CN110266423A - 通信网络中基于节点平均同步级数最小的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信网络中基于节点平均同步级数最小的时间同步方法，解决了通信网络时间同步过程中，多跳误差与时延随同步级数快速累积的问题。首先计算通信网络中所有节点间的最小同步级数，再计算所有节点的平均时间同步级数；从通信网络所有的节点中，选出所需平均时间同步级数最小的节点作为通信网络的时间基准节点。确定各节点所在层级，以时间基准节点为第0级，逐级进行时间同步，完成全网时间同步。本发明通过选取通信网络中时间同步的基准节点，减小通信网络时间同步完成时所需要的级数，降低了时间同步完成后整体通信网络的误差与时延，实现通信网络时间同步性能的优化。

Description

通信网络中基于节点平均同步级数最小的时间同步方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及通信网络技术领域中的一种通信网络中基于节点平均同步级数最小的时间同步方法。本发明以通信节点间时间同步技术为基础，通过引入基于节点平均同步级数最小的时间基准点选择技术，从而实现一种通信网络中时间同步性能优化的方法。

背景技术

通信网络的时间同步是基于两点间双向比对时间同步的基础方式，根据网络拓扑创建层级型结构，完成时间基准节点至全网其它节点的逐级同步。在层级型结构中，以时间基准节点作为初始第0级，每个节点以其与时间基准节点的最小跳数作为自身级数。逐级同步时，相邻层级中的下一级节点各自与上一级的邻接节点进行同步，直至网络所有节点达到同步目标。在上述实现方式中，由于通信网络时间同步是逐级进行的，每一级时间同步均存在误差与时延。随着网络同步过程级数增加，完成同步的节点与最初时间基准的绝对误差和时延也随之被放大。可以看出，目前基于通信网络时间同步中时间基准点的选取方法研究还处于起步阶段，针对具体的网络拓扑，选取不同的时间基准节点可以影响通信网络的平均时间同步级数，进而影响通信网络的同步性能。

宋晓雪在其发表的论文“无线自组织网络时间同步技术研究”(硕士学位论文，电子科技大学，2018.03)中公开了一种针对通信网络内所有节点分簇来完成时间同步的方法。该方法的步骤为，第一步只允许被选为簇首的节点集合才广播分组，其它节点只接收不广播。第二步针对与簇首邻接的其余节点进行广播分组。第三步重复此过程进行分簇型时间同步。该时间同步方法存在的不足之处在于，为降低网络中的同步分组数量，采取分簇型时间同步方法，缺少进一步对通信网络中的时间基准节点进行优化选择，存在时间基准点选择的缺陷，无法减少通信网络时间同步过程中的时间同步级数，造成多跳误差与时延的快速累积，时间同步的稳定度与精度较低。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种通信网络时间同步级数最小的基准节点选择方法”(申请号：201811446506X，公开号：CN109510681A)中公开了一种通信网络时间同步级数最小的基准节点选择方法。该方法的步骤为，第一步通过计算通信网络中各个节点到其它节点的最大同步级数，第二步选出所需最大同步级数最小的节点作为网络的时间同步基准点，该方法通过最大同步级数最小保证了整个通信网络较好的时间同步性能，但该方法仍存在的不足之处是，存在无法通过节点平均同步级数最小保证整个通信网络平均最优时间同步性能的缺陷，同时，针对最大同步级数最小的时间同步基准点不唯一时，无法进一步对备选基准点进行优选，时间同步的精度也较低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种通信网络中基于节点平均同步级数最小的时间同步方法。本发明选出所需平均时间同步级数最小的节点作为通信网络的时间同步基准节点，通过减小通信网络完成全网时间同步所需要的平均级数，从而降低通信网络时间同步的误差与时延，实现通信网络时间同步性能的优化。

实现本发明目的的思路是，首先根据获取的节点同步级数集合，计算通信网络中任意两个通信节点间的最小同步级数。之后计算通信网络中每个节点到网络中其它各节点的最小同步级数之和后除以通信网络节点总数，得到该节点的全网平均时间同步级数。再针对网络中所有的通信节点，选出所需平均时间同步级数最小的节点作为通信网络的时间同步基准节点。最后以时间基准节点作为初始第0层级，通信网络中的每个节点以其与时间基准节点的最小同步级数，作为自身所在层级。按层级顺序进行逐级时间同步，直至网络所有节点达到时间同步。

