CN110545551A - 一种低功耗定位信标全局时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗定位信标全局时间同步方法，包括：统计指定范围内的所有定位信标的信号收发对应关系，根据统计结果将所有定位信标作为网络节点以构建树形网络结构；对所述树形网络结构的每个网络节点分配工作时隙；从根节点开始由上至下逐层广播时间同步报文，直至所有定位信标的系统时间同步。本发明能够通过创建树形网络结构来实现所有定位信标的全局同步，时间同步是自上而下，即以根节点的时间为基准，一层层地向下进行同步，很好地控制了同步的稳定性，解决了传统信标时间同步对象不明确，导致系统时间混乱问题。另外，采用按工作时隙唤醒工作的方法，保证了定位信标的低功耗运行和有序广播，无须信标一直唤醒保持着监听状态。

Description

一种低功耗定位信标全局时间同步方法

技术领域

本发明涉及信标定位技术领域，具体而言涉及一种低功耗定位信标全局时间同步方法。

背景技术

传统的低功耗定位信标其工作模式是按一定的频率不停地向外广播信息，除了对外广播的时候，其余时间都处于一个低功耗休眠状态。因为定位信标唤醒对外广播的工作时间极短，绝大多数时间都处于低功耗休眠状态，其平均功耗也就几百甚至几十微安。因此，采用电池供电工作时长能达到一年甚至好几年。在此种的工作模型下，各个信标是完全单独工作的，没有任何相互影响或者关联的地方，各个信标的内部运行时间也是独立的。

为了实现定位信标协同工作，如：各个信标每周期都是严格按顺序进行广播，此时就需要对所有定位信标进行时间同步，一旦所有定位信标时间都同步后，就可以指定每个信标在不同的时间点进行广播，以此实现各个信标每周期顺序进行广播功能。目前定位信标常用的时间同步方法是，定位信标将同步时间信息包含在广播报文中对外广播，其它定位信标一直处于监听状态，一旦监听到带有同步时间信息的广播报文就进行时间同步并错开广播时间再对外广播带有同步时间的广播报文。这样，在层层广播同步后，所有定位信标时间都同步完成。但是，在这个过程中会存在几个问题。

第一，定位信标在等待接收上级定位信标广播时需要一直处于唤醒接收状态，此时功耗是巨大的，按此方法为了实现时间同步功能，将无法实现低功耗运行，必须采用常供电方案才可行。

第二，在定位信标层层时间同步的时候，若同层信标多个时，由于同层各个信标只避免了与上层信标的广播时间冲突，并未考虑到同层信标的广播时间冲突，特别当同层信标数量多时，广播时间冲突的可能性将大大提高，导致出现冲突的定位信标功能直接失效。

发明内容

本发明目的在于提供一种低功耗定位信标全局时间同步方法，通过创建树形网络结构来实现所有定位信标的全局同步，时间同步是自上而下，即以根节点的时间为基准，一层层地向下进行同步，很好地控制了同步的稳定性，解决了传统信标时间同步对象不明确，导致系统时间混乱问题。另外，采用按工作时隙唤醒工作的方法，保证了定位信标的低功耗运行和有序广播，在某些情况下，对于不具有执行任务的定位信标，只需要其在同步时间段内接收同步时间报文、并根据报文同步时间后即可继续切换至休眠状态，解决了传统信标需要监听时间同步报文需要一直唤醒保持着监听状态，从而导致功耗极大的问题。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种低功耗定位信标全局时间同步方法，所述同步方法包括：

S1：统计指定范围内的所有定位信标的信号收发对应关系，根据统计结果将所有定位信标作为网络节点以构建树形网络结构，每层的任意一个网络节点与上一层的其中一个网络节点、下一层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系；

S2：对所述树形网络结构的每个网络节点分配工作时隙，每个工作时隙内只有一个网络节点广播报文，报文中包括时间同步报文；

S3：从根节点开始由上至下逐层广播时间同步报文，直至所有定位信标的系统时间同步。

进一步的实施例中，所述每层的任意一个网络节点与上一层的其中一个网络节点、下一层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系是指：

第i层的任意一个网络节点具有以下属性，所述i＝1,2,…,n：

当i＝1时，第i层只包括一个网络节点，该网络节点与第(i+1)层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系；

当i＝2,..(n-1)时，第i层的任意一个网络节点与第(i-1)层其中一个网络节点和/或第(i+1)层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系；

当i＝n时，第i层的任意一个网络节点与第(i-1)层其中一个网络节点具有信号收发对应关系。

进一步的实施例中，步骤S1中，所述构建树形网络结构包括以下步骤：

S11：将其中一个定位信标作为网络的根节点，将根节点信号可达范围内的定位信标作为第一层网络节点；

S12：分别将第一层网络节点信号可达范围内的未加入树形网络结构的定位信标作为第二层网络节点，每个作为第二层网络节点的定位信标只与其中一个第一层网络节点具有信号收发对应关系；

