CN114553358B - 一种物联网分布式精确时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种物联网分布式精确时间同步方法，该方法包括：初始化系统；待入网节点等待接收无线传感器网络广播的DIO报文；待入网节点解析报文对应节点的MAC地址，并进行单播DIO报文探测；根据报文探测数据执行最优时间同步父节点选择算法，得到候选父节点；待入网节点根据选择的候选父节点进行入网，并向该节点发送入网控制信息报文；待入网节点接收候选父节点的ACK帧，并对ACK帧进行解析，得到时间戳；根据时间戳执行时间同步算法，使得待入网节点的时间与父节点时间同步；本发明采用了在MAC层ACK中封装时间戳的方式不额外产生通信代价，并且网络中越上层节点天然拥有更频繁的时间同步次数。

Description

一种物联网分布式精确时间同步方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种物联网分布式精确时间同步方法。
背景技术
随着WSNs(Wireless Sensors Networks，无线传感器网络)的不断深入研究和发展，它已经深入到了各大物联网领域。近年来，随着国家大力推动物联网事业发展(无线传感器网络技术是物联网技术中的关键技术之一)，WSNs也得到了更大程度的发展。为了更准确描述物联网中的物理量，共同的时间参考是必不可少，所有节点必须在共同的时间下进行工作。因此，如何在多跳无线传感器网络中实现全网的高精度时间同步方法是WSNs的重点研究之一。
时间同步是维持无线传感器网络稳定运行的关键技术之一，该技术将全网网络节点的时间统一到标准时间上，是无线传感器网络的数据采集、协议实现、功耗管理等应用的基础。多跳网络是指一种动态的可扩展的网络架构，根节点和目的节点间的通信路径是由多跳组成的，每个节点不仅具有收发功能，还具有路由和报文转发功能。MAC(MediumAccess Control，媒体访问控制)层是IEEE 802.15.4标准中负责物理信道访问机制的网络协议层，主要包括CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with CollisionAvoidance，载波侦听多路访问/碰撞避免)技术和ACK(Acknowledgment，确认帧)技术。通常情况下，在MAC层的CSMA/CA机制中，如果站点A向站点B发送一个数据帧，站点B收到该数据帧后应该向站点A反馈一个ACK。如果站点B未反馈ACK，则根据CSMA/CA技术，站点A会按照传统的二进制指数退避算法进行退避重传。分布式时间同步方法是指在多跳网络中，所有节点一对一进行时间同步，这样的时间同步是分布式的，即一跳节点向根节点进行一对一时间同步，然后网络中每一跳节点均以子节点向父节点进行同步为规则，该时间同步方法依赖于路由协议。
目前，无线传感器网络的时间同步方法主要采用了单向时间同步方法、双向时间同步方法、集中式计算时间同步方法等。其中，在传统的单向或双向时间同步方法中使用专门的时间同步命令帧会导致无线传感器网络中出现除数据包以外的额外通信代价，并且使用单向时间同步策略会导致时间同步方法的精度不高；使用集中式计算时间同步方法在理论上将所有时间同步计算压力集中到根节点，理论可行，但是实际部署上存在问题，因此如何提高无线传感器网络节点时间同步的精确度和效率是目前亟待解决的问题。
发明内容
为解决以上现有技术存储的问题，本发明提出了一种物联网分布式精确时间同步方法，该方法包括：构建无线传感器多跳网络拓扑结构，该结构中包括root节点、普通节点以及待入网的节点，root节点和各个普通节点通过无线信道相连；无线传感器多跳网络执行时间同步的过程包括：
