CN105530656A - 一种无线传感器网络时间同步性能评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线传感器网络时间同步性能评估方法及系统，能够对各节点的时间同步过程所获取的系统时钟的准确性进行评估。方法包括：根据获取到的各节点的系统时钟的计数值，对节点同步后的系统时钟的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计；根据得到的振荡周期及初始相位的最优估计，对各节点的时间同步性能进行评估。系统包括：多个节点和外部评估单元；由外部评估单元向各节点发出请求；各节点在收到请求后，经历一段较短且无法避免和难以准确测量的响应延时后，由外部评估单元收集各节点的响应并利用该时间同步性能评估方法对各节点同步后的时钟性能进行评价。本发明适用于通信技术领域。

Description

一种无线传感器网络时间同步性能评估方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种无线传感器网络时间同步性能评估方法及系统。

背景技术

一般来说，一个微处理器的时钟包括时钟源和累加定时触发两个组成部分。时间同步是一种根据节点之间的时钟偏差去调整节点自身的系统时钟，令系统时钟与全局时钟相同，以使所有节点达到同步的方法。当微处理器作为时间同步的节点时，理论上，只有当所有节点的时钟源的频率和初始相位都相同时，节点之间的系统时钟才不存在偏差，所有节点才能保持同步。实际上，当晶振作为微处理器的时钟源时，由于晶振会受到生产工艺及各种外在环境因素的影响，其频率和相位并不是固定不变的。所以微处理器的系统时钟必须定期的进行同步调整，才能使所有节点保持同步。

对于同步后的节点，与同步前不同的是，同步后的时钟源不再是原始的晶振时钟源了，而是在原始晶振时钟源的基础上添加了一个软件的调整，同步后节点系统时钟的计数值的增加等价于有一个虚拟的软件晶振在震荡。理论上，该虚拟晶振对所有节点都具有相同的频率和初始相位，然而，实际上由于原始晶振存在的不稳定性和系统时钟偏移设置精度的有限性，导致该虚拟晶振的频率和初始相位是一个变化的值。所以，同步后各节点的系统时钟的频率和初始相位也存在差异，节点之间存在同步误差。

如本专利中所述，当外部的评估单元向节点请求节点的内部时间，该内部时间是同步后的系统时间，(所谓系统时间，是同步后，所有的节点应该具有的相互一致的共同时间)，该系统时间的相关计算参数通常存储于节点的寄存器，无法直接获得；节点收到请求后，节点中的微处理器立刻计算自身的内部存储的系统时间，并送到外部评估单元，但即使是“立刻”处理，节点在送出内部时间时必然已经经历了一段小的、难以测量的短延时，这段延时会影响评估精度。本专利的目标实质上在降低这段不确定的短延时的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络时间同步性能评估方法及系统，以解决现有时间同步评估技术所存在的难以降低所述不确定短延时的影响，而使评估精度存在较大误差的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种无线传感器网络时间同步性能评估方法，包括：

获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值；

根据不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，利用数学规划手段对节点同步后的系统时钟的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计；

根据得到的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计，对各节点的时间同步性能进行评估。

进一步地，所述获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值包括：

接收读指示信号，读取各节点的系统时钟的计数值；

获取各节点的评估时间，所述各节点的评估时间表示为：

t_j＝τ_j ⁽ⁱ⁾+(n_j ⁽ⁱ⁾T⁽ⁱ⁾+θ⁽ⁱ⁾)

式中，i表示节点的编号，j表示通信次数的编号，t_j表示第j次通信的评估时间，τ_j ⁽ⁱ⁾表示第i节点第j次从请求时刻到节点取得内部系统时间时刻之间的响应延时，n_j ⁽ⁱ⁾表示第i节点第j次系统时钟的计数值，n_j ⁽ⁱ⁾是节点用于表示系统时间的整数值，T⁽ⁱ⁾表示第i节点的系统时钟的振荡周期，θ⁽ⁱ⁾表示第i节点的系统时钟的初始相位，θ⁽ⁱ⁾是n取0时节点获得的系统时间对应的外部基准时间。

