CN107995681B - 一种无线传感网时间同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感网时间同步方法及装置，所述方法包括：步骤(1)获取传感网络树形拓扑结构中的根节点及其对应的子节点；步骤(2)获取所述根节点及其对应的子节点间的传送时延，并根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步，步骤(3)将所述传感网络树形拓扑结构中的根节点及其对应的子节点中的子节点作为根节点并返回所述步骤(1)，直至所述传感网络树形拓扑结构中所有节点完成时间同步，本发明提供的技术方案，解决在无线传感网络中多个节点之间时间同步的问题，该设计方法充分考虑了发送时间、访问时间、传输时间、接收时间、接受时间对同步精度的影响，可降低无线传感网络中各个节点的时间同步误差。

Description

一种无线传感网时间同步方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种无线传感网时间同步方法及装置。

背景技术

无线传感器网络上节点之间时间上的同步，是保证无线传感网络中其他通信协议的重要前提。

当前，很多通用通信协议应用于无线传感网络均存在缺陷，其中，NTP(Net TimeProtocol)协议是目前因特网上采用的时间同步协议标准，虽然精度高，但是该协议的前提是网络中的链路失效非常小，整个网络采用的是稳定的拓扑结构，功耗大，采用的是有线传输，显然不适合于功耗、成本受限制的/结构不稳定的无线传感网络。GPS系统也可以提供高精度的时间同步,但它的信号穿透性差，GPS天线必须安装在空旷的地方，功耗较大，成本高，不适合于无线传感网络。TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor Networks)算法虽采用发送者-接受者的双向成对同步算法，但并未充分考虑媒介访问时延对同步精度的影响。RBS(Reference Brocast Synchronization)同步机制采用的是接收者-接收者的同步算法，无法实现发送者与接收者的时间同步。DMTS(Delay Measurement TimeSynchronization)算法是基于发送者-接收者的单向时间同步算法，但无法实现发送者与接收者的时间同步，而且该算法并未考虑传播时延对同步精度的影响。

因此，需要提供一种实现发送者与接收者的时间同步，且考虑传播时延对同步精度的影响，适用于无线传感网的时间同步方法。

发明内容

本发明提供一种无线传感网时间同步方法及装置，其目的是解决在无线传感网络中多个节点之间时间同步的问题，该设计方法充分考虑了发送时间、访问时间、传输时间、接收时间、接受时间对同步精度的影响，可降低无线传感网络中各个节点的时间同步误差。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种无线传感网时间同步方法，其改进之处在于，包括：

步骤(1)获取传感网络树形拓扑结构中的根节点及其对应的子节点；

步骤(2)获取所述根节点及其对应的子节点间的传送时延，并根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步。

优选的，所述步骤(2)之后包括：

将所述传感网络树形拓扑结构中的根节点对应的子节点作为根节点并返回所述步骤(1)，直至所述传感网络树形拓扑结构中所有节点完成时间同步。

优选的，所述步骤(1)中，第一次获取的传感网络树形拓扑结构中的根节点为传感网络树形拓扑结构中的终节点。

优选的，所述传感网络树形拓扑结构中根节点及其对应的子节点间采用IEEE802_11PCF控制机制进行通信。

优选的，所述步骤(2)中，获取所述根节点及其对应的子节点间的传送时延，包括：

a.从所述根节点对应的子节点中选择子节点i，并唤醒所述子节点i，i的初始值为1；

b.利用无线传感网时间同步算法获取所述子节点i与根节点间的传送时延，将该传送时延存入所述子节点i对应的buffer中，并休眠所述子节点i；

c.令i＝i+1，若i+1小于等于n，则返回所述步骤a，若i+1大于n，则结束操作，n为所述根节点对应的子节点的个数。

优选的，所述步骤(2)中，根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步，包括：

唤醒所述根节点对应的全部子节点，所述根节点向所述根节点对应的全部子节点发送带有当前根节点系统时间戳的广播帧；

根据所述广播帧和所述根节点对应的子节点中各子节点对应的传送时延确定所述根节点对应的子节点中各子节点的当前系统时间。

进一步的，所述根据所述广播帧和所述根节点对应的子节点中各子节点对应的传送时延确定所述根节点对应的子节点中各子节点的当前系统时间，包括：

按下式确定所述根节点对应的子节点i的当前系统时间t_i：

t_i＝t-t_{buffer_i}

上式中，t为所述根节点的当前系统时间，t_{buffer_i}为所述根节点及其对应的子节点中子节点i的传送时延。

一种无线传感网时间同步装置，其改进之处在于，所述装置包括：

第一获取单元，用于获取传感网络树形拓扑结构中的根节点及其对应的子节点；

第二获取单元，用于获取所述根节点及其对应的子节点间的传送时延，并根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步。

