CN105490799A - 一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法，该方法综合考虑泛型协同环境和终端的特点，兼顾时间同步中的时钟偏移同步和斜率同步，利用终端节点间的双向信息报文交换获得同步消息传递实时时延，有利于提高时间同步的精度；通过节点的两个逻辑时间对计算节点的相对时钟斜率，实现节点间的时钟斜率同步；将偏移补偿和斜率补偿分离，可以提供时间同步收敛速度。

Description

一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种泛在协同环境下的终端时间同步方法，特别涉及一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法，属于无线通信领域。

背景技术

在未来泛在网络环境下，将有越来越多的智能设备出现，进入用户的生活、工作空间，并能够通过有线或无线的方式互联。多终端协同的泛在网络已经从概念逐步走向现实的应用，这对终端以及网络能力提出更高的要求，这其中多终端间时间同步将是实现多终端的协同操作的重要基石，目前专注于泛在协同网多终端时间同步的研究还相对较少，传统时间同步研究主要集中于无线传感网，而无线传感网也是泛在网的重要组成部分，其中很多时间同步理论在泛在协同环境下依然成立。同时泛在网的网络异构性、终端移动性也给时间同步带来了新的挑战。异构性意味着网络环境更加复杂，终端间很可能连接着多个网络，消息传送时延也随着网络变化而变化。终端移动意味着网络拓扑的不断变化，这对时间同步算法的鲁棒性及可拓展性要求很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法，该方法综合考虑泛型协同环境和终端的特点，兼顾时间同步中的时钟偏移同步和斜率同步，利用终端节点间的双向信息报文交换获得同步消息传递实时时延，有利于提高时间同步的精度；通过节点的两个逻辑时间对计算节点的相对时钟斜率，实现节点间的时钟斜率同步；将偏移补偿和斜率补偿分离，可以提供时间同步收敛速度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法，终端的逻辑时钟值L(t)＝αC(t)+β，其中，C(t)为物理时钟值，α为逻辑时钟斜率补偿参数，β逻辑时钟偏移补偿参数；通过修正各终端的逻辑时钟斜率补偿参数和逻辑时钟偏移补偿参数，使各终端的逻辑时钟收敛到一致的时钟值，从而实现时间同步；

其中，各终端的逻辑时钟斜率补偿参数和逻辑时钟偏移补偿参数的修正通过以下迭代方法实现：

步骤1，初始化各终端的逻辑时钟斜率补偿参数为1、逻辑时钟偏移补偿参数为0，当前迭代次数k＝1；

步骤2，各终端向其邻居终端广播同步请求，其中同步请求中包括广播终端广播时的逻辑时钟值、逻辑时钟偏移补偿参数且各广播节点记录广播时的逻辑时钟值；为第k次迭代时广播终端i的逻辑时钟偏移补偿参数；

步骤3，接收到同步请求的接收终端在随机等待一段时间后向广播终端回复消息，其中回复消息包括接收终端接收时的逻辑时钟值、回复时的逻辑时钟值；

步骤4，若k为奇数，则接收终端记录一个时钟对和一个时钟偏移对，其中，时钟对包括广播终端广播时的逻辑时钟值、接收终端接收时的逻辑时钟值，时钟偏移对包括广播终端广播时的逻辑时钟偏移补偿参数接收终端接收时的逻辑时钟偏移补偿参数若k为偶数，则接收节点不记录；为第k次迭代时接收终端j的逻辑时钟偏移补偿参数；

步骤5，接收到回复消息的广播终端记录接收时的逻辑时钟值，并根据公式1更新广播终端的逻辑时钟偏移补偿参数：

${\mathrm{\β}}_i^{k+1}={\mathrm{\β}}_i^k+\frac{(T_2-T_1)-(T_4-T_3)}{4}---\left(1\right)$

式中，为第k+1次迭代时广播终端i的逻辑时钟偏移补偿参数；T₁为广播终端广播时的逻辑时钟值，T₂为接收终端接收时的逻辑时钟值，T₃为接收终端回复时的逻辑时钟值，T₄为广播终端接收回复时的逻辑时钟值；

步骤6，若k为偶数，且在k-1次迭代中第k次迭代时的接收终端j为广播终端而广播终端i为相应接收终端，同时第k次迭代时的广播终端在k-1次迭代中记录的时钟对和逻辑偏移对不为空，则执行步骤7，否则执行步骤8；

步骤7，根据公式2更新广播终端的逻辑时钟斜率补偿参数：

${\mathrm{\α}}_i^{k+1}=\mathrm{\ρ}*{\mathrm{\α}}_i^k+(1-\mathrm{\ρ})*{\mathrm{\α}}_{ij}*{\mathrm{\α}}_i^k---\left(2\right)$