进一步地，所述根据不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，利用数学规划手段对节点同步后的系统时钟的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计包括：

根据获取到的不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，确定求解各节点的系统时钟的振荡周期及初始相位的最优估计的目标函数及所述目标函数的约束条件；

在各节点的目标函数取最小值时，对每个节点的系统时钟的振荡周期及初始相位不断进行约束，将系统时钟的振荡周期及初始相位的变化范围约束在预设范围内，得到各节点的系统时钟的振荡周期及初始相位的最优估计。

进一步地，所述目标函数为：

z⁽ⁱ⁾＝τ_j ⁽ⁱ⁾；

所述目标函数的约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;{n_j}^{\left(i\right)}{T}^{\left(i\right)}+{\mathrm{\&theta;}}^{\left(i\right)}-t_j\\ {{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}<({n_j}^{\left(i\right)}+1)T^{\left(i\right)}+{\mathrm{\&theta;}}^{\left(i\right)}-t_j\\ {{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

式中，i表示节点的编号，j表示通信次数的编号，t_j表示第j次通信的评估时间，τ_j ⁽ⁱ⁾表示第i节点第j次从请求时刻到节点取得内部系统时间时刻之间的响应延时，n_j ⁽ⁱ⁾表示第i节点第j次系统时钟的计数值，n_j ⁽ⁱ⁾是节点用于表示系统时间的整数值，T⁽ⁱ⁾表示第i节点的系统时钟的振荡周期，θ⁽ⁱ⁾表示第i节点的系统时钟的初始相位，θ⁽ⁱ⁾是n取0时节点获得的系统时间对应的外部基准时间。

进一步地，所述根据得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计，对各节点的时间同步性能进行评估包括：

若得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位均相同，则表明所有节点达到完全同步；

若得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位之间存在偏差，则对该偏差进行分析，对各节点的时间同步性能进行评估。

本发明实施例还提供一种无线传感器网络时间同步性能评估系统，包括：多个节点和外部评估单元，其中，各节点分别与所述外部评估单元相连；

节点，用于在收到外部评估单元的请求后，节点中的微处理器立刻计算自身的内部存储的系统时间，并送到外部评估单元；

外部评估单元，用于向节点发送请求，请求节点的内部系统时间，该内部时间是同步后的系统时间。

进一步地，所述节点包括：

射频模块，用于发送与接收无线射频信号；

主控模块，用于控制射频信号的收发、内部系统时间的读取以及控制数据的传输；

扩展模块，用于将节点的测试信号通过扩展插槽外接出来，以与外部评估单元进行连接。

进一步地，所述外部评估单元包括：

可编程模块，用于对节点的测试数据进行实时采集处理；

传输模块，用于将可编程模块采集到的数据传输到PC机；

扩展模块，用于将外部评估单元的请求信号接口及数据采集接口通过扩展插槽外接出来，以与节点进行连接。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，在获取系统时钟计数值的过程中，会经历一段较短且无法避免和难以准确测量的短延时；并根据获取到的不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，利用数学规划手段对节点同步后的系统时钟的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计；并根据得到的同步后的各节点的系统时钟的振荡周期及初始相位的最优估计，对各节点的时间同步性能进行精确评估。这样，根据同步性能评估能够解决现有时间同步评估技术所存在的难以降低所述不确定短延时的影响，而使评估精度存在较大误差的问题；能够对同步方法进行优化与改进；并且能够对同步标准进行符合性测试。

附图说明

图1为本发明实施例提供的系统时钟的计数值的变化时序示意图；

图2为本发明实施例提供的无线传感器网络时间同步性能评估方法的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的单个节点的系统时钟的计数值n和评估时间t获取原理示意图；

