CN106686715A - 一种基于tdma的无线传感器网络时间同步时间源维护方法 - Google Patents

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赵晓全
牛泽田
赵雪峰
杜方
孙金
张士宏
张琼
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Abstract

本发明涉及一种基于TDMA的无线传感器网络时间同步时间源维护方法，将无线传感器网络的根节点上电或复位启动，作为时间源；已入网的节点周期性发送带有时间源层级参数的广播报文；待入网的节点通过监听广播报文来获取周围已入网节点的时间源层级参数，并选择时间源层级参数最小的节点作为同步点进行时间同步；执行入网，并发送带有时间源层级参数的广播报文。本发明可以评估出同步点距离时间源的远近，最大限度上减少因网络拓扑的增加而引起的全网时间同步累积误差，提高网络的健壮性，避免节点之间互为同步点。

Description

一种基于TDMA的无线传感器网络时间同步时间源维护方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络中时间同步领域，具体的说是一种基于TDMA的无线传感器网络时间同步时间源维护方法。
背景技术
无线传感器网络是由大量形体较小、能源受限并且配置有计算能力和无线通信能力的传感器节点以Mesh方式组成，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。
无线传感器网络是一个分布式系统，而时间同步是所有分布式系统都需要解决的一个重要问题。在分布式系统中，由于物理上的分散性，系统无法为彼此间相互独立的模块提供一个统一的全局时钟，必须由各个模块各自维护它们的本地时钟。由于这些本地时钟的计时速率、运行环境存在不一致性，因此即使所有的本地时钟在某一时刻都被校准，一段时间后，这些本地时钟也会出现失步。时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个统一时间标度的过程。
无线传感器网络根据MAC协议，大体可以分为载波侦听/多路访问(Carrier SenseMultiple Access/Collision Detection,CSMA/CD)和时分复用(time division multipleaccess,TDMA)两种类型。而时间同步又是基于时分复用需要协同工作的无线传感器网络的一个关键机制。时间同步共分为时间同步算法和时间同步时间源维护机制两部分，良好的时间同步时间源维护机制能够增加无线传感器网络的覆盖范围、网络生存时间，提高无线传感器网络的健壮性，易于无线传感器网络的扩展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于TDMA的无线传感器网络时间同步时间源维护方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种基于TDMA的无线传感器网络时间同步时间源维护方法，包括以下步骤：
步骤1：将无线传感器网络的根节点上电或复位启动，作为时间源；
步骤2：已入网的节点周期性发送带有时间源层级参数的广播报文；
步骤3：待入网的节点通过监听广播报文来获取周围已入网节点的时间源层级参数，并选择时间源层级参数最小的节点作为同步点进行时间同步；
步骤4：执行入网，并发送带有时间源层级参数的广播报文。
所述时间源层级参数为用于标记距离时间源的层次等级的参数。
所述已入网的节点包括根节点。
节点在执行入网后，发送的广播报文中的时间源层级参数n'＝n+1；其中n'为执行入网节点的时间源层级参数；n为同步点的时间源层级参数，n＝1、2、3......。
当通信链路出现问题时，选择时间源层级参数不大于自身时间源层级参数的节点作为同步点；
判断如果选定的同步点在一定时间内，时间源层级参数不变，则执行时间同步过程；否则重新选择同步点。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明引入时间源层级参数，可以据此评估出同步点距离时间源的远近。
2.本发明在节点入网选择同步点时，根据时间源层级参数的选择策略，可以最大限度上减少全网时间同步累积误差。
3.本发明在节点工作过程中，因通信链路出现问题而需要重新选择同步点的策略，可以最大限度上减少因网络拓扑的增加而引起的全网时间同步累积误差、可以提高网络的健壮性。
4.本发明在节点工作过程中，因通信链路出现问题而需要重新选择同步点后，在约定的时间内所选定的同步点的时间源层级参数不变的策略，可以避免节点之间互为同步点。
附图说明
图1为节点在入网状态下的同步点选择流程图；
图2为节点在工作状态下的同步点选择流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明所涉及的概念如下：
时间源：无线传感器网络中的唯一一个参考时钟。
同步点：节点所选定的时间同步参考节点。
时间源层级参数：标记距离时间源层次等级的参数。根节点设置为一，次级节点设置为二，以此类推。
广播报文：根节点、节点加入无线传感器网络后，周期性发送的、带有时间源层级参数的、不指定报文目的地址任何节点都可以接收的报文。
本发明主要包括：根节点自动作为网络中的唯一时间源；节点在入网状态、工作状态根据时间源层级参数进行选择同步点；在工作状态重新选择同步点后，需要对选定的同步点稳定性进行评定。
如图1所示为节点在入网状态下的同步点选择流程图。
具体包括以下步骤：
无线传感器网络的根节点上电工作后，自动作为时间同步固定的、永久的时间源。
根节点的时间源层级参数设置为一，并周期性发送广播报文。
节点在入网前，需进行时间同步。在进行时间同步时，首先监听所有在网节点发送的广播报文。根据广播报文中的时间源层级参数进行选定同步点。选定同步点后，进行时间同步。节点自身的时间源层级参数设置为同步点该参数基础上加一。无线传感器网络开始组建时，根节点自动成为全网唯一的时间源，并规定时间源层级参数为一，通过广播报文周期性发送。
待入网节点根据所监听到的广播报文中的时间源层级参数进行选择时间源，选择的策略是选择时间源层级参数中的最小的一个节点作为自身的同步点。
如图2所示为节点在工作状态下的同步点选择流程图。
节点加入完成后，周期性发送广播报文，广播报文中带有节点自身的时间源层级参数。节点入网后，将自身的时间源层级参数设置为自身所选择的同步点的时间源层级参数加一，并周期性发送带有自身时间源层级参数的广播报文。选择的策略是选择时间源层级参数中小于等于自身时间源层级参数的节点作为自身的时间同步时间源。
节点入网后，因通信链路出现问题需要重新选择同步点。对于重新选定的同步点，需要评定该同步点的稳定性。重新选定的同步点是否稳定的判断依据是在约定的时间内所选定的同步点的时间源层级参数不变。若在约定的时间内所选定的同步点的时间源层级存数改变，则应重新选择同步点。
节点在工作过程中，若连续五个未听到同步点的广播报文，则视为通信链路出现问题，则需要重新选定同步点。选定同步点的策略为选择时间源层级参数小于等于自身时间源层级参数的节点作为自身的同步点。不能选择比自身的时间源层级参数小的的节点作为同步点，目的是防止向下进行时间同步。选定同步点后，在十个广播发送周期内，同步点的时间源层级参数不能变化，防止相互选择对方作为同步点。若在十个广播发送周期内，时间源层级参数发生改变，则需重新选择同步点。