S1：初始化系统；待入网节点等待接收无线传感器网络广播的DIO报文；
S2：待入网节点收到DIO报文后，解析该报文对应节点的MAC地址，并进行至少3次的单播DIO报文探测；
S3：待入网节点根据报文探测数据执行最优时间同步父节点选择算法，得到候选父节点；
S4：待入网节点根据选择的候选父节点进行入网，并像该节点发送入网控制信息报文；
S5：待入网节点在发送控制报文时，在MAC层接收到至少3次候选父节点的ACK帧，并对ACK帧进行解析，得到时间戳；根据时间戳执行时间同步算法，使得待入网节点的时间与父节点时间同步；
S6：确定待入网节点是否入网结束，即待入网节点在网络中收到其他节点的单播包时依据最优时间同步父节点选择算法得到更优值，并返回步骤S3，否则该节点入网结束。
优选的，无线传感器多跳网络拓扑结构中的各个节点为与无线传感器网络相匹配的单片机。
优选的，待入网节点执行最优时间同步父节点选择算法的过程包括：
步骤1：未入网节点x等待接收广播DIO报文，该DIO报文包含网络的基本信息；
步骤2：判断未入网节点x是否接收到广播DIO报文，若未接收到DIO报文，则返回步骤1，若接收到DIO报文，则执行步骤3；
步骤3：节点x对候选父节点进行至少1轮单播DIO探测，计算出与候选父节点y的VRS比α；
步骤4：获取节点x的最优VRS比αtemp，判断α与αtemp的大小，若α大于αtemp，则执行步骤5，否则返回步骤1；
步骤5：将α的值赋予αtemp，完成αtemp的更新，并将节点y作为节点x的父节点；
步骤6：节点x在网络中与其他节点进行数据交互，计算节点x与其他节点的VRS比α1；
步骤7：判断α1与更新后的αtemp进行大小比较，若α1大于更新后的αtemp，则执行步骤8，否则返回步骤6；
步骤8：将α1的值赋予αtemp，完成αtemp的更新，并更改节点x的父节点；
步骤9：判断网络是否结束，若节点x退出网络，则网络结束，若不结束，则返回步骤6。
进一步的，计算待接入节点与网络上的节点的VRS比的公式为：
αi(t)＝1+Δαi+sit
其中，αi(t)表示节点i在t时刻的实际时钟斜率，Δαi表示节点i初始化的斜率偏移量，si表示节点i的VRS，t表示t时刻。
优选的，采用时间同步算法对待入网节点进行时间同步的过程包括：子节点获取8个时间戳；根据获取的时间戳依次计算频率偏移量和相位偏移量；根据计算出的频率偏移量和相位偏移量对子节点的时间进行补偿同步，完成网络节点的时间同步。
进一步的，子节获取8个时间戳包括两轮频率偏移矫正和一轮相位补偿；第一轮频率偏移矫正过程中，父节点记录发送时刻t1后封装到帧并发送给子节点，子节点收到后记录接收时刻t2；第二轮频率偏移矫正过程中，父节点记录发送时刻t3后封装到帧并发送给子节点，子节点记录接收时刻t4；相位补偿过程中，子节点记录发送时刻t5后封装到帧并发送给父节点，父节点收到后记录接收时刻t6；父节点再记录一个发送时刻t7后封装到帧并发送给子节点，子节点最后记录接收时刻t8。
进一步的，计算频率偏移量的公式为：
其中，αij表示父节点i与子节点j之间的频率偏移比值，αx表示节点x的频率，表示节点x时刻t的实际时钟值。
进一步的，计算相位偏移量的公式为：
其中，表示节点x时刻t的实际时钟值。
进一步的，对子节点的时间进行补偿同步的公式为：
其中，αij表示父节点i与子节点j之间的频率偏移比值，αi表示节点i的频率，t表示时刻，表示相位偏移量。
本发明的有益效果：
本发明克服了额外通信代价、精度不高、部署难的问题，本发明采用了在MAC层ACK中封装时间戳的方式不额外产生通信代价，并且网络中越上层节点天然拥有更频繁的时间同步次数；其次，本发明采用了基于PTP(Procession Time Protocol)协议的改进时间同步模型，精度较高、网络节点算力可承受；最后，本发明提出了一种基于VRS(Varying Ratesof Skew)比的最优父节点选择策略，在入网的父节点选择阶段择优选择时间同步效果更佳的节点进行同步，从而提升网络整体时间同步精度。