图4为本发明实施例提供的多个节点的系统时钟的计数值n和评估时间t获取原理示意图；

图5为本发明实施例提供的无线传感器网络时间同步性能评估系统的结构示意图。

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。

本发明针对现有时间同步评估技术所存在的难以降低所述不确定短延时的影响，而使评估精度存在较大误差的问题，提供一种无线传感器网络时间同步性能评估方法及系统。

为了更好的理解本发明，首先对节点系统时钟的计数值的变化时序进行分析：

如图1所示，在t₀＝0时刻，虚拟晶振脉冲的上升沿到达；

在t₁＝θ时刻，系统时钟的计数值加1，θ是系统时钟的初始相位，θ是一个变化的值。

对于时间间隔T表示系统时钟的振荡周期，振荡周期T是一个变化的值，系统时钟的计数值n是虚拟晶振最小周期的整数倍，所以t₂的值就等于nT值的下取整；

当系统时钟的计数满n以后，此时，评估时间t满足：t＝t₁+t₂，又因为所以n满足式(1)：

式(1)

即系统时钟计数值n等于评估时间t与初始相位θ的差值除以振荡周期T所得商值的下取整。

根据式(1)，可以得到式(2)：

nT≤t-θ<(n+1)T式(2)

对式(2)进行进一步分析，若获取到系统时钟的计数值n及评估时间t，那么式(2)中的未知量就是要求的初始相位θ和振荡周期T。

实施例一

如图2所示，本发明实施例提供的一种无线传感器网络时间同步性能评估方法，包括：

S1：获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值；

S2：根据不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，利用数学规划手段对节点同步后的系统时钟的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计；

S3：根据得到的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计，对各节点的时间同步性能进行评估。

本发明实施例所述的无线传感器网络时间同步性能评估方法，通过获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，在获取系统时钟计数值的过程中，会经历一段较短且无法避免和难以准确测量的短延时；并根据获取到的不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，利用数学规划手段对节点同步后的系统时钟的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计；并根据得到的同步后的各节点的系统时钟的振荡周期及初始相位的最优估计，对各节点的时间同步性能进行精确评估。这样，根据同步性能评估能够解决现有时间同步评估技术所存在的难以降低所述不确定短延时的影响，而使评估精度存在较大误差的问题；能够对同步方法进行优化与改进；并且能够对同步标准进行符合性测试。

在前述无线传感器网络时间同步性能评估方法的具体实施方式中，进一步地，所述获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值包括：

接收读指示信号，读取各节点的系统时钟的计数值；

获取各节点的评估时间，所述各节点的评估时间表示为：

t_j＝τ_j ⁽ⁱ⁾+(n_j ⁽ⁱ⁾T⁽ⁱ⁾+θ⁽ⁱ⁾)

式中，i表示节点的编号，j表示通信次数的编号，t_j表示第j次通信的评估时间，τ_j ⁽ⁱ⁾表示第i节点第j次从请求时刻到节点取得内部系统时间时刻之间的响应延时，n_j ⁽ⁱ⁾表示第i节点第j次系统时钟的计数值，n_j ⁽ⁱ⁾是节点用于表示系统时间的整数值，T⁽ⁱ⁾表示第i节点的系统时钟的振荡周期，θ⁽ⁱ⁾表示第i节点的系统时钟的初始相位，θ⁽ⁱ⁾是n取0时节点获得的系统时间对应的外部基准时间。

首先，对获取1个节点的系统时钟的计数值n和评估时间t进行说明：

本发明实施例中，例如，所述响应延时可以为中断应答延时，如图3所示，测试板Tester与节点之间通过两类线相连，RI是“读指示”信号，由Tester输出，作为节点的输入；DATA是数据，由节点输出，作为Tester的输入。节点内部的CPU(微处理器)用于对Tester发出的RI信号进行应答，并完成对内部数据的读取和发送。节点内部的系统时钟/本地时钟(COUNT)用于对虚拟晶振脉冲信号进行计数，系统时钟内部的计数值即为n。

