一種wia-pa網絡中簇內節(jié)點間監(jiān)聽式時鐘同步的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線網絡通信技術領域，尤其涉及WIA-PA網絡中的一種時鐘同步方 法。
【背景技術】
[0002] 工業(yè)無線網絡WIA-PA規(guī)范是中國無線工業(yè)聯(lián)盟推出的一個具有自主知識產權技 術規(guī)范。采用星型網和網狀網絡結構相結合的兩層網絡拓撲結構，其中第一層為網狀結構， 由網關和路由器組成；第二層為星型結構，主要由路由器和終端設備組成，路由器為星型網 的簇首，終端設備為簇內成員。WIA-PA的數(shù)據(jù)鏈路層支持基于時隙的跳頻機制、重傳機制、 TDMA和CSMA混合信道訪問機制，保證了傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，WIA-PA的密鑰信息保證了 網絡的安全性。
[0003] 在無線傳感器網絡時間同步方法中，根據(jù)在時間同步過程中所使用時間信息的記 錄方式不同，可以分為三類算法：基于單方向的同步算法、基于接收方一接收方的同步算 法、基于報文信息交換的同步算法?；趩畏较虻耐剿惴ㄖ饕蠨MTS算法、FTSP算法， 基于接收方一接收方的同步算法主要是指RBS算法，基于報文信息交換的算法主要有TPSN 算法、Mini-sync算法和Tiny-sync算法。WIA-PA網絡規(guī)定的標準時間同步方法包括：信標 幀時間同步機制和命令幀時間同步機制。當節(jié)點應用需求精度低于支持時隙通信的時間同 步精度時，由于節(jié)點晶振本身的偏移，會造成各節(jié)點的本地時間不完全同步，簇首通過廣播 信標幀即可滿足通信所需時間同步精度，到達整個網絡的時間同步；當應用所需的時間同 步精度高于維持系統(tǒng)運行的時間同步精度時，信標幀提供的系統(tǒng)時間精度不能滿足節(jié)點應 用的時間同步需求，可以通過WIA-PA協(xié)議專門設計的時間同步命令幀進行時間同步。
[0004] 目前WIA-PA網絡時間同步機制存在的主要問題主要有：第一，命令幀時間同步是 解決較高時間精度節(jié)點同步的一個有效策略，但是當簇內存在多個較高應用精度需求節(jié)點 時，簇首需要發(fā)送的時間同步命令幀數(shù)量急劇地增長，大大消耗了能量和通信資源，同時電 池供電的資源受限傳感器子節(jié)點不足以支撐頻繁地發(fā)送和接收命令幀（在節(jié)點收發(fā)報文 時，射頻消耗的能量占比最大，特別是對于網絡中能量受限的節(jié)點能量的節(jié)約十分關鍵）。 第二，WIA-PA標準中并沒有統(tǒng)一認知和標準的監(jiān)聽屬性信息的表示形式，另外也沒有設計 專門的時間同步監(jiān)聽請求幀和監(jiān)聽請求響應幀。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種減少簇首發(fā)送時間同步命令幀的個數(shù)，使得簇 內所需發(fā)送的時間同步命令幀最小，達到全局最優(yōu)，盡可能地減少時間同步相關報文的發(fā) 送數(shù)量，減少資源的消耗，節(jié)省資源受限傳感器節(jié)點的能量。的WIA-PA網絡中簇內節(jié)點間 監(jiān)聽式時鐘同步的方法，本發(fā)明的技術方案如下：一種WIA-PA網絡中簇內節(jié)點間監(jiān)聽式時 鐘同步的方法，WIA-PA網絡中節(jié)點Q為時間源節(jié)點且作為簇首，節(jié)點P 1, P2,...，Pk為待同步 節(jié)點，該時鐘同步的方法包括以下步驟：
[0006] 101、節(jié)點PJl彡i彡k)獲取節(jié)點本身的應用時間需求精度并賦值給變量yi，并
同步周期Ti，并將其攜帶在發(fā)送給簇首Q的時間同步命令請求幀中；
[0007] 102、簇首Q接收時間同步命令請求幀，獲得各節(jié)點的時間同步命令請求幀時間同 步周期T 1, T2,. . .，Tk，利用公式Tm= min{T i，T2,. . .，Tk}得出所需最小發(fā)送周期的節(jié)點為Pm 且其發(fā)送周期節(jié)點為Tm;
[0008] 103、簇首Q構造時間同步命令幀，并將時間同步命令幀發(fā)送給節(jié)點Pm，節(jié)點P n^ 到時間同步命令幀后，獲取其中攜帶的簇首Q的時間信息并用其更新自己的時間；
[0009] 104、非最小周期節(jié)點Pj (1彡j彡k, j辛m)通過向簇首Q發(fā)送時間同步監(jiān)聽請求 幀，請求獲取所需最小發(fā)送周期的節(jié)APm的超幀表、LINK表和密鑰，并根據(jù)最小發(fā)送周期的 節(jié)點P m的超幀表、LINK表和密鑰監(jiān)聽節(jié)點P m與簇首Q之間的時間同步命令幀，并根據(jù)時間 同步命令幀的信息更新非最小周期節(jié)點Pj (I < j < k, j辛m)的時間。
[0010] 進一步的，步驟104具體包括以下步驟：
[0011] B41、非最小周期節(jié)點&對WIA-PA的網絡層命令請求幀格式進行擴展，構造時間 同步監(jiān)聽請求幀，設置命令標識符為28,屬性標識符為109,申請獲取最小周期節(jié)點P m的超 幀表、LINK表和密鑰，然后將該時間同步監(jiān)聽請求幀發(fā)送給簇首Q ;