优选的，所述系统还包括：

迭代单元，用于将所述传感网络树形拓扑结构中的根节点对应的子节点作为根节点并返回所述步骤(1)，直至所述传感网络树形拓扑结构中所有节点完成时间同步。

优选的，所述第一获取单元中，第一次获取的传感网络树形拓扑结构中的根节点为传感网络树形拓扑结构中的终节点。

优选的，所述传感网络树形拓扑结构中根节点及其对应的子节点间采用IEEE802_11PCF控制机制进行通信。

优选的，所述第二获取单元，包括：

选择模块，用于从所述根节点对应的子节点中选择子节点i，并唤醒所述子节点i，i的初始值为1；

第一获取模块，用于利用无线传感网时间同步算法获取所述子节点i与根节点间的传送时延，将该传送时延存入所述子节点i对应的buffer中，并休眠所述子节点i；

判断模块，用于令i＝i+1，若i+1小于等于n，则返回所述步骤a，若i+1大于n，则结束操作，n为所述根节点对应的子节点的个数。

优选的，所述第二获取单元，包括：

发送模块，用于唤醒所述根节点对应的全部子节点，所述根节点向所述根节点对应的全部子节点发送带有当前根节点系统时间戳的广播帧；

确定模块，用于根据所述广播帧和所述根节点对应的子节点中各子节点对应的传送时延确定所述根节点对应的子节点中各子节点的当前系统时间。

进一步的，所述确定模块，用于：

按下式确定所述根节点对应的子节点i的当前系统时间t_i：

t_i＝t-t_{buffer_i}

上式中，t为所述根节点的当前系统时间，t_{buffer_i}为所述根节点及其对应的子节点中子节点i的传送时延。

本发明的有益效果：

本发明提供的技术方案，考虑了发送者-接受者的传送时延(包括发送时间、访问时间、传输时间、接收时间和接受时间)，逐层进行时间同步时，分别计算子节点与根节点的传送时延，期间其他节点休眠，减少了信道访问的碰撞，进而大大降低了由于访问时间造成的误差，，提高了传送时延计算的精确度；根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步的过程中，根节点以广播的方式向所有子节点发送时间信息，这样根节点的时钟飘移带来的误差可以忽略，从而进一步降低了同一层中各个节点之间的时间同步误差，因此，通过本发明提供的技术方案，可以实现传感网节点之间的时间同步，同步时间误差低、易于实现，且可以以较低的功耗完成整个网络的时间同步。

附图说明

图1是本发明一种无线传感网时间同步方法实施的流程示意图；

图2是本发明一种无线传感网时间同步装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1、

本发明提供的一种无线传感网时间同步方法，图1为本发明实施例提供的一种无线传感网时间同步方法实施的流程示意图，如图1所示，所述方法可以包括：

步骤(1)获取传感网络树形拓扑结构中的根节点及其对应的子节点；

其中，所述步骤(1)中，第一次获取的传感网络树形拓扑结构中的根节点及其对应的子节点为传感网络树形拓扑结构中的终节点，无线传感网络链接完成之后，建立树形拓扑结构，其中根节点为整个网络的时间基准点。

步骤(2)获取所述根节点及其对应的子节点间的传送时延，并根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步。

