無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鄰域平均時鐘同步算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鄰域平均時鐘同步算法，該技術(shù)是基于無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)或物聯(lián)網(wǎng)的高精度監(jiān)測應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的靜止或移動的傳感器W自組織和多跳的方式構(gòu)成的 無線網(wǎng)絡(luò)，W協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最 終把運些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，其相關(guān)技術(shù)也飛速 發(fā)展。
[0003] 但由于物理上的分散性，網(wǎng)絡(luò)無法為彼此間相互獨立的節(jié)點提供一個統(tǒng)一的全局 時鐘，每個節(jié)點各自維護它們的本地時鐘。為了解決運些本地時鐘的失步現(xiàn)象，必須進行時 間同步操作。現(xiàn)今較成熟的算法有：網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議（NTP，化tworkTimeProtocol)、 參考廣播同步算法（RBS，ReferenceBroadcastSync虹onization)、傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同 步協(xié)議（TPSN，Timing-syncProtocolforSensor化tworks)、泛洪時間同步協(xié)議（FTSP， FloodingTimeSync虹onizationProtocol)、擴散時間同步協(xié)議（TDP，Time-diffusion Sync虹onizationProtocol)等。運些算法在收斂快速性、傳播延時的補償W及數(shù)據(jù)交換大 小等方面有待提出更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對因晶振誤差、運行環(huán)境存在不一致所導(dǎo)致的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點本地時 鐘的失步現(xiàn)象，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鄰域平均時鐘同 步算法，其對出現(xiàn)失步現(xiàn)象的各個本地時鐘進行時鐘偏移補償和速率補償，W確保時鐘克 服因各種原因出現(xiàn)的誤差并使它們W相同的速度在網(wǎng)絡(luò)中運行。該算法達到較快的收斂速 率，對傳播延時進行有效補償，并使數(shù)據(jù)交換達到最小。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鄰域平均時 鐘同步算法，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鄰域平均時鐘同步算法通過無線傳感器 節(jié)點間的信息交換對無線傳感器節(jié)點的時鐘偏移與時鐘速率進行補償。
[0006] 優(yōu)選地，述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鄰域平均時鐘同步算法通過無線傳感器節(jié)點間的信 息交換對無線傳感器節(jié)點的時鐘偏移進行的補償包括W下步驟：
[0007] 步驟一：無線傳感器節(jié)點上電，設(shè)置自身的置信參數(shù)為1 ;
[0008] 步驟二：周期地運行時間同步算法；每次執(zhí)行同步算法時，無線傳感器節(jié)點通過 CSMA/CAKarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,載波偵聽多路訪 問/沖突避免）方案，向其發(fā)送功率范圍內(nèi)的節(jié)點廣播一個包含了該節(jié)點的補償時鐘值的 同步數(shù)據(jù)包；
[0009] 步驟=:無線傳感器節(jié)點收到其它節(jié)點的同步廣播數(shù)據(jù)包后，W置信參數(shù)為權(quán)重 進行加權(quán)平均，來更新自己的時鐘，然后將自己的置信參數(shù)增加1 ;
[0010] 步驟四：周期地重復(fù)W上步驟。