评估时间t是由Tester送出的，在Tester发送RI信号的同时，启动Tester内部计时器进行计时，评估时间t的获取可以分为3个步骤：

步骤1，由Tester发出RI信号开始，由CPU捕获到该信号结束；

步骤2，由CPU进入中断响应开始获取系统时钟的计数值n开始，由CPU获取完计数值n并对数据开始应答结束；

步骤3，由数据应答开始，由Tester接收到该应答信号以准备接收该数据，接收该数据后结束，Tester内部计时器停止计时。

由于Tester与节点之间的导线延时可以忽略不计，所以对于步骤1和步骤3的延时可以忽略不计，这样评估时间t就等于步骤2的时间，而步骤2的时间等于CPU中断应答延时(τ)与系统时钟的计数值所累加时间(nT+θ)的和，所以评估时间t＝τ+(nT+θ)。

对于公式t＝τ+(nT+θ)，其中，nT+θ正是在对节点系统时钟的计数值的变化时序进行分析时的时间t＝t₁+t₂，所以至此，获取到了系统时钟的计数值n及评估时间t，不同之处在于获取到的评估时间t多了一个中断应答延时τ，其中，τ≥0，只要τ足够小，就可以把该评估时间t带入式(2)，则式(2)中的t＝t-τ，所以式(2)可以表示为：nT≤t+τ-θ<(n+1)T，在获取n和t的过程中，需要对n和t进行多次实验，所以公式nT≤t+τ-θ<(n+1)T可以进一步转换为：

n_jT≤t_j+τ_j-θ<(n_j+1)T式(3)

对式(3)作变换，有以下条件成立：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;{n_j}^{\left(i\right)}{T}^{\left(i\right)}+{\mathrm{\&theta;}}^{\left(i\right)}-t_j\\ {{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}<({n_j}^{\left(i\right)}+1)T^{\left(i\right)}+{\mathrm{\&theta;}}^{\left(i\right)}-t_j\\ {{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$ 式(4)

由式(4)可以得出，在j次实验中，只要实验次数足够多，就可以在τ_j取最小值的条件下，利用式(4)，对T和θ不断进行约束，使T和θ变化范围约束到预设范围内(很小)，得到T和θ在τ_j取最小值条件下的最优估计。因此，将目标函数设定为z＝τ_j。

接着，对获取多个节点的系统时钟的计数器值n和评估时间t进行说明：

如图4所示，将多个节点和时间同步测量板Tester相连接，所述Tester发送“读指示”信号(RI)作为多个节点的输入信号，所述Tester在发送RI信号的同时，启动Tester内部计时器进行计时；

当所述多个节点监测到该“读指示”信号后，分别获取其同步后的各自系统时钟的计数值n，并将该计数值分别发送到Tester；Tester开始对计数值n进行轮询接收，同时，Tester内部计时器停止计时，并读取评估时间t；

计数值n为每个节点自身系统时钟的计数值，表示为n_j ⁽ⁱ⁾，其中，i表示节点的编号；评估时间t则是Tester在送出相同的RI信号后，统一产生的，在这里仍表示为t。同理，对于不同节点的振荡周期T和初始相位θ，分别表示为T⁽ⁱ⁾和θ⁽ⁱ⁾，τ_j ⁽ⁱ⁾表示第i个节点第j次通信的CPU中断延时。

对于多个节点，式(3)n_jT≤t_j+τ_j-θ<(n_j+1)T可以进一步转换为：

n_j ⁽ⁱ⁾T⁽ⁱ⁾≤t_j+τ_j ⁽ⁱ⁾-θ⁽ⁱ⁾<(n_j ⁽ⁱ⁾+1)T⁽ⁱ⁾式(5)

