CN107949047A - 降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，属于无线网络领域。该方法针对分簇无线传感器网络，将同步过程分为簇内首次时间同步，簇间时间同步和簇内再次时间同步三个步骤。簇内首次同步和簇内再次同步使用最大一致性时间同步方法，分别只需要四次和两次通信；在簇间同步中，所有簇头之间采用最大一致性方法进行同步，簇头消息的交换是通过网关节点的消息转发而实现。因此，本发明在簇间同步中，簇中的普通簇内节点都无需通信，与已有方法中每个周期簇内节点都需要广播或者回复消息相比，能够有效降低同步过程中节点间的通信量并提高收敛速度，延长节点的网络生存时间。
Description
技术领域
本发明属于无线网络领域，涉及一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)因为其具有安装方便，部署灵活和成本效率高等优点被越来越多地应用于自动化中。时间同步是无线传感器网络的一项基本支撑技术。它为无线传感器网络的众多应用，如目标跟踪、节点定位、事件监测、传输调度等提供了必要的基础条件。在过去几十年里，基于不同的应用场景，众多的时间同步协议和算法被提出，这些算法可分为集中式时间同步算法和分布式时间同步算法两类。
集中式时间同步协议大都依赖于参考节点或根节点的时钟来为整个网络提供参考时钟，且依赖于特定的拓扑网络结构。现有的集中式时间同步协议主要包括树形结构和簇形结构两种，具有代表性的协议有Timing-sync Protocol for Sensor Networks(TPSN),Flooding Time Synchronization Protocol(FTSP),Lightweight TimeSynchronization(LTS)，Reference Broadcasts Synchronization(RBS)等，以上算法均需要一个参考时钟。
为了提高协议的鲁棒性和可扩展性，以及克服集中式时间同步算法的不足，完全分布式的时钟同步协议被提出。由于完全分布式的时钟同步协议具有较强的鲁棒性，所以更加适用于实际中无线传感器网络的时钟同步，从而得到了广泛的关注和大量的研究。应用一致性理论来解决传感器网络中的时间同步问题，所设计的时间同步协议被称之为基于一致性的时间同步协议。主要的算法有：(Maximum Time Synchronization)MTS,(AverageTimeSync)ATS,CCS,Global Clock Synchronization(GCS),Distributed TimeSynchronization Protocol(DTSP)。
分簇算法已经被广泛的应用于无线传感器网络。基于分簇技术，一个网络可以被分为若干个重叠的簇，每个簇包括一个簇头和一系列的簇内成员节点。根据特定的机制选出簇头，其负责信息的收集，数据的聚合和簇与簇之间的通信。因此，簇形拓扑结构减少了通信的跳数和节点与节点之间的通信流量，从而降低能耗并延长了网络的使用寿命。将分簇技术和一致性理论相结合，Jie Wu和Liyi Zhang提出了算法Clustered Consensus TimeSynchronization(CCTS)，该算法基于平均一致性算法的线性模型，将同步分为簇内时间同步和簇间时间同步先后两个阶段，以实现全局同步。然而，CCTS算法中簇间通信在簇内通信完成后开始，时钟偏移补偿在时钟斜率补偿完成后开始，导致收敛速度慢，同时，其收敛率与最初的同步误差密切相关，导致更多的迭代次数。Zhaowei Wang和Peng Zeng等人提出了一种将基于最大一致性的时间同步算法和簇形结构相结合的CMTS算法，该算法采用基于最大一致性的MTS算法实现簇内时间一致，同时在重叠节点的辅助下完成簇与簇之间的时间一致性同步，CMTS算法中，簇内通信和簇间通信同时进行，且同时补偿时钟斜率和时钟偏差，具有更快的收敛速度。然而，目前仍然缺乏对一致性理论和分簇技术相结合的相关研究，已有的少数研究也只是简单的将一致性时间同步方法应用过来，并没有针对簇形结构，对基于一致性的时间同步方法做出改进。因此，本发明对基于簇形结构的一致性时间同步算法进行优化研究。
目前无线传感器网络时间同步机制存在的主要问题如下：