Claims (5)

1.一种基于TDMA的无线传感器网络时间同步时间源维护方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将无线传感器网络的根节点上电或复位启动，作为时间源；
步骤2：已入网的节点周期性发送带有时间源层级参数的广播报文；
步骤3：待入网的节点通过监听广播报文来获取周围已入网节点的时间源层级参数，并选择时间源层级参数最小的节点作为同步点进行时间同步；
步骤4：执行入网，并发送带有时间源层级参数的广播报文。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDMA的无线传感器网络时间同步时间源维护方法，其特征在于：所述时间源层级参数为用于标记距离时间源的层次等级的参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDMA的无线传感器网络时间同步时间源维护方法，其特征在于：所述已入网的节点包括根节点。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDMA的无线传感器网络时间同步时间源维护方法，其特征在于：节点在执行入网后，发送的广播报文中的时间源层级参数n'＝n+1；其中n'为执行入网节点的时间源层级参数；n为同步点的时间源层级参数，n＝1、2、3......。
5.根据权利要求1所述的一种基于TDMA的无线传感器网络时间同步时间源维护方法，其特征在于：当通信链路出现问题时，选择时间源层级参数不大于自身时间源层级参数的节点作为同步点；
判断如果选定的同步点在一定时间内，时间源层级参数不变，则执行时间同步过程；否则重新选择同步点。
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