本发明的具体步骤包括如下：

(1)获取节点同步级数集合：

(1a)从通信网络中随机选取由通信设备形成的待同步的两个通信节点，将所选两个节点间进行时间同步时需要经过的节点数目，作为两点间的同步级数；

(1b)将所选两节点经过不同路径的所有节点数目组成节点同步级数集合；

(1c)判断是否选完通信网络中的所有节点，若是，则执行步骤(2)，否则，执行步骤(1a)；

(2)计算节点的平均时间同步级数：

(2a)利用最小同步级数公式，计算所有节点的节点同步级数集合中节点数目最小的同步级数，作为最小同步级数；

(2b)利用平均时间同步级数公式，计算通信网络中每个节点到通信网络中其它各节点的最小同步级数之和后除以通信网络节点总数，得到该节点的平均时间同步级数；

(3)确定全网的时间基准节点：

将通信网络所有节点中平均时间同步级数最小的节点作为通信网络的时间同步基准节点，将时间同步基准节点的平均时间同步级数，作为通信网络中全网同步的节点平均时间同步级数；

(4)确定全网各节点所在层级：

利用与步骤(2a)中相同的最小同步级数公式，计算各节点到时间同步基准节点的最小同步级数，以每个节点到时间基准节点的最小同步级数，作为自身所在层级；

(5)进行全网时间同步：

以时间基准节点作为初始第0层级，按层级顺序进行逐级时间同步，相邻层级中的下一级节点各自与上一级的邻接节点进行时间同步，直至通信网络所有节点达到时间同步。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明计算通信网络中任意两节点间的最小同步级数，并将其用于计算节点的平均同步级数，克服了现有技术中误差与时延随层级的快速累积的缺点，减小了通信网络时间同步完成时所需要的级数，使得本发明降低了时间同步完成后整体通信网络的误差与时延，实现了通信网络中低误差与低时延的全网时间同步。

第二，本发明通过将平均时间同步级数最小的节点作为通信网络的时间同步基准节点，克服了现有技术中通信网络根据最大同步级数最小，无法唯一确定时间同步基准点的不足，进一步对备选时间基准点进行优选，将平均时间同步级数最小的节点作为通信网络的时间同步基准节点，实现了通信网络时间同步性能的优化。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1对本发明的具体步骤做进一步的描述。

步骤1，获取节点同步级数集合。

从通信网络中随机选取由通信设备形成的待同步的两个通信节点，将所选两个节点间进行时间同步时需要经过的节点数目，作为两点间的同步级数；

将所选两节点经过不同路径的所有节点数目组成节点同步级数集合。

判断是否选完通信网络中的所有节点，若是，则执行步骤2，否则，执行步骤1；

步骤2，计算节点的平均时间同步级数。

利用最小同步级数公式，计算所有节点的节点同步级数集合中节点数目最小的同步级数，作为最小同步级数。

所述最小同步级数公式如下：

l_ij＝min(P_ij)

其中，l_ij表示第i个节点到第j个节点间的最小同步级数，min表示取最小值操作，P_ij表示由第i个节点到第j个节点所有经过不同路径的节点数目组成的节点同步级数集合。

利用平均时间同步级数公式，计算通信网络中每个节点到网络中其它各节点的最小同步级数之和后除以通信网络节点总数，得到该节点的平均时间同步级数。

所述节点平均时间同步级数公式如下：

其中，L_i表示第i个节点的平均时间同步级数，∑表示求和操作,v表示通信网络中除第i个节点以外的其它所有节点，l_iv表示第i个节点到其它各节点间的最小同步级数，N表示通信网络内节点总数。

步骤3，确定全网的时间基准节点。

将通信网络所有节点中平均时间同步级数最小的节点作为通信网络的时间同步基准节点，将时间同步基准节点的平均时间同步级数，作为通信网络中全网同步的节点平均时间同步级数。

步骤4，确定全网各节点所在层级。

利用与步骤2中相同的最小同步级数公式，计算各节点到时间同步基准节点的最小同步级数，以每个节点到时间基准节点的最小同步级数，作为自身所在层级；

步骤5，进行全网时间同步。

以时间基准节点作为初始第0层级，按层级顺序进行逐级时间同步，相邻层级中的下一级节点各自与上一级的邻接节点进行时间同步，直至通信网络所有节点达到时间同步。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：

1.仿真实验条件：

本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel(R)Xeon(R)CPU，主频为3.1GHz，内存8GB。