首先，集中式的时间同步方法是基于参考节点或根节点的时钟作为参考时钟来实现的，所以它们的鲁棒性和可扩展性较差。当一个父节点死亡或者一个新的节点加入的时候，它们需要重新构建树形结构或簇形结构，造成额外的执行开销，并可能导致更差的同步精度。
其次，基于一致性的时间同步算法是应用于完全分布式的网络结构，当扩展该类算法的应用场景到重叠簇形网络结构时，需将基于一致性的时间同步算法与网络结构相结合，提出改进的基于一致性的时间同步算法。同时，目前缺乏对算法的优化，节点间周期性的通信造成很大的能量开销。需要提出适应其网络结构的基于一致性的时间同步算法，并优化该算法以减少通信次数和能量开销。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，针对无线传感器网络中的簇型网络拓扑结构，采用基于最大一致性理论的时间同步方法来实现节点之间的时钟同步，使所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟。本发明中簇头通过广播的方式与簇内的节点或邻居簇头进行通信，并将时间同步过程分为三个步骤，分别为簇内首次时间同步，簇间时间同步和簇内再次时间同步，与其他算法不同，本发明所提方法中，簇内成员节点无需周期性的广播消息，有效的减少广播频率，降低网络的通信开销以及节点的能耗，且该时间同步方法同时补偿时钟斜率和偏差，延长了时间同步周期。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，包括：针对无线传感器网络中的簇型网络拓扑结构，采用基于最大一致性时间同步方法来实现节点之间的时钟同步，以使所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟。
所述的时间同步方法由簇头发起，并将时间同步过程分为三个步骤：
S1：簇内首次时间同步：使用最大一致性时间同步方法，通过四次信息交换实现每个簇的簇头的逻辑时钟同步到其簇内最大逻辑时钟；
S2：簇间时间同步：网络中所有簇头之间进行通信，采用最大一致性时间同步方法进行同步，以使所有簇头节点的时钟同步到网络中的最大逻辑时钟，所有簇头消息的交换都是通过从重叠节点中选出网关节点来负责消息的转发而实现，但该阶段网关节点不与簇头进行一致性时间同步；因此簇间时间同步中所有簇中的普通簇内成员节点都无需通信；
S3：簇内再次时间同步：使用最大一致性时间同步方法，通过两次信息交换实现将每个簇头的逻辑时钟扩散到该簇的所有簇内节点，此时，整个网络中的所有节点的逻辑时钟达到全局一致。
进一步，所述步骤S1中，簇内首次时间同步，采用已有的最大一致性时间同步方法进行，首先对于网络中的任意节点i，设置逻辑时钟的斜率补偿参数和偏差补偿参数的初始条件为和每个节点的广播周期为T；同步过程中簇头l＝{1,2,…m}广播消息，簇内节点收到消息后立即回复簇头，两次收到簇内节点的消息后，簇头更新自己的逻辑时钟补偿参数；本步骤只进行两个周期，即簇头和簇内节点只需要进行四次信息交换，每个簇头的逻辑时钟就同步到该簇内最大的逻辑时钟。
进一步，所述步骤S2中，簇间时间同步仅是簇头之间同步，所有簇中的普通簇内成员节点都无需通信；具体步骤为：
S21：如果簇头节点i本地时钟τi(t)＝kT,k∈N+，即τi(t)的值是周期T的整数倍时，广播其经过步骤S1同步后的本地时钟τi(tk)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数给其簇内网关节点，网关节点收到后将消息转发给簇头节点i的邻居簇头j，此阶段网关节点并不与簇头进行最大一致性同步，只负责消息的转发；
S22：当邻居簇头j收到信息之后，簇头j记录下此时的信息并广播给簇头节点j簇内的网关节点，网关节点收到消息后将消息转发给簇头节点j的邻居簇头；
S23：周期性重复步骤S21和S22若干次，在k≥1时，簇头i具有信息记录＜τi(tk),τi(tk-1),τj(tk),τj(tk-1)＞；
S24：通过公式(1)和(2)计算出相对时钟斜率aij和qij的值，并通过对比qij和1的大小来更新和的参数；该更新完成之后，每个簇的簇头的逻辑时钟都成为了整个网络中的最大的逻辑时钟；
其中，τi(tk)表示第k次广播时节点i的硬件时钟，表示节点i的逻辑时钟斜率补偿参数；τj(tk)表示第k次广播时邻居节点j的硬件时钟，表示邻居节点j的逻辑时钟斜率补偿参数；
S25：簇头节点i删除记录＜τi(tk-1),τj(tk-1)＞，存储＜τi(tk),τj(tk)＞。