附图说明
图1为本发明的无线传感器多跳网络拓扑结构图；
图2为本发明的时间同步算法模型的结构图；
图3为本发明的ACK帧格式示意图；
图4为本发明的最优时间同步父节点选择算法流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明可以在无线传感器网络中实现无需额外时间同步通信和高精度时间同步，以此降低传感器节点功耗和通信代价，并可兼顾精度和CPU算力。本文给出了一个优选实例，一个新的时间同步方法。
一种物联网分布式精确时间同步方法，该方法包括：构建无线传感器多跳网络拓扑结构，该结构中包括root节点、普通节点以及待入网的节点，root节点和各个普通节点通过无线信道相连；无线传感器多跳网络执行时间同步的过程包括：
S1：初始化系统；待入网节点等待接收无线传感器网络广播的DIO报文；
S2：待入网节点收到DIO报文后，解析该报文对应节点的MAC地址，并进行至少3次的单播DIO报文探测；
S3：待入网节点根据报文探测数据执行最优时间同步父节点选择算法，得到候选父节点；
S4：待入网节点根据选择的候选父节点进行入网，并像该节点发送入网控制信息报文；
S5：待入网节点在发送控制报文时，在MAC层接收到至少3次候选父节点的ACK帧，并对ACK帧进行解析，得到时间戳；根据时间戳执行时间同步算法，使得待入网节点的时间与父节点时间同步；
S6：确定待入网节点是否入网结束，即待入网节点在网络中收到其他节点的单播包时依据最优时间同步父节点选择算法得到更优值，并返回步骤S3，否则该节点入网结束。
如图1所示，本发明实施例提供的无线传感器多跳网络拓扑结构图，其中节点1是CCO(Central Coordinator，中央协调器)，也代表了RPL协议中的root节点，图1示出的节点2至6是已组入网络中的普通节点，节点7代表了需要入网的节点。所述节点1(root节点)通过无线信道与多个普通节点相联，另外所有节点主要是与无线传感器网络相匹配的单片机(Single-Chip Microcomputer)，如CC13XX-CC26XX系列。
如图2所示，第一部分：构建的时间同步算法模型。第一步，第一轮频率偏移矫正，父节点记录发送时刻t1后封装到帧并发送给子节点，子节点收到后记录接收时刻t2；第二步，第二轮频率偏移矫正，父节点记录发送时刻t3后封装到帧并发送给子节点，子节点记录接收时刻t4；第三步，一轮相位补偿，该轮分为两小步，首先子节点记录发送时刻t5后封装到帧并发送给父节点，父节点收到后记录接收时刻t6，然后父节点再记录一个发送时刻t7后封装到帧并发送给子节点，子节点最后记录接收时刻t8。因此，一个完整的时间同步模型一次时间同步需要子节点保存8个时间戳。
子节点利用8个时间戳依次计算出频率偏移和相位补偿。公式(1)示出了频率偏移计算方法。
αij表示父节点i与子节点j之间的频率偏移比值，αx表示节点x的频率，由时钟规律可知频率是一个与VRS相关的动态值，表示节点x时刻t的实际时钟值。得到频率偏移后，还要进行相位补偿。
由公式(2)示出，父节点i与子节点j之间的相位补偿为
由公式(3)示出，经过频偏矫正和相位补偿后估计的父节点i在t时刻的标准时间
第二部分：适应时间同步的MAC层确认机制。由第一部分可知，时间同步模型需要进行多轮的交互，具体的交互行为由第二部分解决。首先，如图3示出，是一种包含时间戳的ACK确认帧，第一行表示每个字段的大小，第二个行表示字段，本发明采用的是8字节时间戳提高精度，其中num字段用于计算轮数，seq字段用于对某序列号的数据帧的确认(ACK帧的基础功能)，hop字段用于传递跳数，使每个新入网节点知晓自身跳数，source字段代表该帧的发送方MAC层16bit短地址，通过该字段可以知道哪个ACK是由父节点发送的，timestamp字段用于存储时间戳。