式中，ρ为权值；其中，为第k-1次迭代时广播终端i的逻辑时钟偏移补偿参数，为第k-1次迭代时接收终端j的逻辑时钟偏移补偿参数，C_{j_old}为第k-1次迭代时接收终端j广播时的逻辑时钟值，C_{i_old}为第k-1次迭代时广播终端i接收时的逻辑时钟值；

步骤8，置k＝k+1，返回步骤2。

作为本发明的进一步优化方案，步骤8中置k＝k+1，等待一定时间后返回步骤2。

作为本发明的进一步优化方案，所述一定时间根据所需精度决定。

作为本发明的进一步优化方案，步骤3中随机等待的一段时间根据实际情况确定，以避免在广播终端接收回复消息时产生干扰冲突。

作为本发明的进一步优化方案，步骤7中权值ρ根据网络状况选择。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明解决了泛在协同环境下的多终端时间同步问题，结合泛在协同环境的特点，充分考虑泛在网的异构性和终端节点移动性，节点间通信时延差异大并且易变化的特点，通过双向报文交换得到节点间的实时时延，进行时钟偏移补偿，付出较小的代价获得了更快的时间同步收敛速度和同步精度。并且不是集中式方法，而是分布式的，不需要参考节点，所以该方法同时也有较高的鲁棒性和可拓展性。

附图说明

图1是泛在多终端协同环境网络场景示意图。

图2是本发明的方法流程图。

图3是终端节点双向报文交换示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示的泛在多终端协同环境网络场景示意图中，存在两个网络，多个终端，并且终端之间通过预设的通信技术实现通信。实现各种终端之间的时间同步需要终端间周期的传送同步消息报文，彼此交换时间信息，通过一定的运算使得终端间的时钟偏移和斜率得到修正，最终实现逻辑时钟的同步。

终端的逻辑时钟值L(t)＝αC(t)+β，其中，C(t)为物理时钟值，α为逻辑时钟斜率补偿参数，β逻辑时钟偏移补偿参数；通过迭代方法修正各终端的逻辑时钟斜率补偿参数和逻辑时钟偏移补偿参数，使各终端的逻辑时钟收敛到一致的时钟值，从而实现时间同步。

本发明提供一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法，如图2所示，具体如下：

步骤1：初始化迭代次数k＝1，初始化各终端的逻辑时钟斜率补偿参数为1和逻辑时钟偏移补偿参数为0。

步骤2：各终端之间通过双向报文交换各自的时钟信息，如图3所示。以下以两个终端i和j为例进行具体说明，其中，终端i为广播终端，终端j为接收终端。

首先，广播终端i广播同步请求Sync-req消息给邻居节点，Sync-req消息中包括广播终端i广播时的逻辑时钟值、时钟偏移补偿参数广播终端i记录其广播时的逻辑时钟值为T₁；

然后，广播终端i的邻居终端即为终端j接收到Sync-req消息后，记录其接收到Sync-req消息时的逻辑时钟值，记为T₂；随机等待一段时间(为避免广播终端接收到多个回复消息时产生干扰冲突)后，接收终端j向广播终端i回复消息，回复消息包括接收终端j接收时的逻辑时钟值T₂、接收终端j回复时的逻辑时钟值T₃。如果k为奇数，接收终端j记录下一个时间对和一个时钟偏移对，其中，时间对为广播终端i广播时的逻辑时钟值和接收终端j接收时的逻辑时钟值，即(T₁,T₂)；时钟偏移对包括广播终端i广播时的时钟偏移补偿参数和接收终端j接收时的时钟偏移补偿参数，即否则接收终端j不记录。

最后，广播终端i接收到接收终端j的回复消息，并记录广播终端接收回复时的逻辑时钟值为T₄。

步骤3：根据公式1更新广播终端的逻辑时钟偏移补偿参数：

${\mathrm{\β}}_i^{k+1}={\mathrm{\β}}_i^k+\frac{(T_2-T_1)-(T_4-T_3)}{4}---\left(1\right)$

式中，为第k+1次迭代时广播终端i的逻辑时钟偏移补偿参数；T₁为广播终端i广播时的逻辑时钟值，T₂为接收终端j接收时的逻辑时钟值，T₃为接收终端j回复时的逻辑时钟值，T₄为广播终端i接收回复时的逻辑时钟值。

步骤4：如果k为偶数，并且广播终端i在k-1次迭代时为接收终端，而相应的接收终端j为广播终端时记录的一个时间对和一个时钟偏移对不为空，则执行步骤5，否则执行步骤6。