进一步，所述步骤S3中簇内再次时间同步，具体步骤为：
S31：在执行完步骤S2之后，当簇头l＝{1,2,…m}的本地时钟满足τl(t)＝kT,k∈N+，簇头l广播它的本地时钟τl(t0′)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数给它的簇内的节点，簇内的节点收到消息后，记录下此时自己的本地时钟τi(t0′)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数
S32：如果簇头l的本地时钟满足τl(t)＝(k+1)T,k∈N+，簇头l广播其当前的信息给它的簇内的节点，簇内的节点收到消息后，记录下其当前信息此时，簇内的节点i具有信息记录
S33：两次收到簇头广播的消息后，簇内的节点i直接修改逻辑时钟补偿参数此时所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟，时间同步过程完成。
进一步，所述的时间同步方法将一致性理论应用于分簇的无线传感器网络，延伸了一致性时间同步的应用场景；该方法与网络拓扑结构相适应，同步过程由簇头发起并将同步过程分为簇内首次时间同步，簇间时间同步和簇内再次时间同步三个步骤，使时间同步过程简单而有效，并降低了时间同步过程的网络通信量；值得注意的是，簇内首次时间同步仅需簇头和簇内成员节点之间进行四次通信，簇内再次时间同步仅需两次通信，簇间时间同步为簇头节点之间通过选出的网关节点进行若干次信息交换。
进一步，在簇间时间同步时，通过简单而有效的方法从任意两个簇的重叠节点中选出网关节点，网关节点转发相邻簇头发送给其的信息但并不与簇头进行一致性同步，消息的转发使簇头之间能够通信并完成整个网络簇头间的最大一致性时间同步；即在簇间时间同步的收敛时间T′cov≤2×(m-1)T0(m代表网络中簇的数量，T0代表簇头都能广播一次的一个时间段)的这个期间，整个网络中的簇内成员节点无需周期性的发布数据包，因此，本发明有效的减少了节点的发包数量和数据包的冲突率，节省了能量开销并降低了节点的能耗。
进一步，所述的时间同步方法是完全分布式的算法，同步过程中无需参考时钟；并同时补偿时钟的斜率和偏差，延长了节点再次同步的周期。
本发明的有益效果在于：
1)本发明提供的一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，将一致性理论应用于分簇的无线传感器网络，延伸了一致性时间同步的应用场景。所提方法与网络拓扑结构相适应，将同步过程分为簇内首次时间同步，簇间时间同步和簇内再次时间同步三个步骤，使时间同步过程简单而有效。
2)在簇间时间同步时，通过简单而有效的方法从任意两个簇的重叠节点中选出网关节点，网关节点转发相邻簇头发送给其的信息但并不与簇头进行一致性同步，消息的转发使簇头之间能够通信并完成整个网络簇头间的最大一致性时间同步。在簇间时间同步的收敛时间期间，整个网络中的簇内成员节点无需像已有的方法中那样周期性的发布数据包，因此，本发明有效的减少了节点的发包数量和数据包的冲突率，节省了能量开销并降低了节点的能耗。
3)本发明所提供的时间同步方法是基于一致性理论实现，是完全分布式的算法，同步过程中无需参考时钟，算法拥有较强的可扩展性和鲁棒性。
4)本发明所提时间同步方法可以同时补偿时钟的斜率和偏差，延长了时间同步周期。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为重叠的簇型网络拓扑结构图；
图2为簇头和网关节点的网络拓扑结构；
图3为本发明提供的时间同步方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明针对无线传感器网络中的簇型网络拓扑结构，采用基于最大一致性理论的时间同步方法来实现节点之间的时钟同步，以使所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟。参照图3所示，本发明所述方法的时间同步过程由簇头发起并将时间同步过程分为三个步骤，分别为第一步：簇内首次时间同步，第二步：簇间时间同步，第三步：簇内再次时间同步。在第一步：簇内首次时间同步，使用最大一致性时间同步方法，通过四次信息交换实现每个簇的簇头的逻辑时钟同步到其簇内最大逻辑时钟。