S13：以此类推，重复步骤S12，直到所有定位信标均加入至树形网络结构中。

进一步的实施例中，所述工作时隙包括同步时间段，每个所述定位信标在工作时隙的同步时间段内广播时间同步报文。

进一步的实施例中，所述同步时间段设置在工作时隙起点处或结尾处。

进一步的实施例中，所述信号收发对应关系是指，

当所述报文中包括时间同步报文时，任意一个网络节点在自身所属工作时隙的同步时间段内具有唤醒与自身相对应的所有下一层网络节点、并且对其广播时间同步报文的特性。

进一步的实施例中，所述同步方法还包括：

不具有执行任务的下一层网络节点在接收时间同步报文、以及按照时间同步报文同步自身系统时间后切换至休眠状态。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于，

(1)定位信标通过创建网络的形式来实现所有定位信标的全局同步，解决了传统信标时间同步对象不明确，导致系统时间混乱问题。

(2)所创建的网络采用树形结构，只有一个根节点，使时间同步自上而下进行，即将根节点的时间作为基准，一层层地向下进行同步，有效控制了同步的稳定性和有序性。

(3)采用按时隙唤醒工作的方法，保证了信标的低功耗运行和有序广播，在某些情况下，对于不具有执行任务的定位信标，只需要其在同步时间段内接收同步时间报文、并根据报文同步时间后即可继续切换至休眠状态，解决了传统信标需要监听时间同步报文需要一直唤醒保持着监听状态，从而导致功耗极大的问题。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的低功耗定位信标全局时间同步方法的流程图。

图2是本发明的树形网络结构的结构示意图。

图3是本发明的工作时隙的例子示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1，本发明提出一种低功耗定位信标全局时间同步方法，所述同步方法包括：

S1：统计指定范围内的所有定位信标的信号收发对应关系，根据统计结果将所有定位信标作为网络节点以构建树形网络结构，每层的任意一个网络节点与上一层的其中一个网络节点、下一层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系。

S2：对所述树形网络结构的每个网络节点分配工作时隙，每个工作时隙内只有一个网络节点广播报文，报文中包括时间同步报文。

S3：从根节点开始由上至下逐层广播时间同步报文，直至所有定位信标的系统时间同步。

下面结合具体例子对前述同步方法做进一步说明。

第一步，构建树形网络结构

在一些例子中，所述构建树形网络结构包括以下步骤：

S11：将其中一个定位信标作为网络的根节点，将根节点信号可达范围内的定位信标作为第一层网络节点。

S12：分别将第一层网络节点信号可达范围内的未加入树形网络结构的定位信标作为第二层网络节点，每个作为第二层网络节点的定位信标只与其中一个第一层网络节点具有信号收发对应关系。

S13：以此类推，重复步骤S12，直到所有定位信标均加入至树形网络结构中。

通过该方法可以将定位信标尽可能地设置在靠近根节点的网络层内，整体同步时间短，同步效率高。

结合图2，构建的树形网络结构具有以下特性：

所述每层的任意一个网络节点与上一层的其中一个网络节点、下一层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系。

假设树形网络结构共有n层，i＝1,2,…,(n-1),n。

(1)当i＝1时，第一层只包括一个网络节点，该网络节点被定义成根节点，其无上一层网络，因此只与第(i+1)层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系。

(2)当i＝2,..(n-1)时，第i层的任意一个网络节点与第(i-1)层其中一个网络节点和/或第(i+1)层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系。

(3)当i＝n时，第n层的任意一个网络节点均无对应的下一层网络节点，因此只与第(n-1)层其中一个网络节点具有信号收发对应关系。

定位信标通过创建网络的形式来实现所有定位信标的全局同步，解决了传统信标时间同步对象不明确，导致系统时间混乱问题。

通过采用树形网络结构，使时间同步自上而下进行，即将根节点的时间作为基准，一层层地向下进行同步，有效控制了同步的稳定性和有序，解决了传统信标时间同步对象不明确，导致系统时间混乱问题。

第二步，划分工作间隙，在工作间隙内进行全局时间同步

网络创建完成后，对每个网络节点分配工作时隙，例如将一个广播周期划分成若干个工作时隙，工作时隙与网络节点一一对应，每个网络节点只在分配给自己的工作时隙中广播报文数据，以保证各个信标节点广播报文时不会冲突。优选的，工作时隙的分配顺序符合树形网络由上至下的发送顺序。报文数据中包括时间同步报文，用于使与之对应的下层信标将系统时间同步至与之一致。

通过树形网络，可以实现网络层层同步，即第一层网络接收根节点广播的时间同步报文使第一层网络的信标节点与根节点同步，第二层网络接收第一层网络节点广播的时间同步报文使第二层网络的信标节点与第一层网络节点同步。通过层层网络同步的方法实现网络的全局同步。

在一些例子中，时间同步流程和任务执行流程分为两个广播周期执行，对于该种情况，定位信标在其中一个广播周期内广播的报文就只有时间同步报文，整个广播周期只用于同步所有定位信标的系统时间，再采用另一个广播周期执行其他任务，如数据交互等。

