CN105491656A - 一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法。其解决了现有时间同步方法开销较大且无法在无线传感网中实际应用的问题，其包括基于TDMA思想的网络时间资源划分、节点层次结构构建、节点时间同步以及根据子节点同步精度对同步周期进行自适应地调整。通过测试和仿真发现，本发明能够获得较高的网络同步精度，能够在保证节点间数据正常交互的前提下，根据子节点同步精度自适应地调整同步周期，极大地降低网络同步开销。面向大规模自组网的轻量级时间同步方法能够较好的应用于大规模自组网，有效地降低网络同步功耗。

Description

一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法
技术领域
本发明涉及无线传感网领域，涉及一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法。
背景技术
近年来，随着无线传感网技术的不断发展，无线传感网络越来越多地存在于人们日常生活的环境中。无线传感网中存在的大量节点对环境的持续监测会产生大量的监测数据。通过数据交互和融合技术，数据从各个节点转发至网络协调器或者网络基站。数据交互和融合技术需要节点满足较高的同步状态。无线传感网中节点的工作状态包括：监听、接收、发送、空闲和睡眠。其中睡眠状态的功耗最小，为了尽量减少节点能量消耗，需要对节点进行精确时间的睡眠和唤醒，即节点工作模式切换，这需要对全网范围内的节点进行时间同步。另外数据传输过程中，需要对部分节点进行定位和系统调度，这也需要以节点的时间同步为基础。由此可见，时间同步技术是保证无线传感网正常运行的支撑技术之一。
有线网络中比较常用的网络时间协议NTP，在层状结构中利用客户/服务器模式对欲同步的客户端进行同步。NTP通过时间获取的多路径和上层服务器的冗余性来保证时间同步的可靠性。NTP无法满足无线传感网中节点功耗低、带宽有限、数据只能无线传输的要求。无线传感网的特点要求时间同步协议能够满足高精度和低功耗的要求。
当前无线传感网中的时间同步协议主要分为经典时间同步协议和新兴时间同步协议两类。经典的时间同步协议通过单向或者双向的信息交互得到节点间的时间差异，更新待同步节点的时钟来达到时间同步的目的。经典的时间同步协议中传感器网络时间同步协议(TPSN)和参考时间同步协议(RBS)的同步精度不高，泛洪时间同步协议(FTSP)对节点的内存占用量较大、计算复杂度较高。新兴的时间同步协议在追求同步精度的开始考虑降低同步开销。新兴的时间同步协议通过物理耦合、混合同步方式和分布式时间同步等方式来降低时间同步开销。但是新兴的时间同步协议复杂度较高，大多处于理论阶段，无法满足大规模自组网的实际要求。
目前尚未有针对大规模自组网的轻量级时间同步方法的专利内容。
发明内容
为了克服当前大规模自组网中现有时间同步协议的缺陷和不足，本发明提出了一种针对大规模自组网中的轻量级时间同步方法，旨在降低时间同步开销，提高网络同步精度。
为了实现以上目标，本发明提供的技术方案如下：
一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法，在大规模自组网中，针对节点数目较多容易产生多路径同步误差以及同步开销较大这些问题，将轻量级时间同步算法分为网络构建、时间同步和周期调整三个阶段。其中网络构建是基础，时间同步和周期调整两者互相补充。基于TDMA思想，对网络中的时间资源按照节点的不同网络层级进行划分，节点在特定时间接收父节点的网络信息、时间同步信息，并完成数据上传工作。节点通过处理来自父节点的时间同步报文来完成自身时钟的调整和更新。根据大规模组网中节点正常通信的同步精度要求，自适应地进行同步周期的调整，平衡同步精度和同步开销。
1）对网络时间进行资源分配。
基于TDMA思想，预先将奇数层、偶数层和协调器的超帧结构进行时间资源分配，使得奇数层节点超帧结构中与子节点进行信息交互的时隙和偶数层超帧结构中与父节点进行信息交互的时隙处于相同位置；奇数层节点中与父节点进行信息交互的时隙位置刚好与偶数层中超帧结构中子节点进行信息交互的时隙位置相对应。使得网络中的节点只能在特定时间进行信息交互，进而减少网络中的数据碰撞。
2）完成簇树形网络结构构建。
协调器上电之后，在自身超帧的广播时隙向网络中发送报文，报文中包含节点的网络层号。未入网的节点在收到报文后，会根据报文中携带的信息来设置自身层号和父节点信息，完成入网操作，并周期性广播自身的网络层号和地址信息，最终形成簇树形网络结构。