其次，通过以下三种方式触发MAC层确认机制完成时间同步。
1)在RPL路由协议中，WSN中的所有节点会按规律广播DIO报文，当外界的未入网节点欲入网时，收到广播DIO报文则会分析出发送广播DIO的节点16bit短地址，进而对该备选父节点进行多轮单播DIO探测，在每轮单播DIO探测时，子节点MAC层将会触发确认机制。
2)当节点入网后，会定时向root节点发送传感器数据即数据包，该数据包会首先发送给该节点的父节点，在这个过程中，子节点MAC层会触发确认机制，即MAC层收到父节点对该数据帧的ACK确认帧。
3)由于多跳网络中，向root节点发送的数据包会经过层层转发，因此，每层节点转发给上层父节点时，MAC层均会触发确认机制，因此在树型网络中，越上层节点的时间同步次数越频繁。
第三部分：最优时间同步父节点选择。首先，本发明采用公式(4)的时间模型，α代表了时钟的频率，可知该变量是一个基于t的一次函数。
Ct(t)＝αi(t)t+βi (4)
该函数可由公式(5)示出，其中Δαi是一个常量，si代表了节点i的VRS值，因此可以得出结论，时钟模型的变化主要在于VRS值，即VRS差距过大的两个节点，时钟偏移的量越大，VRS差距小的两个节点，更容易实现高精度时间同步。
αi(t)＝1+Δαi+sit (5)
因此，本发明将VRS比的概念即公式(1)引入RPL协议的父节点选择中，通过入网阶段选择最佳时间同步父节点，达到网络的时间同步整体更优。本实施例描述的最优时间同步父节点选择算法如图4示出，所述方法包括如下：
步骤1：未入网节点x等待接收广播DIO报文，该DIO报文包含网络的基本信息；
步骤2：判断未入网节点x是否接收到广播DIO报文，若未接收到DIO报文，则返回步骤1，若接收到DIO报文，则执行步骤3；
步骤3：节点x对候选父节点进行至少1轮单播DIO探测，计算出与候选父节点y的VRS比α；
步骤4：获取节点x的最优VRS比αtemp，判断α与αtemp的大小，若α大于αtemp，则执行步骤5，否则返回步骤1；
步骤5：将α的值赋予αtemp，完成αtemp的更新，并将节点y作为节点x的父节点；
步骤6：节点x在网络中与其他节点进行数据交互，计算节点x与其他节点的VRS比α1；
步骤7：判断α1与更新后的αtemp进行大小比较，若α1大于更新后的αtemp，则执行步骤8，否则返回步骤6；
步骤8：将α1的值赋予αtemp，完成αtemp的更新，并更改节点x的父节点；
步骤9：判断网络是否结束，若结束，则将节点x与父节点相连，若不结束，则返回步骤6。
本发明采用了改进的PTP时间同步模型和8字节时间戳，可以有效实现频率偏移矫正和相位补偿，并且精度高于FTSP；其次，大多数时间同步方法均需要额外的通信代价，因此，本发明将时间同步模型嵌入到MAC层的确认机制中，无需专门的时间同步命令帧即可实现时间戳的交互，并且天然实现更高节点具备更多时间同步次数；第三，大多数时间同步方法均无法实现对VRS的定制化时间同步精度优化，本发明基于VRS做最优父节点选择，隐性完成分簇工作，实现了全网高精度时间同步。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种物联网分布式精确时间同步方法，其特征在于，包括：构建无线传感器多跳网络拓扑结构，该结构中包括root节点、普通节点以及待入网的节点，root节点和各个普通节点通过无线信道相连；无线传感器多跳网络执行时间同步的过程包括：
S1：初始化系统；待入网节点等待接收无线传感器网络广播的DIO报文；