在所述步骤(2)之后，可以包括：

步骤(3)将所述传感网络树形拓扑结构中的根节点对应的子节点中作为根节点并返回所述步骤(1)，直至所述传感网络树形拓扑结构中所有节点完成时间同步。

其中，所述传感网络树形拓扑结构中根节点及其对应的子节点间采用IEEE802_11PCF控制机制进行通信。

具体的，所述步骤(2)中，获取所述根节点及其对应的子节点间的传送时延的过程采用逐层同步网络中的子节点的方法，除当前层级外，网络中的其他节点处于休眠状态，在计算传送时延时，同层节点只有一个节点处于唤醒状态，其他节点处于休眠状态，因此可降低通信网络的整体功耗，具体可以包括：

a.从所述根节点对应的子节点中选择子节点i，并唤醒所述子节点i，i的初始值可以为1；

b.利用无线传感网时间同步TPSN算法获取所述子节点i与根节点间的传送时延，将该传送时延存入所述子节点i对应的buffer中，并休眠所述子节点i；

c.令i＝i+1，若i+1小于等于n，则返回所述步骤a，若i+1大于n，则结束操作，n为所述根节点对应的子节点的个数。

进一步的，所述步骤(2)中，根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步，可以包括：

唤醒所述根节点对应的全部子节点，所述根节点向所述根节点对应的全部子节点发送带有当前根节点系统时间戳的广播帧；

根据所述广播帧和所述根节点及其对应的子节点中各子节点对应的传送时延确定所述根节点及其对应的子节点中各子节点的当前系统时间。

其中，按下式确定所述根节点对应的子节点i的当前系统时间t_i：

t_i＝t-t_{buffer_i}

上式中，t为所述根节点的当前系统时间，t_{buffer_i}为所述根节点及其对应的子节点中子节点i的传送时延。

本发明提供的实施例中，具体实现步骤开通如下：

1.建立网络链接。

2.构建树形拓扑结构。

3.根节点发送命令，使网络中所有节点处于休眠状态；

4.根节点唤醒拓扑结构中第一层的第一个节点；

5.根据发送者-接受者的时间同步模式，计算该子节点与根节点之间的传送时延(包括发送时间、访问时间、传输时间、接收时间和接受时间)；

其中，所述接收时间可以指收到时间戳的时间，接受时间可以指经过计算并把时间计入时钟计数器的时间；

6.该子节点将传送时延存入固定Buffer中；

7.该子节点进入休眠状态；

8.依次计算第一层中其它子节点与根节点之间的传送时延；

9.唤醒第一层中所有的子节点。

10.根节点对第一层中所有子节点发送带有时间戳的广播帧；

11.子节点根据收到的广播帧中的时间信息以及Buffer中的传送时延值，完成本地时间同步；

12.以完成时间同步的子节点为根节点，依次同步网络拓扑中其它层次的节点，直至完成整个网络中所有节点的时间同步；

13.网络中所有节点的时间同步完成。

实施例2、

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种无线传感网时间同步装置，如图2所示，所述装置可以包括：

第一获取单元，用于获取传感网络树形拓扑结构中的根节点及其对应的子节点；

第二获取单元，用于获取所述根节点及其对应的子节点间的传送时延，并根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步。

所述装置还可以包括：

迭代单元，用于将所述传感网络树形拓扑结构中的根节点对应的子节点作为根节点并返回所述步骤(1)，直至所述传感网络树形拓扑结构中所有节点完成时间同步。

所述第一获取单元中，第一次获取的传感网络树形拓扑结构中的根节点为传感网络树形拓扑结构中的终节点。

所述传感网络树形拓扑结构中根节点及其对应的子节点间采用IEEE802_11PCF控制机制进行通信。

所述第二获取单元，可以包括：

选择模块，用于从所述根节点对应的子节点中选择子节点i，并唤醒所述子节点i，i的初始值为1；

第一获取模块，用于利用无线传感网时间同步算法获取所述子节点i与根节点间的传送时延，将该传送时延存入所述子节点i对应的buffer中，并休眠所述子节点i；

判断模块，用于令i＝i+1，若i+1小于等于n，则返回所述选择模块，若i+1大于n，则结束操作，n为所述根节点对应的子节点的个数。

所述第二获取单元，可以包括：

发送模块，用于唤醒所述根节点对应的全部子节点，所述根节点向所述根节点对应的全部子节点发送带有当前根节点系统时间戳的广播帧；

确定模块，用于根据所述广播帧和所述根节点及其对应的子节点中各子节点对应的传送时延确定所述根节点及其对应的子节点中各子节点的当前系统时间。

所述确定模块，用于：

按下式确定所述根节点对应的子节点i的当前系统时间t_i：

t_i＝t-t_{buffer_i}

上式中，t为所述根节点的当前系统时间，t_{buffer_i}为所述根节点对应的子节点中子节点i的传送时延。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无线传感网时间同步方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤(1)获取传感网络树形拓扑结构中的根节点及其对应的子节点；