对式(5)作变换，有以下条件成立：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;{n_j}^{\left(i\right)}{T}^{\left(i\right)}+{\mathrm{\&theta;}}^{\left(i\right)}-t_j\\ {{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}<({n_j}^{\left(i\right)}+1)T^{\left(i\right)}+{\mathrm{\&theta;}}^{\left(i\right)}-t_j\\ {\mathrm{\&tau;}}_j\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$ 式(6)

同理，由式(6)可以看出，在对i个节点的j次实验中，只要实验次数足够多，就可以在i个节点的每个τ_j分别取最小值的条件下，利用式(6)，分别对i个节点的T和θ不断进行约束，使T和θ变化范围约束到预设范围内(很小)，得到T和θ在每个节点在各自的τ_j取最小值条件下的最优估计。因此，将目标函数设定为z⁽ⁱ⁾＝τ_j ⁽ⁱ⁾，目标函数z⁽ⁱ⁾＝τ_j ⁽ⁱ⁾的约束条件设定为：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;{n_j}^{\left(i\right)}{T}^{\left(i\right)}+{\mathrm{\&theta;}}^{\left(i\right)}-t_j\\ {{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}<({n_j}^{\left(i\right)}+1)T^{\left(i\right)}+{\mathrm{\&theta;}}^{\left(i\right)}-t_j\\ {\mathrm{\&tau;}}_j\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$ 式(6)

对目标函数z⁽ⁱ⁾＝τ_j ⁽ⁱ⁾及其约束条件进行分析，设T⁽ⁱ⁾＝x₁ ⁽ⁱ⁾，θ⁽ⁱ⁾＝x₂ ⁽ⁱ⁾，由于要求目标函数z⁽ⁱ⁾的最小值，所以在j次通信中，当τ_j ⁽ⁱ⁾每次都取最小值时，即z⁽ⁱ⁾取得最小值。所以，在j次通信中，每次对τ_j ⁽ⁱ⁾取值为其约束条件中的最小值n_j ⁽ⁱ⁾T⁽ⁱ⁾+θ⁽ⁱ⁾-t_j。

对式(6)作变换，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{n_j}^{\left(i\right)}{x_1}^{\left(i\right)}+{x_2}^{\left(i\right)}\&le;t_j\\ -({n_j}^{\left(i\right)}+1){x_1}^{\left(i\right)}-{x_2}^{\left(i\right)}<-t_j\end{array}\right.$ 式(7)

由于t_j≥n_j ⁽ⁱ⁾x₁ ⁽ⁱ⁾+x₂ ⁽ⁱ⁾，τ_j ⁽ⁱ⁾≥0，经过转化后，将目标函数定义为：z⁽ⁱ⁾ _min＝-z⁽ⁱ⁾，现在问题转化为：求最优估计x⁽ⁱ⁾＝(x₁ ⁽ⁱ⁾,x₂ ⁽ⁱ⁾)及最小值z_min ⁽ⁱ⁾。

将τ_j ⁽ⁱ⁾＝n_j ⁽ⁱ⁾x₁ ⁽ⁱ⁾+x₂ ⁽ⁱ⁾-t_j带入z⁽ⁱ⁾ _min＝-z⁽ⁱ⁾，得到式(8)：

$\begin{array}{c}{z_{\min }}^{\left(i\right)}=t_j-({n_j}^{\left(i\right)}{x_1}^{\left(i\right)}+{x_2}^{\left(i\right)})\\ S.t.:\\ \left\{\begin{array}{c}{n_j}^{\left(i\right)}{x}_1+{x_2}^{\left(i\right)}\&le;t_j\\ -({n_j}^{\left(i\right)}+1){x_1}^{\left(i\right)}-{x_2}^{\left(i\right)}<-t_j\end{array}\right.\end{array}$ 式(8)

式(8)中，S.t.表示约束条件。

根据式(8)，取3个节点进行测量，如图4所示，N＝3，利用matlab工具通过线性规划函数，对z_min ⁽ⁱ⁾进行求解，结果如下:

对于第1个同步后的节点:

x⁽¹⁾＝(x₁ ⁽¹⁾,x₂ ⁽¹⁾)＝(T,θ)＝(0.305193246119197,0.162551880825747)*1.0e-004

对于第2个同步后的节点:

x⁽²⁾＝(x₁ ⁽²⁾,x₂ ⁽²⁾)＝(T,θ)＝(0.305193799475126,0.161301631709953)*1.0e-004

对于第3个同步后的节点:

x⁽³⁾＝(x₁ ⁽³⁾,x₂ ⁽³⁾)＝(T,θ)＝(0.305194604190248,0.161746791025858)*1.0e-004

对三个节点的系统时钟的振荡周期T和初始相位θ进行对比，可知它们的同步精度存在微小的误差，测量精度较高。

接着，根据以上所述方法对时间同步的性能进行评估。具体的，若得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位均相同，则表明所有节点达到完全同步；若得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位之间存在偏差，则对该偏差进行分析，偏差较小者，同步性能较好。

实施例二

本发明还提供一种无线传感器网络时间同步性能评估系统的具体实施方式，由于本发明提供的无线传感器网络时间同步性能评估系统与前述无线传感器网络时间同步性能评估方法的具体实施方式相对应，该无线传感器网络时间同步性能评估系统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，因此上述无线传感器网络时间同步性能评估方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的无线传感器网络时间同步性能评估系统的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

参看图5所示，本发明实施例还提供一种无线传感器网络时间同步性能评估系统，包括：多个节点和外部评估单元，其中，各节点分别与所述外部评估单元相连；

节点101，用于在收到外部评估单元的请求后，节点中的微处理器立刻计算自身的内部存储的系统时间，并送到外部评估单元；

外部评估单元102，用于向节点发送请求，请求节点的内部系统时间，该内部时间是同步后的系统时间。

本发明实施例所述的无线传感器网络时间同步性能评估系统，在多个已知精确时钟值的评估时刻，外部评估单元向各节点发出请求；各节点在收到请求后，经历一段较短且无法避免和难以准确测量的响应延时后，对外部评估单元响应该节点当前的系统时钟计数值，并由外部评估单元收集各节点的响应再通过本发明实施例提供的无线传感器网络时间同步性能评估方法对各节点同步后的时钟性能进行测量评价，其中，所述外部评估单元包括：一个精度远高于节点时钟精度的时钟源。

在前述无线传感器网络时间同步性能评估系统的具体实施方式中，进一步地，所述节点包括：

射频模块，用于发送与接收无线射频信号；

主控模块，用于控制射频信号的收发、内部系统时间的读取以及控制数据的传输；

扩展模块，用于将节点的测试信号通过扩展插槽外接出来，以与外部评估单元进行连接，其中，测试信号包括：内部系统时间。

在前述无线传感器网络时间同步性能评估系统的具体实施方式中，进一步地，所述外部评估单元包括：

可编程模块，用于对测试数据进行实时采集处理，其中，测试数据包括：节点的内部系统时间、外部评估单元的时钟源的时钟值；

传输模块，用于将可编程模块采集到的数据传输到PC机；

扩展模块，用于将外部评估单元的请求信号接口及数据采集接口通过扩展插槽外接出来，以与节点进行连接。

本发明实施例中，由PC机通过本发明实施例提供的无线传感器网络时间同步性能评估方法对各节点同步后的时钟性能进行测量评价。

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)

1.一种无线传感器网络时间同步性能评估方法，其特征在于，包括：

获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值；

根据不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，利用数学规划手段对节点同步后的系统时钟的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计；

根据得到的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计，对各节点的时间同步性能进行评估。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络时间同步性能评估方法，其特征在于，所述获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值包括：

接收读指示信号，读取各节点的系统时钟的计数值；

获取各节点的评估时间，所述各节点的评估时间表示为：

t_j＝τ_j ⁽ⁱ⁾+(n_j ⁽ⁱ⁾T⁽ⁱ⁾+θ⁽ⁱ⁾)