在第二步：簇间时间同步中，所提方法仅是网络中所有簇头之间进行通信并采用最大一致性时间同步方法进行同步，以使所有簇头节点的时钟同步到网络中的最大逻辑时钟，所有簇头消息的交换都是通过从重叠节点中选出网关节点，让网关节点进行消息的转发，但值得注意的是此阶段网关节点并不与簇头进行最大一致性同步；因此簇间时间同步中所有簇中的普通簇内成员节点都无需通信，与已有方法中每个周期簇内成员节点都需要广播或者回复消息相比，所提方法有效的降低了同步过程中节点间的通信量，减少了数据包的冲突率且延长了节点的使用寿命。在第三步：簇内再次时间同步，仍使用最大一致性时间同步方法，通过两次信息交换实现将每个簇头的逻辑时钟扩散到该簇的所有簇内节点，此时，整个网络中的所有节点的逻辑时钟达到全局一致。
假设传感器网络中的节点i的硬件时钟满足
τi(t)＝ait+bi,
其中，ai为硬件时钟的斜率，bi为硬件时钟的偏差，t为真实物理世界的绝对时间。硬件时钟的值是不能被修改的，因为其他的硬件组件可能依赖于一个连续运作的硬件时钟，所以用逻辑时钟来代表被同步的时钟。逻辑时钟的值为
其中，和为两个软件补偿参数，ai为逻辑时钟的斜率，为逻辑时钟的偏差。基于一致性理论的时间同步的目标就是将所有节点的逻辑时钟都同步到一个虚拟的共同时钟，如下所示：
一致性时间同步就是通过更新参数和来实现节点的逻辑时钟一致，即
其中，和为全局逻辑时钟斜率和偏差。
假设无线传感器网络中的若干个节点需要实现时间同步，网络的拓扑结构可以通过图论来表示，因此可以将无线传感器网络构建成一个无向图G＝(V,E)，其中V＝{i:i＝1,2,…,n}表示无线传感器网络节点的集合，n表示节点的总数；表示节点与节点之间的边的集合，(i,j)∈E代表节点i和节点j能够进行通信；用Di＝{j∈V:(i,j)∈E}来表示节点i的邻居节点集，di＝|Di|表示节点i的度，即表节点i的相邻节点的数量。在分簇的无线传感器网络中，如图1所示，用G′＝(V′,E′)表示整个簇形网络结构，其中V′＝{Ci:i＝1,2,…,m}是簇的集合，m表示簇的总数；(Ci,Cj)∈E′表示簇Ci与簇Cj相互重叠，并且簇Ci可以通过簇Ci与簇Cj之间的重叠节点与簇Cj进行通信；ci＝|Ci|表示簇Ci中的节点数量。易知，V＝∪i∈(1,m)Ci，n＝∪i∈(1,m)ci＝∪i∈(1,m)|Ci|。该无线传感器网络中的若干个节点实现时间同步的过程包括以下三个步骤：
步骤1：簇内首次时间同步，即每个簇的簇内进行最大一致性时间同步。首先对于网络中的任意节点i，设置逻辑时钟的斜率补偿参数和偏差补偿参数的初始条件为和每个节点的广播周期为T；同步过程由簇头l＝{1,2,…m}发起，簇头周期性广播它的本地时钟τl(t0)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数给它的簇内成员节点，簇内成员节点收到消息后，记录下此时自己的本地时钟τi(t0)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数并将参数回发给簇头，当簇头l具有信息记录＜τl(t0),τl(t1),τi(t0),τi(t1)＞，簇头采用最大一致性时间同步方法进行时间同步。值得注意的是，本发明所述方法的步骤1只进行两个周期，即簇头和簇内成员节点只需要进行四次信息交换，每个簇头的逻辑时钟就能同步到该簇内最大的逻辑时钟。然后就进行时间同步过程的步骤2。
步骤2：簇间时间同步，即在执行完步骤1后，每个簇的簇头的逻辑时钟都成为了簇中最大的逻辑时钟，即此时所有簇头中的其中一个簇头的逻辑时钟必然是整个无线传感器网络中节点的最大时钟。在步骤2中，我们仍然采用基于最大一致性理论的时间同步方法来实现所有簇头节点之间的时钟同步，以使所有簇头的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟，其中，簇头与相邻簇头之间信息交换通过从重叠节点中选出用于消息转发的网关节点来实现。
首先在簇与簇之间重叠节点中选出网关节点。举例说明，如在图1中，簇H2和簇H3是邻居簇，节点1,2，3和4是他们的重叠节点。假设重叠节点1,2，3和4首先收到了簇头H2发送的信息，当它们再收到簇头H3的消息后，就向簇头H3发送一个消息，该消息包含簇头H2的ID号，如果节点2的消息首先到达簇头H3，那么节点2就被选为簇头H2和簇头H3之间的网关节点，且簇头H3忽略节点1，3和4的消息。在选出了簇间所有的网关节点之后，就可以得到簇头与簇头之间通过网关节点转发信息而相互通信的网络拓扑结构，如图1的网络拓扑结构抽象为如图2。