步骤(2)获取所述根节点及其对应的子节点间的传送时延，并根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步；

所述步骤(1)中，第一次获取的传感网络树形拓扑结构中的根节点为传感网络树形拓扑结构中的终节点；

所述传感网络树形拓扑结构中根节点及其对应的子节点间采用IEEE802_11PCF控制机制进行通信；

所述步骤(2)中，获取所述根节点及其对应的子节点间的传送时延，包括：

步骤a.从所述根节点对应的子节点中选择子节点i，并唤醒所述子节点i，i的初始值为1；

步骤b.利用无线传感网时间同步算法获取所述子节点i与根节点间的传送时延，将该传送时延存入所述子节点i对应的buffer中，并休眠所述子节点i；

c.令i＝i+1，若i+1小于等于n，则返回所述步骤a，若i+1大于n，则结束操作，n为所述根节点对应的子节点的个数；

所述步骤(2)中，根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步，包括：

唤醒所述根节点对应的全部子节点，所述根节点向所述根节点对应的全部子节点发送带有当前根节点系统时间戳的广播帧；

根据所述广播帧和所述根节点对应的子节点中各子节点对应的传送时延确定所述根节点对应的子节点中各子节点的当前系统时间；

所述根据所述广播帧和所述根节点对应的子节点中各子节点对应的传送时延确定所述根节点对应的子节点中各子节点的当前系统时间，包括：

按下式确定所述根节点对应的子节点i的当前系统时间t_i：

t_i＝t-t_{buffer_i}

上式中，t为所述根节点的当前系统时间，t_{buffer_i}为所述根节点对应的子节点中子节点i的传送时延。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)之后包括：将所述传感网络树形拓扑结构中的根节点对应的子节点作为根节点并返回所述步骤(1)，直至所述传感网络树形拓扑结构中所有节点完成时间同步。

3.一种用于如权利要求1-2任一项所述无线传感网时间同步方法的同步装置，其特征在于，所述装置包括：

第一获取单元，用于获取传感网络树形拓扑结构中的根节点及其对应的子节点；

第二获取单元，用于获取所述根节点及其对应的子节点间的传送时延，并根据所述传送时延对所述根节点及其对应的子节点间进行时间同步；

所述第一获取单元中，第一次获取的传感网络树形拓扑结构中的根节点为传感网络树形拓扑结构中的终节点；

所述传感网络树形拓扑结构中根节点及其对应的子节点间采用IEEE802_11PCF控制机制进行通信；

所述第二获取单元，包括：

选择模块，用于从所述根节点对应的子节点中选择子节点i，并唤醒所述子节点i，i的初始值为1；

第一获取模块，用于利用无线传感网时间同步算法获取所述子节点i与根节点间的传送时延，将该传送时延存入所述子节点i对应的buffer中，并休眠所述子节点i；

判断模块，用于令i＝i+1，若i+1小于等于n，则返回所述步骤a，若i+1大于n，则结束操作，n为所述根节点对应的子节点的个数；

所述第二获取单元，包括：

发送模块，用于唤醒所述根节点对应的全部子节点，所述根节点向所述根节点对应的全部子节点发送带有当前根节点系统时间戳的广播帧；

确定模块，用于根据所述广播帧和所述根节点对应的子节点中各子节点对应的传送时延确定所述根节点对应的子节点中各子节点的当前系统时间；

所述确定模块，用于：

按下式确定所述根节点对应的子节点i的当前系统时间t_i：

t_i＝t-t_{buffer_i}

上式中，t为所述根节点的当前系统时间，t_{buffer_i}为所述根节点对应的子节点中子节点i的传送时延。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述系统还包括：

迭代单元，用于将所述传感网络树形拓扑结构中的根节点对应的子节点作为根节点并返回所述步骤(1)，直至所述传感网络树形拓扑结构中所有节点完成时间同步。

Images