步骤5：根据公式2更新广播终端的逻辑时钟斜率补偿参数：

${\mathrm{\α}}_i^{k+1}=\mathrm{\ρ}*{\mathrm{\α}}_i^k+(1-\mathrm{\ρ})*{\mathrm{\α}}_{ij}*{\mathrm{\α}}_i^k---\left(2\right)$

式中，ρ为权值，参考网络状况选择；其中，为第k-1次迭代时广播终端i的逻辑时钟偏移补偿参数，为第k-1次迭代时接收终端j的逻辑时钟偏移补偿参数，C_{j_old}为第k-1次迭代时接收终端j广播时的逻辑时钟值，C_{i_old}为第k-1次迭代时广播终端i接收时的逻辑时钟值。

步骤6：置k＝k+1，等待周期时间T后返回步骤2执行。其中，周期时间T根据所需精度决定，周期时间T越短精度越高，反之精度越低。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法，其特征在于，终端的逻辑时钟值L(t)＝αC(t)+β，其中，C(t)为物理时钟值，α为逻辑时钟斜率补偿参数，β逻辑时钟偏移补偿参数；通过修正各终端的逻辑时钟斜率补偿参数和逻辑时钟偏移补偿参数，使各终端的逻辑时钟收敛到一致的时钟值，从而实现时间同步；

其中，各终端的逻辑时钟斜率补偿参数和逻辑时钟偏移补偿参数的修正通过以下迭代方法实现：

步骤1，初始化各终端的逻辑时钟斜率补偿参数为1、逻辑时钟偏移补偿参数为0，当前迭代次数k＝1；

步骤2，各终端向其邻居终端广播同步请求，其中同步请求中包括广播终端广播时的逻辑时钟值、逻辑时钟偏移补偿参数且各广播节点记录广播时的逻辑时钟值；为第k次迭代时广播终端i的逻辑时钟偏移补偿参数；

步骤3，接收到同步请求的接收终端在随机等待一段时间后向广播终端回复消息，其中回复消息包括接收终端接收时的逻辑时钟值、回复时的逻辑时钟值；

步骤4，若k为奇数，则接收终端记录一个时钟对和一个时钟偏移对，其中，时钟对包括广播终端广播时的逻辑时钟值、接收终端接收时的逻辑时钟值，时钟偏移对包括广播终端广播时的逻辑时钟偏移补偿参数接收终端接收时的逻辑时钟偏移补偿参数若k为偶数，则接收节点不记录；为第k次迭代时接收终端j的逻辑时钟偏移补偿参数；

步骤5，接收到回复消息的广播终端记录接收时的逻辑时钟值，并根据公式1更新广播终端的逻辑时钟偏移补偿参数：

${\mathrm{\β}}_i^{k+1}={\mathrm{\β}}_i^k+\frac{(T_2-T_1)-(T_4-T_3)}{4}---\left(1\right)$

式中，为第k+1次迭代时广播终端i的逻辑时钟偏移补偿参数；T₁为广播终端广播时的逻辑时钟值，T₂为接收终端接收时的逻辑时钟值，T₃为接收终端回复时的逻辑时钟值，T₄为广播终端接收回复时的逻辑时钟值；

步骤6，若k为偶数，且在k-1次迭代中第k次迭代时的接收终端j为广播终端而广播终端i为相应接收终端，同时第k次迭代时的广播终端在k-1次迭代中记录的时钟对和逻辑偏移对不为空，则执行步骤7，否则执行步骤8；

步骤7，根据公式2更新广播终端的逻辑时钟斜率补偿参数：

${\mathrm{\α}}_i^{k+1}=\mathrm{\ρ}*{\mathrm{\α}}_i^k+(1-\mathrm{\ρ})*{\mathrm{\α}}_{ij}*{\mathrm{\α}}_i^k---\left(2\right)$

式中，ρ为权值；其中，为第k-1次迭代时广播终端i的逻辑时钟偏移补偿参数，为第k-1次迭代时接收终端j的逻辑时钟偏移补偿参数，C_{j_old}为第k-1次迭代时接收终端j广播时的逻辑时钟值，C_{i_old}为第k-1次迭代时广播终端i接收时的逻辑时钟值；

步骤8，置k＝k+1，返回步骤2。

2.根据权利要求1所述的一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法，其特征在于，步骤8中置k＝k+1，等待一定时间后返回步骤2。

3.根据权利要求2所述的一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法，其特征在于，所述一定时间根据所需精度决定。

4.根据权利要求1所述的一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法，其特征在于，步骤3中随机等待的一段时间根据实际情况确定，以避免在广播终端接收回复消息时产生干扰冲突。

5.根据权利要求1所述的一种基于双向报文交换的多终端时间同步方法，其特征在于，步骤7中权值ρ根据网络状况选择。