CN105430736B - 一种自组织网络时间同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自组织网络时间同步方法及装置，能够提高系统的收敛速度，并降低系统负载。所述方法包括：获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态；处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步。所述装置包括：簇间同步模块，用于获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态；簇内同步模块，用于处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步。本发明适用于网络技术领域。

Description

一种自组织网络时间同步方法及装置

技术领域

本发明涉及网络技术领域，特别是指一种自组织网络时间同步方法及装置。

背景技术

自组织网络是实现异构融合网络灵活部署、高效运维、可靠服务与协同优化的重要途径。自组织网络是一种不依赖预设基础设施而快速组建的临时性网络，网络节点利用自身无线收发设备，采用分布式控制方式进行信息交换，而且可借助中间节点中继实现多跳通信，因此也被称为多跳网。无线自组织网络由于自组织、无中心、多跳等特点，使其具备了组网便捷、抗毁性强等优点，因此受到广泛关注。

虽然学术界对仿生学(bio-inspired)的研究在不断的深入，针对具有社会属性的生物(如蚂蚁、蜜蜂、萤火虫等)及其群体智能(swarm intelligence)的研究有效地推动了自组织网络基础理论与共性技术的发展，但是，目前国内外学术界在对于基于仿生学的自组织网络的研究尚处于开始阶段，现有基础理论与关键技术大多是针对解决同构自组织网络及其特定问题，而对异构自组织网络基础理论、尤其是普适性组网机理研究不足，研究成果远不能满足人们对海量数据与泛在业务的极大需求。在应用方面，大多停留在理论阶段，不能很好的将理论成果应用到现实网络当中。

时钟同步在通信网络中扮演着重要的角色，它使整个系统像一个团结的集体一样合作与运转。时钟同步是完成多址接入、功率控制、同步跳频、数据聚合等功能的核心技术。自组织网络中节点时间由节点内部硬件时钟决定，由于制作工艺、外界环境等原因，每个节点的时钟单位时间内表示的时间长度不一定相同，即存在时间漂移。当网络运行一段时间后，节点间就会产生一定的时间偏差，因此需要对时钟同步问题开展研究。同时，自组织网络在不同应用环境下具有不同的时钟同步要求，没有任何一种同步方法能适用于各种应用场景。即便某些方法可应用于多个场景，其同步性能也无法在多个场景下同时达到最优。此外，时钟同步已经被证明是影响无线传感器网络中传感融合的关键因素之一。

现有技术中，自组织网络中时间同步算法主要存在以下缺点：(1)集中式同步会带来很大的能耗及硬件消耗，给网络生存性带来挑战；(2)集中式网络方案会显著增加系统负载；(3)集中式同步的可扩展性较差，不能适应不断变化的拓扑结构；(4)集中式同步会造成节点的累计误差，且随着跳数的增加，累计误差现象会越来越严重；(5)如RBS等分散式协议，大部分采取点到点传输，需要在节点进行大量数据交换，增大了系统负载，同时会影响系统可扩展性；(6)采用脉冲耦合震荡模型的萤火虫算法，在一定程度上克服了以上缺点，但其在大规模自组织网络中会存在系统收敛速度缓慢、负载大的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自组织网络时间同步方法及装置，以解决现有技术所存在的系统收敛速度缓慢、系统负载大的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种自组织网络时间同步方法，包括：

获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态；

处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步。

进一步地，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步包括：

第一簇头节点接收其他簇头节点发送的调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位高于所述第一簇头节点的相位，则根据所述调整分组信息中的相位信息调整所述第一簇头节点的相位；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位不高于所述第一簇头节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

进一步地，所述处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步包括：

处于休眠状态的簇内节点停止休眠，第一簇内节点接收调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的节点的相位高于所述第一簇内节点的相位，则存储所述调整分组信息，并在下一个同步周期，根据存储的调整分组信息中的相位信息调整所述第一簇内节点的相位。