3）节点更新自身时钟，完成时间同步。
节点根据同步报文中包含的父节点时间对自身时钟进行校正，更新自身时间。同时节点根据连续收到同步报文的发送间隔Tsend2-Tsend1和接收间隔Treceive2-Treceive1，求得单位时钟偏移Toffset=（Tsend2-Tsend1-Treceive2+Treceive1）／（Treceive2-Treceive1）,利用单位时钟偏移子节点可以根据表达式Testimated=(Tson_current-Treceive2)*Toffset+Tsend2-Treceive2对系统时间进行估计，实现节点间的时间同步。通过物理测试和仿真实验可以得到单跳节点间的平均同步误差δ。
4)求出最大同步周期。
设定Tsuf为网络中一个超帧的时间长度。根据网状网络时间同步协议(TMSP)以及网络中节点信息交互对同步精度的要求，设定系统最大的时间同步偏差Tg为单跳节点间同步误差的两倍Tg=2*δ。调整时间同步周期，得到同步周期和单跳同步误差之间的关系曲线，选取系统最大时间同步偏差Tg所对应的同步周期为最大同步周期Tmax，其所对应的超帧个数为最大同步周期所对应的超帧个数Nmax。
5）引入自适应周期调整机制。
节点收到上层节点发送的同步报文后，通过对比自身估计的父节点时间和报文中携带的真实的父节点时间，子节点能够得到自身的时间同步精度，并将此精度存储在节点内存中，在网络监测数据上传的时刻嵌入到数据报文的尾部，随监测数据的上传，完成自身同步误差的向上反馈。父节点根据反馈的精度信息进行同步周期的自适应调整。设定e为节点晶振的频率偏差；根据反馈报文中包含的子节点的同步误差，并结合自身同步报文的发送时间间隔，父节点可以得到子节点的晶振频率精度为e=δi／(Tsend2-Tsend1)。进一步根据eNTsuf+δi<Tg可以得到满足该不等式的最大同步周期N，即可以得到下一次发送时间同步报文的时刻。
本发明方法的有益效果如下：本发明方法提供了一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法，基于TDMA思想，对网络时间资源进行分配，减少网络碰撞；通过计算子节点的单位时钟偏移，能够对系统时间进行估计，实现网络范围内的时间同步；通过引入周期调整机制自适应地调整网络中时间同步周期，实现网络节点间时间同步的低开销。
附图说明
图1是轻量级时间同步方法流程图；
图2是子节点数据报文结构图；
图3是周期自适应机制流程图。

Claims (6)

1.一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法，其特征是，包括基于TDMA思想的网络时间资源分配，利用单位时间偏移对节点进行同步以及根据子节点同步精度自适应地对网络同步周期进行调整。
2.如权利要求1所述的一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法，其特征是，网络各节点的时间资源以固定长度的时隙时间长度Tsuf为单位，同步周期是时隙时间长度的整数倍。
3.如权利要求1所述的一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法，其特征是，采用单跳同步精度的2倍同步误差作为系统的最大时间偏差Tg。
4.如权利要求1所述的一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法，其特征是，子节点将自身同步偏差δi存放到自身内存，等到监测报文上传时刻，将同步偏差上传至父节点。
5.如权利要求4所述的一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法，其特征是，父节点在收到来自子节点的携带同步偏差δi的监测报文，根据自身记录的同步报文发送间隔Tsend2-Tsend1得到子节点当前的晶振偏移e=δi／（Tsend2-Tsend1）。
6.如权利要求3和5所述一种面向大规模自组网的轻量级时间同步方法，其特征是，父节点根据eNTsuf+δi<Tg可以最大整数值N，即最大同步周期为N个超帧时间长度，父节点根据子节点的同步状况完成对同步周期的自适应调整。
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