由此，可定义诱导图g＝(Vg,Eg)，Vg＝{1,2,…m}簇头点集，Eg代表簇头与簇头间的通信链路，(i,j)∈Eg代表簇头i所在的簇和簇头j所在的簇重叠，可以通过网关节点转发信息而进行通信。代表簇头i的邻居簇集合，代表簇i的度，即邻居簇的数量。具体时间同步过程如下：
B1、如果簇头节点i，i∈g的本地时钟τi(tk)＝kT,k∈N+时，广播其经过簇内首次时间同步同步后的本地时钟τi(tk)，逻辑时钟的斜率补偿参数和逻辑时钟的偏差补偿参数给其簇内网关节点，网关节点收到后将消息转发给簇头节点i的邻居簇头j，值得注意的是此阶段网关节点并不与簇头进行时间同步，只负责消息的转发。
B2、当邻居簇头j，收到信息之后，簇头j记录下此时的信息并广播给簇头节点j簇内的网关节点，网关节点收到消息后将消息转发给簇头节点j的邻居簇头。
B3、如果簇头节点i在tk时刻第(k+1)次从节点j处收到数据包那么就把自己的硬件时钟记为并具有历史记录
B4、当k≥1时，通过式i,j∈g。
如果qij＞1，那么
如果qij＝1，那么
B5、簇头节点i删除记录＜τi(tk-1),τj(tk-1)＞，存储＜τi(tk),τj(tk)＞。
步骤3：簇内再次时间同步，即在执行完步骤2后，每个簇的簇头的逻辑时钟都成为了整个网络中的最大的逻辑时钟，逻辑时钟的斜率和逻辑时钟的偏差都为最大。即，此时只要把所有簇头的逻辑时钟广播给每个簇的簇内成员节点，簇内成员节点将其逻辑时钟校正到和簇头逻辑时钟一致，便能实现整个网络的时间同步，即所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟。具体时间同步过程如下：
C1、在执行完簇间时间同步后，对于簇头l∈V。
C2、如果簇头l的本地时钟满足τl(t)＝kT,k∈N+，簇头l＝{1,2,…m}广播它的本地时钟τl(t0′)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数给它的簇内的节点，簇内的节点收到消息后，记录下此时自己的本地时钟τi(t0′)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数
C3、如果簇头l的本地时钟满足τl(t)＝(k+1)T,k∈N+，簇头l广播其当前的信息给它的簇内的节点，簇内的节点收到消息后，记录下其当前信息此时，簇内的节点i具有信息记录＜τl(t0′),τl(t1′),τi(t0′),τi(t1′)＞。
C4、当两次收到簇头广播的消息后，簇内的节点直接修改逻辑时钟补偿参数即
步骤3完成后，网络中所有节点的逻辑时钟都同步到了一个共同的全局时钟，时间同步过程完成。
使用本发明所述的降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，网络中的节点的全局逻辑时钟斜率和逻辑时钟偏差都能够收敛，即：
其中，用代表网络中逻辑时钟斜率逻辑时钟偏差的节点集，即用代表t时刻节点集中节点的数量。同时，从上可知，簇头的伪广播周期为T，则每个簇头实际的广播周期为假设在一个时间段T0中，簇头节点都可以广播一次，那么，不考虑丢包的情况，在拥有m个簇群即m个簇头的网络中，该算法的收敛时间Tcov≤2T0+2mT0。因为，从以上所述算法可知，初始网络中，至少有一个节点的时钟，其时钟斜率与偏差是整个网络中的最大值，即在经过簇内首次时间同步后，至少有一个与拥有最大逻辑时钟的节点相邻的节点被同步，即值得注意的是，簇内首次时间同步过程由每个簇头发起，簇头与该簇内所有的节点交换信息，所以，此时至少有一个簇头的逻辑时钟为整个网络中的最大逻辑时钟。此时开始簇间时间同步，簇头节点通过网关节点进行信息交换。在簇间时间同步开始后，经过时间2T0，至少有一个与拥有最大逻辑时钟的簇头相邻的簇头被同步，即则显然到m个簇头都完成同步所需要的时间为2T0+2·(m-1)T0，即簇间时间同步完成后，开始簇内再次时间同步，每个簇头将已经同步到全局最大逻辑时钟的时钟信息广播给簇内的所有节点，使所有节点的时钟都同步到全局最大逻辑时钟，则网络中所有节点的逻辑时钟都达到一致，即即，Tcov≤2×(1+m)T0。
