j---\left(15\right)$

通过调整计数器溢出值，传感器两个节点的时钟速率被补偿为一定值，将这个方法扩展至多个传感器节点，使传感器网络内，传感器节点的时钟速率达到同步。

至此，通过时钟偏移补偿以及速率补偿，传感器网络可实现高精度时钟同步。本发明采用邻域平均时钟同步算法对传感器节点进行时钟偏移补偿和速率补偿，算法收敛速度快，传播延时得到有效补偿，同步过程中实现数据交换最小化。

Claims (3)

1.种无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法，其特征在于，所述无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法通过无线传感器节点间的信息交换对无线传感器节点的时钟偏移与时钟速率进行补偿。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法，其特征在于，所述无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法通过无线传感器节点间的信息交换对无线传感器节点的时钟偏移进行的补偿包括以下步骤：

步骤一：无线传感器节点上电，设置自身的置信参数为1；

步骤二：周期地运行时间同步算法；每次执行同步算法时，无线传感器节点通过CSMA/CA方案，向其发送功率范围内的节点广播一个包含了该节点的补偿时钟值的同步数据包；

步骤三：无线传感器节点收到其它节点的同步广播数据包后，以置信参数为权重进行加权平均，来更新自己的时钟，然后将自己的置信参数增加1；

步骤四：周期地重复以上步骤。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法，其特征在于，所述无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法通过无线传感器节点间的信息交换对无线传感器节点的时钟速率进行的补偿包括以下步骤：

步骤十一：无线传感器节点周期地进行时钟速率补偿；无线传感器节点检测信道，若信道空闲，则广播询问传输范围内的邻近无线传感器节点的时钟速率；

步骤十二：无线传感器节点收到邻近无线传感器节点的广播询问信息后，将自己的时钟速率信息发送回去；

步骤十三：无线传感器节点收到邻近无线传感器节点返回的时钟速率信息后，首先补偿传播延迟；

步骤十四：无线传感器节点根据其收到的邻近无线传感器节点的时钟速率信息，计算邻近节点及其本身的平均速率；

步骤十五：无线传感器节点以平均时钟速率更新其速率补偿值；

步骤十六：补偿完成后，无线传感器节点向其发送功率范围内的节点广播补偿表，该广播补偿表包括无线传感器节点ID和补偿速率；

步骤十七：传感器节点收到其它邻近无线传感器节点的补偿表，依据补偿表更新自己的时钟速率补偿值；

步骤十八：周期地重复以上步骤。