CN113079563A - 一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感器网络同步技术领域，具体地说是一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法。包括：步骤1，建立以网关为中心的层次化网络拓扑结构；步骤2，节点在每个同步周期，以层为单位更新同步时钟源；步骤3，每个节点根据动态选择的时钟源，完成与上一层节点的同步；按照步骤2‑3重复迭代，实现从网关到最外层节点的全网时间同步。本发明针对无线传感器网络应用在多干扰环境下通信效果受影响的问题，采用多时钟源自适应同步技术，实现复杂环境下无线传感器网络的高稳定同步。

Description

一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络同步技术领域，具体地说是一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法。

背景技术

无线传感器网络时间同步技术，在工业自动化、人机协同操作、智能电网等领域都有着广泛的应用。在工业和电力系统等复杂环境中应用时，由于现场存在大量的电磁噪声、其他无线设备的射频干扰，以及特殊环境下高温高湿和遮挡产生的多径干扰等影响，使得无线传感器网络节点间的通信性能降低，严重影响节点间的同步信息报文的交互。

目前，典型的无线传感器网络时间同步通常采用固定时间源。一方面，当被选择的时间源节点出现故障，相应所有子节点都将面临同步失效的问题；另一方面，对单一时间源同步信息收集，依赖于同步周期和信息采集次数，使得时间同步的恢复时间较长，节点消耗能量更多。因此，需要一种技术手段解决如何在复杂环境情况下，实现无线传感器网络稳定同步问题。

发明内容

针对现存的问题，本发明提出了一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法，包括以下步骤：

步骤1，建立以网关为中心的层次化网络拓扑结构；

步骤2，网络中的节点在每个同步周期，以层为单位更新同步时钟源；

步骤3，每个节点根据动态选择的时钟源，完成与上一层节点的同步；

如此按照步骤2-3重复迭代，实现从网关到最外层节点的全网时间同步。

所述层次化网络拓扑结构的建立步骤如下：

步骤1-1，网关上电初始化，向周围节点发起建立网络的请求，将自身层数编号设为0；然后周期性广播同步报文；

步骤1-2，在距离网关一跳范围内，接收到网关同步报文的节点将节点自身层数编号设为1，然后以相同的周期向下一层节点广播同步报文；

步骤1-3，下一层节点中，当收到多个节点发出的同步报文时，首先判断这些节点的层数，以最小层数加1作为自身节点的层数编号，然后继续广播同步报文，直至网络中所有节点依次确定所属层级，完成网络拓扑结构的建立。

所述同步报文中同时包含同步时间信息和自身节点的层信息。

所述节点更新同步时钟源的步骤如下：

步骤2-1，节点采集同步信息表，在指定同步窗口下采用线性回归方法计算节点间的相位偏移和频率偏移、获取同步周期误差，在下一周期到来之前调整同步周期；

步骤2-2，确定同步周期后，节点在每个同步周期监听网络同步信息报文；在子节点收到同步信息报文后，首先判断同步信息报文发送节点所在层次，如果该层次属于本地节点的父节点层，则可以使用该同步信息报文进行同步操作；

步骤2-3，当子节点同时收到多个父节点的同步信息报文时，根据通信质量依次排序，存入本地节点的时钟源列表；

步骤2-4，采用线性回归算法对列表中的时钟源进行误差补偿，把校正后的时钟源作为备用时钟源；

其中，子节点在每个同步周期都按照上述步骤2-2至2-4进行时钟源列表的更新。

所述节点动态选择时钟源的步骤如下：

步骤3-1，当子节点与父节点处于时钟源同步状态后，首先从本地节点的备选时钟源列表中选择上一周期通信质量最好的时钟源作为同步时钟；

步骤3-2，子节点选择时钟源后，如果收到同步报文则更新通信质量排序，没有收到同步报文则从列表中选择下一个时钟源作为同步时钟，继续监听同步报文；

步骤3-3，当子节点通过选择的时钟源完成时间同步后，更新时钟源列表。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：

1、网络中节点获得同步信息的时钟源不是唯一的，降低了节点的同步对固定时钟源的依赖，使得同步在网络中个别节点发生故障或受干扰情况下仍然能够正常运行，提高同步稳定性。

2、网络中每个节点都有多个同步时钟源，当网络发生异常事件时，可以自适应调整时钟源，减少网络同步的恢复时间，降低同步对网络能量的需求，提高网络节点的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的无线传感器网络同步方法流程图；

图2是本发明实施例的同步过程示意图；

图3是本发明实施例的同步时钟源更新流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1所示为基于多时钟源的无线传感器网络同步方法流程图，具体过程如下：

首先建立以网关为中心的层次化网络拓扑结构；然后在每个同步周期，节点以层为单位更新同步时钟源列表；当节点处于同步状态时，每个节点根据动态选择的时钟源，完成与上一层节点的同步；以此类推，实现从网关到最外层节点的全网时间同步。

