CN105704808B - 多跳自组织网络的分布式时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多跳自组织网络的分布式时间同步方法，涉及通信方法技术领域。所述方法将所述多跳自组织网络中的每个节点分为空闲态、中心态和接接收态三种状态，处于空闲态的节点没有参与时间同步过程，处于中心态的节点主动发起同步请求，处于接收态的节点只参与对应中心态节点的同步，而忽略后续的其它同步请求，直到此次同步交互结束；邻域内不同的中心态节点向其一跳邻域内时钟最快的节点进行一次或多次时间同步，直到所述网络中的任意两个节点之间的时钟偏差最大值满足精度要求为止。所述方法适用于多跳自组织网络，具有计算量小、精度高、对网络规模不敏感的特点。

Description

多跳自组织网络的分布式时间同步方法

技术领域

本发明涉及通信方法技术领域，尤其涉及一种多跳自组织网络的分布式时间同步方法。

背景技术

自组织网络是一个无基础设施、无中心节点、各个节点对等的网络。就其MAC(Media Access Control，介质访问控制)协议的研究领域而言，基于TDMA(Time DivisionMultiple Access，时分多址)的MAC协议相比于基于竞争的MAC协议具有更好的吞吐量、QoS(Quality of Service，服务质量)支持及公平性等优点。然而，基于TDMA的MAC协议需要解决两个关键问题：一是时间同步问题；二是时隙分配问题。时间同步是时隙分配的前提，全网的时间同步精度影响着整个协议的无冲突传输的性能。因此，时间同步问题的解决显得至关重要。

传统的时间同步方法主要有以下几类：(1)外同步：各个节点采用外部统一的绝对时钟基准同步，如GPS(Global Positioning System，全球定位系统)。但对于自组织网络而言，各个节点装备GPS是一种额外的硬件成本，且需考虑GPS的耗能问题。(2)主从同步：各个从节点根据主控节点发出的同步信息进行同步交互。由于自组织网络的移动性和无中心特性，再加之主控节点故障的不可靠性，主从同步方法的性能并不理想。如TPSN协议(参见文献：S.Ganeriwal,R.Kumar,M.Srivastava,Timing-Sync protocol for sensornetworks.Proceedings of First International Conference on Embedded NetworkedSensor Systems,Los Angeles,California,November 2003.)，节点只能向等级比自己小1的节点同步，同步误差随等级层层累积，且易受节点故障的影响。(3)互同步：该类同步方法不需要选择专门的参考节点，网络中的节点分布式地采用某种同步算法发起同步过程，调整自己的时钟。如IEEE802.11标准中的TSF(Time Synchronization Function)算法，节点通过竞争方式发送携带时间戳的信标进行同步，时钟慢的节点向时钟快的节点同步。若时钟快的节点因为传输冲突的缘故长期发送不了信标，那么同步效率将十分低效。此外，互同步的同步方法通常受网络扩展性问题的制约，多跳网络的同步精度往往没有单跳网络好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种跳自组织网络的分布式时间同步方法，所述方法用于多跳自组织网络，对网络规模不敏感，计算量小，精度高。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种多跳自组织网络的分布式时间同步方法，其特征在于：将所述多跳自组织网络中的每个节点分为空闲态、中心态和接接收态三种状态，处于空闲态的节点没有参与时间同步过程，处于中心态的节点主动发起同步请求，处于接收态的节点只参与对应中心态节点的同步，而忽略后续的其它同步请求，直到此次同步交互结束；邻域内不同的中心态节点向其一跳邻域内时钟最快的节点进行一次或多次时间同步，直到所述网络中的任意两个节点之间的时钟偏差最大值满足精度要求为止。

进一步的技术方案在于：所述方法具体包括如下步骤：

1)当多跳自组织网络中的节点有时间同步请求时，该节点的状态由空闲态转为中心态，向其一跳邻居节点广播SR分组，同时SR分组携带中心态节点的发包时刻T₁，其中SR表示同步请求；

2)所有的一跳邻居节点接收SR分组，由空闲态转为接收态，同时以各自的时钟基准记录下接收时刻T₂，即对于中心态节点的任意邻居节点i,i∈N，有接收时刻其中N为中心态节点的一跳邻居集；