[0011] 優(yōu)選地，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鄰域平均時鐘同步算法通過無線傳感器節(jié)點間的 信息交換對無線傳感器節(jié)點的時鐘速率進行的補償包括W下步驟：
[0012] 步驟十一：無線傳感器節(jié)點周期地進行時鐘速率補償；無線傳感器節(jié)點檢測信 道，若信道空閑，則廣播詢問傳輸范圍內(nèi)的鄰近無線傳感器節(jié)點的時鐘速率；
[001引步驟十二：無線傳感器節(jié)點收到鄰近無線傳感器節(jié)點的廣播詢問信息后，將自己 的時鐘速率信息發(fā)送回去；
[0014] 步驟十無線傳感器節(jié)點收到鄰近無線傳感器節(jié)點返回的時鐘速率信息后，首 先補償傳播延遲；
[0015] 步驟十四：無線傳感器節(jié)點根據(jù)其收到的鄰近無線傳感器節(jié)點的時鐘速率信息， 計算鄰近無線傳感器節(jié)點及其本身的平均速率；
[0016] 步驟十五：無線傳感器節(jié)點W平均時鐘速率更新其速率補償值；
[0017] 步驟十六：補償完成后，無線傳感器節(jié)點向其發(fā)送功率范圍內(nèi)的節(jié)點廣播補償表， 該廣播補償表包括無線傳感器節(jié)點ID和補償速率；
[001引步驟十屯：傳感器節(jié)點收到其它鄰近無線傳感器節(jié)點的補償表，依據(jù)補償表更新 自己的時鐘速率補償值；
[0019] 步驟十八：周期地重復(fù)W上步驟。
[0020] 本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明通過對出現(xiàn)失步現(xiàn)象的各個本地時鐘進行時鐘偏 移補償和時鐘速率補償，完成高精度時間同步，算法收斂速度快，傳播延時得到有效補償， 同步過程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換最小化。
【附圖說明】
[0021] 圖1為鄰域平均時鐘同步算法主要思路流程圖。
[0022] 圖2為時鐘偏移補償算法流程圖。
[0023] 圖3為時鐘偏移補償算法的效果示意圖。
[0024] 圖4為時鐘速率補償算法流程圖。
[00巧]圖5為時鐘速率補償算法的效果示例圖。
【具體實施方式】
[0026] 本發(fā)明采用鄰域平均時鐘同步算法通過無線傳感器節(jié)點間的信息交換對無線傳 感器節(jié)點的時鐘偏移與時鐘速率進行補償。對于時鐘偏移補償，鄰域平均時鐘同步算法先 將所有本地時鐘的置信參數(shù)置1，每進行一次操作，參與操作的本地時鐘W置信參數(shù)作為權(quán) 重，對各個本地時鐘的時間進行加權(quán)平均，再將置信參數(shù)加1，從而完成對本地時鐘的偏移 補償。對于時鐘速率補償，鄰域平均時鐘同步算法定期檢測信道，若信道是空閑的，則廣播 詢問傳輸范圍內(nèi)的鄰近節(jié)點的時鐘速率，鄰近節(jié)點返回時鐘速率，補償傳播延遲，無線傳感 器節(jié)點計算鄰近節(jié)點及其本身的平均時鐘速率，更新其速率值，廣播補償表（該表包括節(jié) 點ID和補償時鐘速率），接收鄰近的補償表，并更新自己的時鐘速率補償值，如此循環(huán)進行 下去，達到時鐘斜率補償?shù)哪康摹?br>[0027] 對于每一個無線傳感器節(jié)點，本發(fā)明定義時鐘模型為式（1)。C(t)為時鐘在t時 刻的讀數(shù)，a為斜率，e為偏移量。在理想狀態(tài)下，a等于1，e等于0。
[0028] C(t)=曰 *t+0 (1)
[0029] 則節(jié)點i的時鐘讀數(shù)滿足式似：
[0030] Ci(t)=曰i*t+ 0 1 似
[0031] 本算法旨在找到補償值％和襄，使補償時鐘4C婷收斂于。似（其中，運嫉為節(jié)點 Il的時鐘補償值，(Ut)是最終收斂值，為一常量），如式（3)和式（4):
[0032] 口）
[0033]
[0034] (4)
[003引其中，a1為晶振脈沖周期韓。.k與溢出值Ni的乘積，如式妨：
[003引父蠕城 (5)
[0037] 如圖2所示，時鐘偏移補償?shù)木唧w內(nèi)容如下：
[003引偏移補償?shù)哪繕耸菑脑诰W(wǎng)絡(luò)中所有的時鐘去除偏移誤差。即找到^喉其滿足式 (4)，在此將其擴展為式化）：
[0040] 由此可得式（7):[00川獲心裝…裝' （7)
[0039] (6)
[0042] 對于每一輪的偏移補償，節(jié)點執(zhí)行下面的算法，收斂時鐘到如下運個共同的值。
[004引
滿
[0044] 時鐘偏移補償包括W下步驟：
[004引步驟1巧線傳感器節(jié)點上電后，設(shè)置自身的置信參數(shù)為1(中性值）。
[0046] 步驟2 :周期地運行時間同步算法。每次執(zhí)行同步算法時，無線傳感器節(jié)點通過 CSMA/CA(CarrierSen