进一步地，所述方法还包括：

若发送所述调整分组信息的节点的相位不高于所述第一簇内节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

进一步地，所述方法还包括：

在一分簇中加入新节点时，获取所述分簇的一节点，其他所有节点进入休眠状态；

若获取的所述节点是上一个同步周期的簇头节点，则重新获取所述分簇的一节点；

若获取的所述节点不是上一个同步周期的簇头节点，则将所述新节点与所述节点进行时间同步。

为解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种自组织网络时间同步装置，包括：

簇间同步模块，用于获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态；

簇内同步模块，用于处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步。

进一步地，所述簇间同步模块，还用于由第一簇头节点接收其他簇头节点发送的调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位高于所述第一簇头节点的相位，则根据接收到的所述调整分组信息中的相位信息调整所述第一簇头节点的相位；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位不高于所述第一簇头节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

进一步地，所述簇内同步模块，还用于处于休眠状态的簇内节点停止休眠，第一簇内节点接收调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的节点的相位高于所述第一簇内节点的相位，则存储所述调整分组信息，并在下一个同步周期，根据存储的调整分组信息中的相位信息调整所述第一簇内节点的相位。

进一步地，所述簇内同步模块，还用于若发送所述调整分组信息的节点的相位不高于所述第一簇内节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

进一步地，所述簇内同步模块，还用于在一分簇中加入新节点时，获取所述分簇的一节点，其他所有节点进入休眠状态；

若获取的所述节点是上一个同步周期的簇头节点，则重新获取所述分簇的一节点；

若获取的所述节点不是上一个同步周期的簇头节点，则将所述新节点与所述节点进行时间同步。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过在簇间同步阶段，获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态，不接收任何调整分组信息；在簇内同步阶段，处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步。这样，在簇间同步阶段，只有簇头节点进行时间同步，各分簇的簇内节点进行休眠，所有的簇内节点不会影响簇头节点的时间同步，从而降低系统负载，并利用分簇思想提高系统的收敛速度、可扩展性以及大规模自组织网络节点时间同步的能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自组织网络时间同步方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的簇间节点时间同步的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的分簇的簇内节点与簇头节点时间同步的方法流程图；

图4为本发明实施例提供的加入新节点时间同步的的方法流程图；

图5为本发明实施例提供的自组织网络时间同步装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的系统收敛速度缓慢、系统负载大的问题，提供一种自组织网络时间同步方法及装置。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的一种自组织网络时间同步方法，包括：

S1，获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态；

S2，处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步。

本发明实施例所述的自组织网络时间同步方法，通过在簇间同步阶段，获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态，不接收任何调整分组信息；在簇内同步阶段，处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步。这样，在簇间同步阶段，只有簇头节点进行时间同步，各分簇的簇内节点进行休眠，所有的簇内节点不会影响簇头节点的时间同步，从而降低系统负载，并利用分簇思想提高系统的收敛速度、可扩展性以及大规模自组织网络节点时间同步的能力。

本发明实施例提供的自组织网络时间同步方法，对任何同步信号的处理方式均相同，与同步信号的来源无关，因此提高了所述自组织网络时间同步方法的可扩展性以及适应网络动态变化的能力。

在前述自组织网络时间同步方法的具体实施方式中，进一步地，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步包括：

第一簇头节点接收其他簇头节点发送的调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位高于所述第一簇头节点的相位，则根据所述调整分组信息中的相位信息调整所述第一簇头节点的相位；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位不高于所述第一簇头节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

本发明实施例中，利用同步处理机制，对现有技术中的脉冲耦合震荡模型的萤火虫算法进行改进，改进后的萤火虫算法使得高相位的节点丢弃接收到的调整分组信息，从而避免了节点接近同步时发生的震荡现象；且改进后的萤火虫算法进可以直接在物理层实现大规模自组织网络的时间同步，不需要以报文的方式实现，从而简化硬件设计，且同步精度不会受到介质访问控制(Media Access Control，MAC)延迟、协议处理与软件实现等方面的影响，并且也不会加重处理器的负担。