Jie Wu和Liyi Zhang提出了一种基于平均一致性算法CCTS，针对分簇的无线传感器网络，该算法将同步分为簇内时间同步和簇间时间同步先后两个阶段，以实现全局同步。然而，CCTS时钟偏移补偿在时钟斜率补偿完成后开始，不能同时进行补偿，且算法基于平均一致性理论，导致收敛速度慢；同时，其收敛率与最初的同步误差密切相关，导致更多的迭代次数。Jianping He和Peng Cheng提出的基于最大一致性的时间同步方法(MTS)，MTS的收敛时间为TMTS-cov≤B(n-1)，其中，B表示一个时间间隔，当且仅当这个时间间隔内节点i能够至少两次成功收到节点j的信息，即，B≥2T0，B(n-1)≥2(n-1)T0，MTS的收敛时间为TMTS-cov≤2×(n-1)T0。显然在分簇的无线传感器网络中，1+m＜n-1，即Tcov＜TMTS-cov。Zhaowei Wang和Peng Zeng提出了一种基于工业无线传感器簇形网络结构的改进的最大一致性时间同步算法CMTS，该算法的收敛时间TCMTS-cov≤mTs，其中，Ts表示使用CMTS时间同步算法实现一个簇内的节点达到时间一致所需的时间，即3次簇头与簇内成员节点的信息交换，一次信息交换为簇头广播消息和簇内成员节点收到簇头广播的消息后立即回复消息这一个来回的信息交换。可以假设3T0＝Ts，那么mTs＝3mT0，CMTS的收敛时间TCMTS-cov≤3mT0，显然在分簇的无线传感器网络中，1+m＜3m，即Tcov＜TCMTS-cov。即，在不考虑数据包丢包的条件下，本发明所述方法能够更快实现算法收敛，完成全局的时间同步。
MTS算法中，节点的广播次数为基于CMTS算法中，CMTS的广播次数为相比，本发明所提算法中，将时间同步过程分为簇内首次时间同步，簇间时间同步和簇内再次时间同步。簇内首次时间同步为簇头和簇内节点两个来回的信息交换；簇间时间同步为m个簇头通过网关节点消息转发进行簇头间的最大一致性时间同步，即每次相邻簇头j要收到簇头i广播的消息，需要广播两次，即簇头i向网关节点广播一次并且网关节点收到该消息后再向簇头j广播一次；簇内再次时间同步为簇头向簇内成员节点广播两次信息，因此本发明所提算法的消息广播为由上面的分析可得，算法MTS的广播次数为算法CMTS的广播次数为显然n＝|Ui∈(1,m)Ci|，且一般来说，在一个分簇的网络结构中，3m＜2(n-1)，所以NCMTS＜NMTS。同时，2n+2m为簇内首次时间同步和簇内再次时间同步4个周期所广播的次数，因为本发明所提时间同步方法中同步过程所需时间主要为簇间时间同步所需时间，假设忽略广播次数2n+2m；因为簇间时间同步过程中簇内节点无需周期性通信，只是网关节点转发收到的消息和簇头与簇头间的时间同步，易知，2m＜n＝|Ui∈(1,m)Ci|，因为在分簇无线传感器网络中，一个簇内的节点一般不止两个节点，所以当每周期的发包次数乘以整个时间同步过程所需要的周期数后，易知，N＜NCMTS＜NMTS，本发明所述方法可以有效的减少簇形无线传感器网络实现全局时间同步所需要的通信量。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，其特征在于：该方法包括：针对无线传感器网络中的簇型网络拓扑结构，采用基于最大一致性时间同步方法来实现节点之间的时钟同步，以使所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟；
所述的时间同步方法由簇头发起，并将时间同步过程分为三个步骤：
S1：簇内首次时间同步：使用最大一致性时间同步方法，通过四次信息交换实现每个簇的簇头的逻辑时钟同步到其簇内最大逻辑时钟；
S2：簇间时间同步：网络中所有簇头之间进行通信，采用最大一致性时间同步方法进行同步，以使所有簇头节点的时钟同步到网络中的最大逻辑时钟，所有簇头消息的交换都是通过从重叠节点中选出网关节点来负责消息的转发而实现，但该阶段网关节点不与簇头进行一致性时间同步；因此簇间时间同步中所有簇中的普通簇内成员节点都无需通信；
S3：簇内再次时间同步：使用最大一致性时间同步方法，通过两次信息交换实现将每个簇头的逻辑时钟扩散到该簇的所有簇内节点，此时，整个网络中的所有节点的逻辑时钟达到全局一致。