如图2所示，网络的初始化阶段首先从网关开始，网关节点上电后，将自身节点层号设置为0，然后向其他节点广播带有时间信息和层信息的报文；节点1、2、3通过1跳就可以收到网关的报文，将各自的层号设置为1，同时向其他节点广播带有时间信息和层信息的报文；以此类推，节点4、5、6、7的层次编号为2；节点8、9、10、11、12的层次编号为3；至此，一个包含网关和3层结构的网络建立完毕。

图2所示网络中的6号节点，其邻居表中可能有2、3、5、7、10、11这六个邻居节点，节点的时钟源列表更新规则是父节点层的时钟源，所以可以排除5、7、10、11节点，将2、3节点作为备用时钟源存入时钟源列表，这样节点2和节点3都可以作为节点6的时间源，当节点2和3中某个节点运行出现故障导致同步失效，节点6可以迅速切换另一节点，快速恢复网络同步。

网络中同步时钟源更新流程如图3所示，首先确定子节点的同步周期。节点通过采集获得同步信息表，在指定同步窗口下进行同步模型运算，这里采用线性回归方法，分析节点间的相位偏移和频率偏移。在得到当前子节点与时间源父节点的同步误差后，进而通过误差评估对接下来周期内同步误差进行预测，将这些计算结果与用户需求同步误差对比，进而获得同步周期变化趋势，并指导同步源节点动态调整同步周期，以获得精度允许下的最大同步周期。

确定同步周期后，子节点在每个同步周期监听网络同步信息报文。在子节点收到同步信息报文后，首先判断同步信息报文发送节点所在层次，如果该层次属于本地节点的父节点层，则可以使用该同步信息报文进行同步操作。当本地子节点同时收到多个父节点的同步信息报文时，根据通信质量依次排序，存入时钟源列表。然后采用线性回归算法对列表中的时钟源进行误差补偿，把校正后的时钟源作为备用时钟源。节点在每个同步周期都按照上述步骤进行时钟源列表的更新。

本地子节点在每个同步周期从时钟源列表中选择出一个作为当前周期时钟源进行时间同步，而当下一个周期到来时再一次从时钟源列表中选择一个节点作为当前时钟源进行同步，如此周期运行。如图2所示，节点1、2、3作为网络中第一层节点，只能选择节点0(网关)作为时钟源，而对于层号大于1的节点则有更多选择机会。以图中5号节点为例，可以同时选择1和2作为时间源，选择原则是二者之中通信链路质量较好的节点作为时钟源，并根据每次同步源的同步通信情况动态更新通信链路质量信息。

按照上述同步方法，从网关节点0开始，每个同步周期，各层的节点在完成与上一层的时间同步后，进行时间信息报文的广播，为其他层节点同步提供同步时间源参考，依次类推，从内到外，实现从网关节点0到最外层节点12的全网时间同步。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立以网关为中心的层次化网络拓扑结构；

步骤2，网络中的节点在每个同步周期，以层为单位更新同步时钟源；

步骤3，每个节点根据动态选择的时钟源，完成与上一层节点的同步；

如此按照步骤2-3重复迭代，实现从网关到最外层节点的全网时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法，其特征在于，所述层次化网络拓扑结构的建立步骤如下：

步骤1-1，网关上电初始化，向周围节点发起建立网络的请求，将自身层数编号设为0；然后周期性广播同步报文；

步骤1-2，在距离网关一跳范围内，接收到网关同步报文的节点将节点自身层数编号设为1，然后以相同的周期向下一层节点广播同步报文；

步骤1-3，下一层节点中，当收到多个节点发出的同步报文时，首先判断这些节点的层数，以最小层数加1作为自身节点的层数编号，然后继续广播同步报文，直至网络中所有节点依次确定所属层级，完成网络拓扑结构的建立。

3.根据权利要求1所述的一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法，其特征在于，所述同步报文中同时包含同步时间信息和自身节点的层信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法，其特征在于，所述节点更新同步时钟源的步骤如下：

步骤2-1，节点采集同步信息表，在指定同步窗口下采用线性回归方法计算节点间的相位偏移和频率偏移、获取同步周期误差，在下一周期到来之前调整同步周期；

步骤2-2，确定同步周期后，节点在每个同步周期监听网络同步信息报文；在子节点收到同步信息报文后，首先判断同步信息报文发送节点所在层次，如果该层次属于本地节点的父节点层，则可以使用该同步信息报文进行同步操作；

步骤2-3，当子节点同时收到多个父节点的同步信息报文时，根据通信质量依次排序，存入本地节点的时钟源列表；

步骤2-4，采用线性回归算法对列表中的时钟源进行误差补偿，把校正后的时钟源作为备用时钟源；

其中，子节点在每个同步周期都按照上述步骤2-2至2-4进行时钟源列表的更新。

5.根据权利要求1所述的一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法，其特征在于，所述节点动态选择时钟源的步骤如下：

步骤3-1，当子节点与父节点处于时钟源同步状态后，首先从本地节点的备选时钟源列表中选择上一周期通信质量最好的时钟源作为同步时钟；

步骤3-2，子节点选择时钟源后，如果收到同步报文则更新通信质量排序，没有收到同步报文则从列表中选择下一个时钟源作为同步时钟，继续监听同步报文；

步骤3-3，当子节点通过选择的时钟源完成时间同步后，更新时钟源列表。

Images