如图2所示，具体的，根据改进后的萤火虫算法，在簇间同步阶段，第一簇头节点接收其他簇头节点发送的调整分组信息；若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位高于所述第一簇头节点的相位，则所述第一簇头节点根据接收到的调整分组信息中的相位信息调整自身的相位，使得当前处于低相位的第一簇头节点不断提升相位，从而向高相位节点靠近，最终各个簇头节点的相位统一，从而实现自组织网络的时间同步；若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位不高于所述第一簇头节点的相位，则所述第一簇头节点丢弃接收到的调整分组信息，即当前处于高相位的第一簇头节点保持相位不变，从而减少同步次数，降低系统负载，也避免了节点接近同步阶段时产生的震荡问题，且改进后的萤火虫算法，不需要存储任何时间信息，能够显著提高系统的收敛速度，并降低系统负载和设计复杂度。

在前述自组织网络时间同步方法的具体实施方式中，进一步地，所述处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步包括：

处于休眠状态的簇内节点停止休眠，第一簇内节点接收调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的节点的相位高于所述第一簇内节点的相位，则存储所述调整分组信息，并在下一个同步周期，根据存储的调整分组信息中的相位信息调整所述第一簇内节点的相位。

在前述自组织网络时间同步方法的具体实施方式中，进一步地，所述方法还包括：

若发送所述调整分组信息的节点的相位不高于所述第一簇内节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

如图3所示，根据改进后的萤火虫算法，在簇内同步阶段，休眠的簇内节点结束休眠期开始时间同步，第一簇内节点接收调整分组信息；若发送所述调整分组信息的节点的相位高于所述第一簇内节点的相位，则所述第一簇内节点对接收到的调整分组信息进行存储，并在下一个同步周期，根据存储的调整分组信息中的相位信息调整所述自身的相位，使得当前处于低相位的第一簇内节点不断提升相位，从而向高相位节点靠近，最终所有的簇内节点与簇头节点的相位统一，此时，整个自组织网络完成时间同步，且簇内节点的同步周期与簇头节点的同步周期相同；若发送所述调整分组信息的节点的相位不高于所述第一簇内节点的相位，则所述第一簇内节点丢弃接收到的调整分组信息，即当前处于高相位的第一簇内节点保持相位不变，从而减少同步次数，降低系统负载，也避免了节点接近同步阶段时产生的震荡问题，且改进后的萤火虫算法，不需要存储任何时间信息，能够显著提高系统的收敛速度，和设计复杂度。

在前述自组织网络时间同步方法的具体实施方式中，进一步地，所述方法还包括：

在一分簇中加入新节点时，获取所述分簇的一节点，其他所有节点进入休眠状态；

若获取的所述节点是上一个同步周期的簇头节点，则重新获取所述分簇的一节点；

若获取的所述节点不是上一个同步周期的簇头节点，则将所述新节点与所述节点进行时间同步。

如图4所示，在一分簇中加入新节点时，加入的新节点的相位随机，此时，整个系统内各个节点已达到时间同步，随机选择所述分簇的一节点，系统中的其他所有节点进入休眠状态；若获取的所述节点是上一个同步周期的簇头节点，则重新获取所述分簇的一节点；若获取的所述节点不是上一个同步周期的簇头节点，则将所述新节点与所述节点进行时间同步。这样，通过选择一个非上一个同步周期的簇头节点与新节点进行同步，其余节点进行休眠，不仅保证了新节点与其他节点的时间同步，又降低了加入新节点再次同步产生的系统负载。

实施例二

本发明还提供一种自组织网络时间同步装置的具体实施方式，由于本发明提供的自组织网络时间同步装置与前述自组织网络时间同步方法的具体实施方式相对应，该自组织网络时间同步装置可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述自组织网络时间同步方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的自组织网络时间同步装置的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

如图5所示，本发明实施例还提供一种自组织网络时间同步装置，包括：

簇间同步模块101，用于获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态；

簇内同步模块102，用于处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步。

本发明实施例所述的自组织网络时间同步装置，通过在簇间同步阶段，获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态，不接收任何调整分组信息；在簇内同步阶段，处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步。这样，在簇间同步阶段，只有簇头节点进行时间同步，各分簇的簇内节点进行休眠，所有的簇内节点不会影响簇头节点的时间同步，从而降低系统负载，并利用分簇思想提高系统的收敛速度、可扩展性以及大规模自组织网络节点时间同步的能力。