3)任意邻居节点i向中心态节点回复SA分组，分组中携带SR的接收时刻和SA的发包时刻SR的接收时刻和SA的发包时刻以各邻居节点自己的时间为基准，其中SA是指同步确认；

4)中心节点收到各个邻居节点i包含和的SA分组后，记录下对应的SA分组的接收时刻此时，中心态节点有一张的时刻表，表共|N|项，每项对应一个邻居节点i的4个时刻

5)中心态节点从表中找出值最大的一项，记为其中max为T₂时刻值最大的对应邻居节点的标号，利用公式δ＝((T₂-T₁)-(T₄-T₃))/2，计算出中心态节点与时钟最快邻居max之间的时钟偏差δ；

6)若δ＞0，表示中心态节点时钟慢于邻居节点max时钟，中心态节点按t′＝t+δ修正自己的本地时钟，设置其中，t表示修正前中心态节点的时钟，t′表示修正后中心态节点的时钟，T₅表示中心态节点的一跳邻域内的最快时钟基准；若δ＜＝0，表示中心态节点时钟等于或快于邻居节点max的时钟，中心态节点不用修正本地时钟，设置之后，中心态节点广播携带T₅时刻值的STA分组给邻居节点i，由中心态转为空闲态，其中STA表示同步时间校正；

7)任意邻居节点i接收STA分组，按修正自己的本地时钟，由接收态转为空闲态，其中i∈N，t_i表示任意邻居节点i修正前的时钟，t_i′表示任意邻居节点i修正后的时钟；

8)节点以一定的频率再次发起同步请求，转步骤1)-7)，进行下一次同步迭代，直到满足时间同步精度为止。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法通过三种带时间戳的同步包的交互机制，实现了一种分布式、高精度、适用于多跳自组织网络、对网络规模不敏感的、计算量小的时间同步方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是实施例二中多跳自组织网络拓扑图；

图2是实施例二网络中各节点的初始化状态图；

图3是实施例二经过一段时间后节点2首先发起同步请求的状态图；

图4是实施例二中与中心态节点2距离最短的一跳邻居节点3的SR分组接收情况图；

图5是实施例二中与中心态节点2距离稍远的邻居节点1和节点5的SR分组接收情况图；

图6是实施例二中节点3的SA分组发送过程；

图7是实施例二中节点3的SA分组被节点2接收的过程；

图8是实施例二中节点1向节点2发送SA分组；

图9是实施例二中节点2收到节点1的SA分组；

图10-11是实施例二中节点5向节点2回复SA分组的发送和接收过程；

图12是实施例二中中心态节点2处所搜集的关于邻居集的时刻表；

图13是实施例二中节点2修正本地时钟并广播STA分组的过程；

图14是实施例二中节点3收到STA分组，根据STA分组中的T₅时刻值来调整自己的本地时钟的过程；

图15是实施例二中节点1和5收到STA分组的情况；

图16是实施例二中节点1发起了新的一次同步请求的状态图；

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

总体的，本发明公开了一种多跳自组织网络的分布式时间同步方法，所述方法将所述多跳自组织网络中的每个节点分为空闲态、中心态和接接收态三种状态，处于空闲态的节点没有参与时间同步过程，处于中心态的节点主动发起同步请求，处于接收态的节点只参与对应中心态节点的同步，而忽略后续的其它同步请求，直到此次同步交互结束；邻域内不同的中心态节点向其一跳邻域内时钟最快的节点进行一次或多次时间同步，直到所述网络中的任意两个节点之间的时钟偏差最大值满足精度要求为止。

具体的，所述方法包括如下步骤：

1)当多跳自组织网络中的节点有时间同步请求时，该节点的状态由空闲态转为中心态，向其一跳邻居节点广播SR分组，同时SR分组携带中心态节点的发包时刻T₁，其中SR(Synchronization Request)表示同步请求；

2)所有的一跳邻居节点接收SR分组，由空闲态转为接收态，同时以各自的时钟基准记录下接收时刻T₂，即对于中心态节点的任意邻居节点i,i∈N，有接收时刻其中N为中心态节点的一跳邻居集；