S2：待入网节点收到DIO报文后，解析该报文对应节点的MAC地址，并进行至少3次的单播DIO报文探测；
S3：待入网节点根据报文探测数据执行最优时间同步父节点选择算法，得到候选父节点；具体过程包括：
S31：未入网节点x等待接收广播DIO报文，该DIO报文包含网络的基本信息；
S32：判断未入网节点x是否接收到广播DIO报文，若未接收到DIO报文，则返回S31，若接收到DIO报文，则执行S33；
S33：节点x对候选父节点进行至少1轮单播DIO探测，计算出与候选父节点y的VRS比α；计算待接入节点与网络上的节点的VRS比的公式为：
αi(t)＝1+Δαi+sit
其中，αi(t)表示节点i在t时刻的实际时钟斜率，Δαi表示节点i初始化的斜率偏移量，si表示节点i的VRS，t表示t时刻；
S34：获取节点x的最优VRS比αtemp，判断α与αtemp的大小，若α大于αtemp，则执行S35，否则返回S31；
S35：将α的值赋予αtemp，完成αtemp的更新，并将节点y作为节点x的父节点；
S36：节点x在网络中与其他节点进行数据交互，计算节点x与其他节点的VRS比α1；
S37：判断α1与更新后的αtemp进行大小比较，若α1大于更新后的αtemp，则执行S38，否则返回S36；
S38：将α1的值赋予αtemp，完成αtemp的更新，并更改节点x的父节点；
S39：判断网络是否结束，若节点x退出网络，则网络结束，若不结束，则返回S36；
S4：待入网节点根据选择的候选父节点进行入网，并向该节点发送入网控制信息报文；
S5：待入网节点在发送控制报文时，在MAC层接收到至少3次候选父节点的ACK帧，并对ACK帧进行解析，得到时间戳；根据时间戳执行时间同步算法，使得待入网节点的时间与父节点时间同步；
S6：确定待入网节点是否入网结束，即待入网节点在网络中收到其他节点的单播包时依据最优时间同步父节点选择算法得到更优值，并返回步骤S3，否则该节点入网结束。
2.根据权利要求1所述的一种物联网分布式精确时间同步方法，其特征在于，无线传感器多跳网络拓扑结构中的各个节点为与无线传感器网络相匹配的单片机。
3.根据权利要求1所述的一种物联网分布式精确时间同步方法，其特征在于，采用时间同步算法对待入网节点进行时间同步的过程包括：子节点获取8个时间戳；根据获取的时间戳依次计算频率偏移量和相位偏移量；根据计算出的频率偏移量和相位偏移量对子节点的时间进行补偿同步，完成网络节点的时间同步。
4.根据权利要求3所述的一种物联网分布式精确时间同步方法，其特征在于，子节获取8个时间戳包括两轮频率偏移矫正和一轮相位补偿；第一轮频率偏移矫正过程中，父节点记录发送时刻t1后封装到帧并发送给子节点，子节点收到后记录接收时刻t2；第二轮频率偏移矫正过程中，父节点记录发送时刻t3后封装到帧并发送给子节点，子节点记录接收时刻t4；相位补偿过程中，子节点记录发送时刻t5后封装到帧并发送给父节点，父节点收到后记录接收时刻t6；父节点再记录一个发送时刻t7后封装到帧并发送给子节点，子节点最后记录接收时刻t8。
5.根据权利要求3所述的一种物联网分布式精确时间同步方法，其特征在于，计算频率偏移量的公式为：
其中，αij表示父节点i与子节点j之间的频率偏移比值，αx表示节点x的频率，表示节点x时刻t的实际时钟值。
6.根据权利要求3所述的一种物联网分布式精确时间同步方法，其特征在于，计算相位偏移量的公式为：
其中，表示节点x时刻t的实际时钟值。
7.根据权利要求3所述的一种物联网分布式精确时间同步方法，其特征在于，对子节点的时间进行补偿同步的公式为：
其中，αij表示父节点i与子节点j之间的频率偏移比值，αi表示节点i的频率，t表示时刻，表示相位偏移量。
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