结合图3，在另一些例子中，时间同步流程和任务执行流程在同一个广播周期内执行，该方式的数据发送效率更高，广播的报文不但包括时间同步报文，还包括其他任务数据。为了避免两种报文混淆收发，优选的，所述工作时隙包括同步时间段，每个所述定位信标在工作时隙的同步时间段内广播时间同步报文。更加优选的，所述同步时间段设置在工作时隙起点处或结尾处。以设置在工作时隙起点处为例，定位信标在同步时间段内完成具有对应关系的所有定位信标的时间同步，之后开始执行如数据交互等任务。

在另一些例子中，所述信号收发对应关系是指，

当所述报文中包括时间同步报文时，任意一个网络节点在自身所属工作时隙的同步时间段内具有唤醒与自身相对应的所有下一层网络节点、并且对其广播时间同步报文的特性。

每个信标设定工作时隙及上级信标的工作时隙，当到达工作时隙需要向外广播时间同步信息时，定位信标自动唤醒对外广播之后立即进入低功耗状态。同时，当信标需要接收上级信标广播同步时间时，定位信标自动唤醒接收上级信标进行时间同步，之后立即进入低功耗状态。这样，在整个时间周期，定位信标只需要在两个时间点唤醒工作，而且工作时间极短，平均功耗保持在极低的工作状态下。

优选的，所述同步方法还包括：

不具有执行任务的下一层网络节点在接收时间同步报文、以及按照时间同步报文同步自身系统时间后切换至休眠状态。

例如，第一层的根节点1对应于第二层的2，3，4三个网络节点，在一个广播周期内，其需要同步2，3，4三个网络节点的系统时间，同时需要和节点2执行位置信息交互。假设同步时间段设置在工作时隙的起点处。根节点1在到达自身工作时隙时，首先广播时间同步报文，同时唤醒节点2、3、4进行系统时间同步，在同步时间段结束后，节点3、4完成系统时间同步，继续休眠，在剩下的工作时隙内，节点1和节点2执行位置信息交互后休眠，从而尽可能地降低每个定位信标的功耗。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种低功耗定位信标全局时间同步方法，其特征在于，所述同步方法包括：

S1：统计指定范围内的所有定位信标的信号收发对应关系，根据统计结果将所有定位信标作为网络节点以构建树形网络结构，每层的任意一个网络节点与上一层的其中一个网络节点、下一层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系；

S2：对所述树形网络结构的每个网络节点分配工作时隙，每个工作时隙内只有一个网络节点广播报文，报文中包括时间同步报文；

S3：从根节点开始由上至下逐层广播时间同步报文，直至所有定位信标的系统时间同步。

2.根据权利要求1所述的低功耗定位信标全局时间同步方法，其特征在于，所述每层的任意一个网络节点与上一层的其中一个网络节点、下一层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系是指：

第i层的任意一个网络节点具有以下属性，所述i＝1,2,…,n：

当i＝1时，第i层只包括一个网络节点，该网络节点与第(i+1)层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系；

当i＝2,..(n-1)时，第i层的任意一个网络节点与第(i-1)层其中一个网络节点和/或第(i+1)层的一个或者多个网络节点具有信号收发对应关系；

当i＝n时，第i层的任意一个网络节点与第(i-1)层其中一个网络节点具有信号收发对应关系。

3.根据权利要求1或者2所述的低功耗定位信标全局时间同步方法，其特征在于，步骤S1中，所述构建树形网络结构包括以下步骤：

S11：将其中一个定位信标作为网络的根节点，将根节点信号可达范围内的定位信标作为第一层网络节点；

S12：分别将第一层网络节点信号可达范围内的未加入树形网络结构的定位信标作为第二层网络节点，每个作为第二层网络节点的定位信标只与其中一个第一层网络节点具有信号收发对应关系；

S13：以此类推，重复步骤S12，直到所有定位信标均加入至树形网络结构中。

4.根据权利要求1所述的低功耗定位信标全局时间同步方法，其特征在于，所述工作时隙包括同步时间段；每个所述定位信标在工作时隙的同步时间段内广播时间同步报文。

5.根据权利要求4所述的低功耗定位信标全局时间同步方法，其特征在于，所述同步时间段设置在工作时隙起点处或结尾处。

6.根据权利要求4所述的低功耗定位信标全局时间同步方法，其特征在于，所述信号收发对应关系是指，

当所述报文中包括时间同步报文时，任意一个网络节点在自身所属工作时隙的同步时间段内具有唤醒与自身相对应的所有下一层网络节点、并且对其广播时间同步报文的特性。

7.根据权利要求6所述的低功耗定位信标全局时间同步方法，其特征在于，所述同步方法还包括：不具有执行任务的下一层网络节点在接收时间同步报文、以及按照时间同步报文同步自身系统时间后切换至休眠状态。