3)任意邻居节点i向中心态节点回复SA分组，分组中携带SR的接收时刻和SA的发包时刻SR的接收时刻和SA的发包时刻以各邻居节点自己的时间为基准，其中SA(Synchronization Acknowledge)是指同步确认；

4)中心节点收到各个邻居节点i包含和的SA分组后，记录下对应的SA分组的接收时刻此时，中心态节点有一张的时刻表，表共|N|项，每项对应一个邻居节点i的4个时刻

5)中心态节点从表中找出值最大的一项，记为其中max为T₂时刻值最大的对应邻居节点的标号，利用公式δ＝((T₂-T₁)-(T₄-T₃))/2，计算出中心态节点与时钟最快邻居max之间的时钟偏差δ；

6)若δ＞0，表示中心态节点时钟慢于邻居节点max时钟，中心态节点按t′＝t+δ修正自己的本地时钟，设置其中，t表示修正前中心态节点的时钟，t′表示修正后中心态节点的时钟，T₅表示中心态节点的一跳邻域内的最快时钟基准；若δ＜＝0，表示中心态节点时钟等于或快于邻居节点max的时钟，中心态节点不用修正本地时钟，设置之后，中心态节点广播携带T₅时刻值的STA分组给邻居节点i，由中心态转为空闲态，其中STA(Synchronization Time Adjust)表示同步时间校正；

7)任意邻居节点i接收STA分组，按修正自己的本地时钟，由接收态转为空闲态，其中i∈N，t_i表示任意邻居节点i修正前的时钟，t_i′表示任意邻居节点i修正后的时钟；

8)节点以一定的频率再次发起同步请求，转步骤1)-7)，进行下一次同步迭代，直到满足时间同步精度为止。

实施例二

本发明公开了一种多跳自组织网络的分布式时间同步方法，所述方法将所述多跳自组织网络中的每个节点分为空闲态、中心态和接接收态三种状态，处于空闲态的节点没有参与时间同步过程，处于中心态的节点主动发起同步请求，处于接收态的节点只参与对应中心态节点的同步，而忽略后续的其它同步请求，直到此次同步交互结束；邻域内不同的中心态节点向其一跳邻域内时钟最快的节点进行一次或多次时间同步，直到所述网络中的任意两个节点之间的时钟偏差最大值满足精度要求为止。

网络拓扑示例如图1所示，在本实施例中共5个节点形成多跳自组织网络。通信半径R为300米，节点3与其余节点的距离均为180米，节点2与节点1、5距离300米，节点4与节点1、5距离300米。网络拓扑对应的空中传播时延矩阵D为(单位：微秒)：

网络中各节点的初始化状态如图2所示，节点1至节点5的同步初始状态都为空闲。节点1至节点5的初始时钟基准分别为10.3毫秒、1.5毫秒、7.2毫秒、5.8毫秒以及0.5毫秒。由此可知，网络中的初始最大时钟偏差ΔT_max＝10.3-0.5＝9.8毫秒。

如图3所示，当时间过了0.3毫秒后，节点2首先发起了同步请求，向其一跳邻居广播SR(Synchronization Acknowledge，同步确认)分组。此时，节点2的状态由空闲态转为中心态，以自己的时钟为基准记录SR分组的发送时刻，并将其携带于SR分组中发出。由图可知，T₁＝1.8毫秒。

图4表示的是与中心态节点2距离最短的一跳邻居节点3的SR分组接收情况，接收到SR分组后，状态由空闲转为接收。根据空中传播时延矩阵D，节点3的SR分组接收时刻T₂为毫秒；

图5表示与中心态节点2距离稍远的邻居节点1和节点5接收SR分组在时间上相对于节点3会延迟0.4微秒。因此，基本上可以近似地认为SR分组是一种对节点2的邻居们在同一时间的时间采样，而采用值则以各自邻居的时钟为基准。根据空中传播时延矩阵D，节点1和节点5的SR分组接收时刻分别为毫秒、毫秒；