式中，i表示节点的编号，j表示通信次数的编号，t_j表示第j次通信的评估时间，τ_j ⁽ⁱ⁾表示第i节点第j次从请求时刻到节点取得内部系统时间时刻之间的响应延时，n_j ⁽ⁱ⁾表示第i节点第j次系统时钟的计数值，n_j ⁽ⁱ⁾是节点用于表示系统时间的整数值，T⁽ⁱ⁾表示第i节点的系统时钟的振荡周期，θ⁽ⁱ⁾表示第i节点的系统时钟的初始相位，θ⁽ⁱ⁾是n取0时节点获得的系统时间对应的外部基准时间。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络时间同步性能评估方法，其特征在于，所述根据不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，利用数学规划手段对节点同步后的系统时钟的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计包括：

根据获取到的不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，确定求解各节点的系统时钟的振荡周期及初始相位的最优估计的目标函数及所述目标函数的约束条件；

在各节点的目标函数取最小值时，对每个节点的系统时钟的振荡周期及初始相位不断进行约束，将系统时钟的振荡周期及初始相位的变化范围约束在预设范围内，得到各节点的系统时钟的振荡周期及初始相位的最优估计。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络时间同步性能评估方法，其特征在于，所述目标函数为：

z⁽ⁱ⁾＝τ_j ⁽ⁱ⁾；

所述目标函数的约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;{n_j}^{\left(i\right)}{T}^{\left(i\right)}+{\mathrm{\&theta;}}^{\left(i\right)}-t_j\\ {{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}<({n_j}^{\left(i\right)}+1)T^{\left(i\right)}+{\mathrm{\&theta;}}^{\left(i\right)}-t_j\\ {{\mathrm{\&tau;}}_j}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

式中，i表示节点的编号，j表示通信次数的编号，t_j表示第j次通信的评估时间，τ_j ⁽ⁱ⁾表示第i节点第j次从请求时刻到节点取得内部系统时间时刻之间的响应延时，n_j ⁽ⁱ⁾表示第i节点第j次系统时钟的计数值，n_j ⁽ⁱ⁾是节点用于表示系统时间的整数值，T⁽ⁱ⁾表示第i节点的系统时钟的振荡周期，θ⁽ⁱ⁾表示第i节点的系统时钟的初始相位，θ⁽ⁱ⁾是n取0时节点获得的系统时间对应的外部基准时间。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络时间同步性能评估方法，其特征在于，所述根据得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计，对各节点的时间同步性能进行评估包括：

若得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位均相同，则表明所有节点达到完全同步；

若得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位之间存在偏差，则对该偏差进行分析，对各节点的时间同步性能进行评估。

6.一种无线传感器网络时间同步性能评估系统，其特征在于，包括：多个节点和外部评估单元，其中，各节点分别与所述外部评估单元相连；

节点，用于在收到外部评估单元的请求后，节点中的微处理器立刻计算自身的内部存储的系统时间，并送到外部评估单元；

外部评估单元，用于向节点发送请求，请求节点的内部系统时间，该内部时间是同步后的系统时间。

7.根据权利要求6所述的无线传感器网络时间同步性能评估系统，其特征在于，所述节点包括：

射频模块，用于发送与接收无线射频信号；

主控模块，用于控制射频信号的收发、内部系统时间的读取以及控制数据的传输；

扩展模块，用于将读取的内部系统时间通过扩展插槽外接出来，以与外部评估单元进行连接。

8.根据权利要求6所述的无线传感器网络时间同步性能评估系统，其特征在于，所述外部评估单元包括：

可编程模块，用于对测试数据进行实时采集处理；

传输模块，用于将可编程模块采集到的数据传输到PC机；

扩展模块，用于将外部评估单元的请求信号接口及数据采集接口通过扩展插槽外接出来，以与节点进行连接。