[0012] B42、簇首Q收到節(jié)點Pj的時間同步監(jiān)聽請求幀后，構造相應的時間同步監(jiān)聽響應 幀，設置命令標識符為29,屬性標識符為109,然后將節(jié)點P m的超幀表、LINK表和密鑰值回 復給節(jié)點Pm;
[0013] B43、節(jié)點&接收簇首Q發(fā)送的時間同步監(jiān)聽響應幀，獲取節(jié)點P m的超幀表、LINK 表和密鑰，節(jié)點&利用節(jié)點超幀表、密鑰以及LINK表中的相對時隙號、信道編號和設 備ID，監(jiān)聽節(jié)點P m和簇首之間的命令幀同步過程；
[0014] B44、當節(jié)點Pm與簇首Q進行命令幀時間同步時，非最小周期節(jié)點 Pj(K j <k, j辛m)監(jiān)聽其時間同步過程，獲得其中的時間信息進行自身本地時鐘的更新。
[0015] 進一步的，步驟Ml中的時間同步監(jiān)聽請求幀格式包括6個部分：網絡層包頭， 14/16字節(jié)；命令標識符，取值為28 ;屬性標識符，擴展為109 ;屬性成員標識符，1字節(jié)； LINK表、超幀表和密鑰的第一個存儲索引、屬性數(shù)目。
[0016] 進一步的，步驟42中的時間同步監(jiān)聽響應幀格式包括8個部分：網絡層包頭， 14/16字節(jié)；命令標識符，取值為29 ;執(zhí)行結果，1字節(jié)；屬性標識符，取值為109 ;屬性成員 標識符，1字節(jié)；LINK表、超幀表和密鑰的第一個存儲索引、屬性數(shù)目、屬性值。
[0017] 進一步的，若同一簇首內存在兩個及以上最小時間同步周期節(jié)點，簇首隨機選擇 其中一個節(jié)點作為最小周期節(jié)點。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：
[0019] 1、本發(fā)明創(chuàng)新性地對WIA-PA網絡層的相關幀格式進行擴展和設計，構造出時間 同步監(jiān)聽請求幀和監(jiān)聽請求響應幀，通過時間同步監(jiān)聽請求幀和響應幀，傳感器節(jié)點能夠 申請并獲取被監(jiān)聽節(jié)點的超幀表、密鑰以及LINK表中的相對時隙號、信道編號和設備ID， 根據(jù)獲得的此類信息對被監(jiān)聽節(jié)點的時間同步過程進行監(jiān)聽。使得傳感器節(jié)點監(jiān)聽可以監(jiān) 聽其他節(jié)點的同步信息，大大減少了電池供電的資源受限傳感器節(jié)點發(fā)送時間同步請求幀 消耗的能量。
[0020] 2、本發(fā)明通過計算各節(jié)點命令幀時間同步周期找出最大命令幀同步頻率（最小 命令幀同步周期）節(jié)點，其余節(jié)點通過監(jiān)聽最小周期節(jié)點與時間源的命令幀時間同步，獲 取時間信息來更新自己的時間，最終實現(xiàn)全網同步，通過該方法簇首僅需要給最小同步周 期節(jié)點發(fā)送時間同步命令幀，而不必給每個節(jié)點發(fā)送時間同步命令幀，大大減少了時間同 步命令幀發(fā)送數(shù)量，節(jié)約整個網絡的能量，并使得全網同步所需時間同步命令幀數(shù)量達到 最小。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例WIA-PA網絡拓撲結構圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例提供的時間同步監(jiān)聽請求幀圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例提供的時間同步監(jiān)聽請求響應幀圖；
[0024] 圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例提供的監(jiān)聽式時間同步方法流程圖。
【具體實施方式】
[0025] 以下結合附圖，對本發(fā)明作進一步說明：
[0026] 本發(fā)明的核心思想是：WIA_PA網絡中的待同步設備根據(jù)應用時間精度需求y和節(jié)
送給簇首，簇首找出最小同步周期的節(jié)點并與其進行命令幀時間同步，其余非最小周期節(jié) 點則向簇首發(fā)送專門設計的時間同步監(jiān)聽請求幀，請求并獲取最小周期節(jié)點Pm的超幀表、 LINK表和密鑰等屬性，然后根據(jù)這些屬性監(jiān)聽最小周期節(jié)點與簇首之間的命令幀同步，獲 取其中的時間信息用以更新自己的本地時間。
[0027] 傳感器節(jié)點的時間是由晶體振蕩器的振蕩來計算的，由于設備間晶體振蕩器頻率 的不一致以及溫度、濕度等外界因素，使得各節(jié)點間產生時間誤差。假設網內節(jié)點的晶振漂 移率為xppm，應用所需時間精度為y，根據(jù)兩個節(jié)點的晶振在相反的方向上漂移得出節(jié)點
[0028] 假設節(jié)點Q為簇首，節(jié)點P1, P2, ...，Pk為簇內待同步節(jié)點，節(jié)點P i (1彡i彡k)利
簇首Q。簇首獲得T1, T2,. . .，Ti,利