图6表示的是节点3的SA分组发送过程。节点3在收到SR分组后，根据本发明的所述方法，需回复一个SA分组，以确认同步请求。此时，节点3以自己的时间为基准记录SA分组的发送时刻毫秒，并将SR分组接收时刻和SA分组发送时刻一同包括在SA分组中发送至节点2；

图7展示的是节点3的SA分组被节点2接收的过程。节点2收到节点3的SA分组后，以自己的时钟基准记录收包时刻毫秒，并解析包中的信息，在时刻表上便增加了一项

图8表明节点1向节点2发送SA分组，其中毫秒；

图9表明节点2收到节点1的SA分组，其中毫秒；

图10表明节点5向节点2回复SA分组的发送和接收过程，其中毫秒；

图11表面节点5向节点2回复SA分组的发送和接收过程，其中毫秒；

图12列出了中心态节点2处所搜集的关于邻居集的时刻表。根据本发明所述方法，T₂时刻值最大的一项为节点1的(1.8,10.601,12.1015,3.3025)。因此节点1为节点2的一跳邻居中时刻最快的节点。利用TPSN公式(δ＝((T₂-T₁)-(T₄-T₃))/2)计算节点2与节点1的时钟偏差δ＝((10.601-1.8)-(3.3025-12.1015))/2＝8.8毫秒，δ＞0，表明节点1是节点2的邻域内(包括节点2)时钟最快的节点，节点2要向最快时钟节点1同步，而时间的修正量是δ。

图13表明节点2修正本地时钟并广播STA分组的过程。由于δ＞0，节点2需按t′＝t+δ修正本地时钟毫秒，因为δ＞0，所以节点2将T₅包含在STA分组中广播至邻居，同时状态由中心转为空闲，表明此次同步的结束；

图14表示节点3首先收到了STA分组，根据STA分组中的T₅时刻值来调整自己的本地时钟毫秒，与此同时，节点3的状态由接收转为空闲，表明此次参与的同步过程结束；

图15描绘了节点1和5收到STA分组的情况，并且都做出了相应的时钟修正。对于节点1而言，它是邻域中时钟最快的节点，收到的STA分组中的T₅时刻值其实就等于因此，节点1的本地时钟修正量为零，具体的修正情况为：毫秒，对于节点5而言，其修正情况为：毫秒，两个节点的状态都由接收转变为空闲，至此，节点2发起的同步过程完全结束。由于本发明的分布式特性，网络中的其它节点同样可以发起同步请求。

如图16所示，节点1发起了新的一次同步请求。在经过三种带时间戳的分组交换机制之后，节点1、2、3、4又进行了一次局部范围的时间同步。从图中可知，经过2次同步请求后，整个网络中的节点1至5的时钟分别为16.7354、16.735、16.7354、16.735、16.735(单位：毫秒)。网络中的任意两个节点直接的时钟偏差最大值：ΔT_max＝16.7354-16.735＝0.0004毫秒，

对于本实例而言，最大时钟偏差由初始的9.8毫秒缩小到了0.4微秒仅用了2次同步请求，由分布式特性，平均到整个网络，则平均每个节点发起0.4次的同步请求即可完成0.4微秒精度的同步效果。从这个简单的实例反映出本发明的同步收敛速度快，且同步精度高。

本发明将一个节点的通信范围建模为一个以自己为中心的圆，广播分组到达任意两个节点的时间差为Δt_ij＝Δd_ij/v(v＝3×10⁸m/s)，两节点到圆心的距离差Δd_ij通常在百米量级，可以推算时间差Δt_ij只在个位数us量级(以距离差Δd_ij＝300m为例，时间差Δt_ij＝1us)。因此，可近似的认为广播分组同时到达各个邻居节点，可以将中心态节点广播的SR分组视为一种对邻居集的时间采样手段，而则是以各自邻居节点的时间基准在同一时间获得的采样值。其中，则是一跳邻居中时钟最快的节点的采样值，T₅则是计算出的邻域内(包括中心态节点及其一跳邻居)的时钟最快的节点的采样值。因此，整个邻域内的节点可以根据修正与邻域时钟最快节点的时钟偏差。在引入因距离差引起的极小同步误差的同时，消除了传统同步方法的诸多因素引起的误差，如发送包的产生、送达网络设备接口、等待信道访问等所花费的时间。