2.如权利要求1所述的一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，其特征在于：所述步骤S1中，簇内首次时间同步，采用已有的最大一致性时间同步方法进行，首先对于网络中的任意节点i，设置逻辑时钟的斜率补偿参数和偏差补偿参数的初始条件为和每个节点的广播周期为T；同步过程中簇头l＝{1,2,…m}广播消息，簇内节点收到消息后立即回复簇头，两次收到簇内节点的消息后，簇头更新自己的逻辑时钟补偿参数；本步骤只进行两个周期，即簇头和簇内节点只需要进行四次信息交换，每个簇头的逻辑时钟就同步到该簇内最大的逻辑时钟。
3.如权利要求1所述的一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，其特征在于：所述步骤S2中，簇间时间同步仅是簇头之间同步，所有簇中的普通簇内成员节点都无需通信；具体步骤为：
S21：在执行完步骤S1后，如果簇头节点i本地时钟τi(t)＝kT,k∈N+，即τi(t)的值是周期T的整数倍时，广播其经过步骤S1同步后的本地时钟τi(tk)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数给其簇内网关节点，网关节点收到后将消息转发给簇头节点i的邻居簇头j，此阶段网关节点并不与簇头进行最大一致性同步，只负责消息的转发；
S22：当邻居簇头j收到信息之后，簇头j记录下此时的信息并广播给簇头节点j簇内的网关节点，网关节点收到消息后将消息转发给簇头节点j的邻居簇头；
S23：周期性重复步骤S21和S22若干次，在k≥1时，簇头i具有信息记录＜τi(tk),τi(tk-1),τj(tk),τj(tk-1)＞；
S24：通过公式(1)和(2)计算出相对时钟斜率aij和qij的值，并通过对比qij和1的大小来更新和的参数；该更新完成之后，每个簇的簇头的逻辑时钟都成为了整个网络中的最大的逻辑时钟；
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其中，τi(tk)表示第k次广播时节点i的硬件时钟，表示节点i的逻辑时钟斜率补偿参数；τj(tk)表示第k次广播时邻居节点j的硬件时钟，表示邻居节点j的逻辑时钟斜率补偿参数；
S25：簇头节点i删除记录＜τi(tk-1),τj(tk-1)＞，存储＜τi(tk),τj(tk)＞。
4.如权利要求1所述的一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，其特征在于：所述步骤S3中簇内再次时间同步，具体步骤为：
S31：在执行完步骤S2之后，当簇头l＝{1,2,…m}的本地时钟满足τl(t)＝kT,k∈N+，簇头l广播它的本地时钟τl(t0′)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数给它的簇内的节点，簇内的节点收到消息后，记录下此时自己的本地时钟τi(t0′)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数
S32：如果簇头l的本地时钟满足τl(t)＝(k+1)T,k∈N+，簇头l广播其当前的信息给它的簇内的节点，簇内的节点收到消息后，记录下其当前信息此时，簇内的节点i具有信息记录＜τl(t0′),τl(t1′),τi(t0′),τi(t1′)＞；
S33：两次收到簇头广播的消息后，簇内的节点i直接修改逻辑时钟补偿参数此时所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟，时间同步过程完成。
5.如权利要求1所述的一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，其特征在于：在簇间时间同步时，从任意两个簇的重叠节点中选出网关节点，网关节点转发相邻簇头发送给其的信息但并不与簇头进行一致性同步，消息的转发使簇头之间能够通信并完成整个网络簇头间的最大一致性时间同步；在簇间时间同步的收敛时间Tc′ov≤2×(m-1)T0的这个期间，整个网络中的簇内成员节点无需周期性的发布数据包，其中，m代表网络中簇的数量，T0表示在一个时间段内簇头节点都能广播一次。
6.如权利要求1所述的一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，其特征在于：所述的时间同步方法是完全分布式的算法，同步过程中无需参考时钟；并同时补偿时钟的斜率和偏差，延长了节点再次同步的周期。
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