本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 7操作系统和Matlab R2017a。

2.仿真内容及其结果分析：

本发明仿真实验是采用本发明和一个现有技术，分别对输入的多个通信网络拓扑连通关系矩阵进行全网平均同步级数计算，获得仿真结果如图2所示。

在仿真实验中，采用的现有技术是指：

宋晓雪在其发表的论文“无线自组织网络时间同步技术研究”(硕士学位论文，电子科技大学，2018.03)中公开了一种针对通信网络内所有节点分簇来完成时间同步的方法。

本发明仿真中通信网络内所有节点分簇是指，将选为簇首的节点集合进行时间同步广播分组，其它节点只接收不广播；针对与簇首邻接的其余节点进行广播分组；重复此过程进行来完成全网分簇型时间同步。针对这种分簇型广播的时间同步方法进行仿真，对其全网时间同步完成时的平均级数进行仿真计算。其中输入的多个通信网络拓扑连通关系矩阵表示通信网络中各节点不同连通关系的生成矩阵，其中关系矩阵的元素值表示其节点间的连通关系，1表示连通，0表示未连通。

下面结合图2的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。

图2中的横坐标表示通信网络拓扑结构中的节点总数，纵坐标表示通信网络时间同步完成时所需的时间同步级数，星星标示的曲线代表采用现有技术仿真得到的时间同步级数变化曲线，菱形标示的曲线代表采用通信网络中基于节点平均同步级数最小的时间同步方法得到的时间同步级数变化曲线。

由图2可以看出，针对通信网络中节点数目为5个，10个，15个，20个，25个，30个时在相同的通信网络拓扑结构内，相比于现有技术，本发明采用通信网络中基于节点平均同步级数最小的时间同步方法，其通信网络时间同步完成时所需要的级数依次为1.8，2.3，2.4，2.6，2.8，3.1，均小于现有技术时间同步完成时所需要的级数2.5，3.2，3.3，3.5，3.6，4.2。由此可见，本发明可以解决现有技术中误差与时延由于级数的增加而被逐级累加放大的缺点，通过有效减少通信网络时间同步完成时所需要的级数，进而减小通信网络时间同步的误差与时延，实现通信网络时间同步性能的优化。且随着通信网络节点数目的增加，这种优势也变得明显。

Claims (3)

1.一种通信网络中基于节点平均同步级数最小的时间同步方法，其特征在于，计算通信网络中所有节点的平均时间同步级数，选出所需平均时间同步级数最小的节点作为通信网络的时间同步基准节点，该方法的具体步骤如下：

(1)获取节点同步级数集合：

(1a)从通信网络中随机选取由通信设备形成的待同步的两个通信节点，将所选两个节点间进行时间同步时需要经过的节点数目，作为两点间的同步级数；

(1b)将所选两节点经过不同路径的所有节点数目组成节点同步级数集合；

(1c)判断是否选完通信网络中的所有节点，若是，则执行步骤(2)，否则，执行步骤(1a)；

(2)计算节点的平均时间同步级数：

(2a)利用最小同步级数公式，计算所有节点的节点同步级数集合中节点数目最小的同步级数，作为最小同步级数；

(2b)利用平均时间同步级数公式，计算通信网络中每个节点到通信网络中其它各节点的最小同步级数之和后除以通信网络节点总数，得到该节点的平均时间同步级数；

(3)确定全网的时间基准节点：

将通信网络所有节点中平均时间同步级数最小的节点作为通信网络的时间同步基准节点，将时间同步基准节点的平均时间同步级数，作为通信网络中全网同步的节点平均时间同步级数；

(4)确定全网各节点所在层级：

利用与步骤(2a)中相同的最小同步级数公式，计算各节点到时间同步基准节点的最小同步级数，以每个节点到时间基准节点的最小同步级数，作为自身所在层级；

(5)进行全网时间同步：

以时间基准节点作为初始第0层级，按层级顺序进行逐级时间同步，相邻层级中的下一级节点各自与上一级的邻接节点进行时间同步，直至通信网络所有节点达到时间同步。

2.根据权利要求1所述的通信网络中基于节点平均同步级数最小的时间同步方法，其特征在于，步骤(2a)中所述最小同步级数公式如下：

l_ij＝min(P_ij)

其中，l_ij表示第i个节点到第j个节点间的最小同步级数，min表示取最小值操作，P_ij表示由第i个节点到第j个节点所有经过不同路径的节点数目组成的节点同步级数集合。

3.根据权利要求1所述的通信网络中基于节点平均同步级数最小的时间同步方法，其特征在于，步骤(2b)中所述节点平均时间同步级数公式如下：

其中，L_i表示第i个节点的平均时间同步级数，∑表示求和操作,v表示通信网络中除第i个节点以外的其它所有节点，l_iv表示第i个节点到其它各节点间的最小同步级数，N表示通信网络内节点总数。