本发明的关键之处在于邻域内(包括中心态节点)的节点都向邻域内时钟最快的节点同步的策略，将同步范围缩小到局部范围，对网络规模不敏感，也适合多跳网络环境。而且，一个节点的同步请求会导致其一跳邻居的节点都参与时间同步，加速了整个网络的同步收敛速度。本发明的分布式特性体现在网络中的节点既可以由空闲态转为中心态，发起同步请求；也可以由空闲态转为接收态，参与相应的同步过程。只进行一次TPSN协议的公式计算而实现了整个邻域的同步，降低了协议运算复杂度。由于本发明可以由网络中的节点分布式执行，只要全网时钟最快节点根据本方法发起同步请求，就可将最快时钟扩散到其一跳范围内。若其一跳邻居比时钟最快节点先发起同步，则同步效率会更高，因为一跳邻居不仅实现了向最快时钟节点同步，而且还让时钟最快节点的部分两跳邻居也实现了同步。假设多跳自组织网络是全连通的网络拓扑，那么按照本发明的同步迭代算法，最快的时钟基准将会扩散至全网，从而实现整个网络的同步。

Claims (1)

1.一种多跳自组织网络的分布式时间同步方法，其特征在于：将所述多跳自组织网络中的每个节点分为空闲态、中心态和接收态三种状态，处于空闲态的节点没有参与时间同步过程，处于中心态的节点主动发起同步请求，处于接收态的节点只参与对应中心态节点的同步，而忽略后续的其它同步请求，直到此次同步交互结束；邻域内不同的中心态节点向其一跳邻域内时钟最快的节点进行一次或多次时间同步，直到所述网络中的任意两个节点之间的时钟偏差最大值满足精度要求为止；

所述的多跳自组织网络的分布式时间同步方法具体包括如下步骤：

1)当多跳自组织网络中的节点有时间同步请求时，该节点的状态由空闲态转为中心态，向其一跳邻居节点广播SR分组，同时SR分组携带中心态节点的发包时刻T₁，其中SR表示同步请求；

2)所有的一跳邻居节点接收SR分组，由空闲态转为接收态，同时以各自的时钟基准记录下接收时刻T₂，即对于中心态节点的任意邻居节点i,i∈N，有接收时刻其中N为中心态节点的一跳邻居集；

3)任意邻居节点i向中心态节点回复SA分组，分组中携带SR的接收时刻和SA的发包时刻SR的接收时刻和SA的发包时刻以各邻居节点自己的时间为基准，其中SA是指同步确认；

4)中心节点收到各个邻居节点i包含和的SA分组后，记录下对应的SA分组的接收时刻此时，中心态节点有一张的时刻表，表共|N|项，每项对应一个邻居节点i的4个时刻

5)中心态节点从表中找出值最大的一项，记为其中max为T₂时刻值最大的对应邻居节点的标号，利用公式δ＝((T₂-T₁)-(T₄-T₃))/2，计算出中心态节点与时钟最快邻居max之间的时钟偏差δ；

6)若δ＞0，表示中心态节点时钟慢于邻居节点max时钟，中心态节点按t′＝t+δ修正自己的本地时钟，设置T₅＝T₂ ^max，其中，t表示修正前中心态节点的时钟，t′表示修正后中心态节点的时钟，T₅表示中心态节点的一跳邻域内的最快时钟基准；若δ＜＝0，表示中心态节点时钟等于或快于邻居节点max的时钟，中心态节点不用修正本地时钟，设置T₅＝T₂ ^max-δ；之后，中心态节点广播携带T₅时刻值的STA分组给邻居节点i，由中心态转为空闲态，其中STA表示同步时间校正；

7)任意邻居节点i接收STA分组，按修正自己的本地时钟，由接收态转为空闲态，其中i∈N，t_i表示任意邻居节点i修正前的时钟，t_i′表示任意邻居节点i修正后的时钟；

8)节点以一定的频率再次发起同步请求，转步骤1)-7)，进行下一次同步迭代，直到满足时间同步精度为止。