在前述自组织网络时间同步装置的具体实施方式中，进一步地，所述簇间同步模块101，还用于由第一簇头节点接收其他簇头节点发送的调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位高于所述第一簇头节点的相位，则根据接收到的所述调整分组信息中的相位信息调整所述第一簇头节点的相位；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位不高于所述第一簇头节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

在前述自组织网络时间同步装置的具体实施方式中，进一步地，所述簇内同步模块102，还用于处于休眠状态的簇内节点停止休眠，第一簇内节点接收调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的节点的相位高于所述第一簇内节点的相位，则存储所述调整分组信息，并在下一个同步周期，根据存储的调整分组信息中的相位信息调整所述第一簇内节点的相位。

在前述自组织网络时间同步装置的具体实施方式中，进一步地，所述簇内同步模块102，还用于若发送所述调整分组信息的节点的相位不高于所述第一簇内节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

在前述自组织网络时间同步装置的具体实施方式中，进一步地，所述簇内同步模块102，还用于在一分簇中加入新节点时，获取所述分簇的一节点，其他所有节点进入休眠状态；

若获取的所述节点是上一个同步周期的簇头节点，则重新获取所述分簇的一节点；

若获取的所述节点不是上一个同步周期的簇头节点，则将所述新节点与所述节点进行时间同步。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自组织网络时间同步方法，其特征在于，包括：

获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态；

处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步；

其中，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步包括：

第一簇头节点接收其他簇头节点发送的调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位高于所述第一簇头节点的相位，则根据所述调整分组信息中的相位信息提升所述第一簇头节点的相位；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位不高于所述第一簇头节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

2.根据权利要求1所述的自组织网络时间同步方法，其特征在于，所述处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步包括：

处于休眠状态的簇内节点停止休眠，第一簇内节点接收调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的节点的相位高于所述第一簇内节点的相位，则存储所述调整分组信息，并在下一个同步周期，根据存储的调整分组信息中的相位信息提升所述第一簇内节点的相位。

3.根据权利要求2所述的自组织网络时间同步方法，其特征在于，还包括：

若发送所述调整分组信息的节点的相位不高于所述第一簇内节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

4.根据权利要求1所述的自组织网络时间同步方法，其特征在于，还包括：

在一分簇中加入新节点时，获取所述分簇的一节点，其他所有节点进入休眠状态；

若获取的所述节点是上一个同步周期的簇头节点，则重新获取所述分簇的一节点；

若获取的所述节点不是上一个同步周期的簇头节点，则将所述新节点与所述节点进行时间同步。

5.一种自组织网络时间同步装置，其特征在于，包括：

簇间同步模块，用于获取分簇中相位最高的节点作为簇头节点，将所述簇头节点与其他分簇的簇头节点进行时间同步，所述分簇的其他节点作为簇内节点并进入休眠状态；

簇内同步模块，用于处于休眠状态的簇内节点停止休眠，并与所述分簇的簇头节点进行时间同步；

其中，所述簇间同步模块，还用于由第一簇头节点接收其他簇头节点发送的调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位高于所述第一簇头节点的相位，则根据接收到的所述调整分组信息中的相位信息提升所述第一簇头节点的相位；

若发送所述调整分组信息的簇头节点的相位不高于所述第一簇头节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

6.根据权利要求5所述的自组织网络时间同步装置，其特征在于，所述簇内同步模块，还用于处于休眠状态的簇内节点停止休眠，第一簇内节点接收调整分组信息；

若发送所述调整分组信息的节点的相位高于所述第一簇内节点的相位，则存储所述调整分组信息，并在下一个同步周期，根据存储的调整分组信息中的相位信息提升所述第一簇内节点的相位。

7.根据权利要求6所述的自组织网络时间同步装置，其特征在于，所述簇内同步模块，还用于若发送所述调整分组信息的节点的相位不高于所述第一簇内节点的相位，则丢弃所述调整分组信息。

8.根据权利要求5所述的自组织网络时间同步装置，其特征在于，所述簇内同步模块，还用于在一分簇中加入新节点时，获取所述分簇的一节点，其他所有节点进入休眠状态；

若获取的所述节点是上一个同步周期的簇头节点，则重新获取所述分簇的一节点；

若获取的所述节点不是上一个同步周期的簇头节点，则将所述新节点与所述节点进行时间同步。