一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及通信控制領(lǐng)域，提供一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法，包括：拓?fù)涑跏蓟瘯r(shí)，從根節(jié)點(diǎn)開始廣播一個(gè)消息，所有收到消息的鄰居節(jié)點(diǎn)開啟同步請(qǐng)求定時(shí)器，消息不斷轉(zhuǎn)發(fā)直到使所有節(jié)點(diǎn)都啟動(dòng)該定時(shí)器；在先期同步階段，通過(guò)消息交換，大部分節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步；同步后的節(jié)點(diǎn)會(huì)取消同步請(qǐng)求定時(shí)器，直到網(wǎng)絡(luò)同步停止；重復(fù)請(qǐng)求階段，當(dāng)一未同步節(jié)點(diǎn)的同步請(qǐng)求定時(shí)器到時(shí)間時(shí)，它發(fā)送請(qǐng)求同步的消息，如果沒(méi)有回復(fù)，則重新開啟同步定時(shí)器；而如果該消息被某個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)收到，那么收到消息的從屬節(jié)點(diǎn)開始執(zhí)行消息交換同步算法；這個(gè)過(guò)程重復(fù)執(zhí)行直到所有節(jié)點(diǎn)同步。本發(fā)明能使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)完成時(shí)間同步，使網(wǎng)絡(luò)能量均衡，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
【專利說(shuō)明】
一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及通信控制領(lǐng)域，尤其涉及一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，在無(wú)線傳感網(wǎng)中，一個(gè)很重要的問(wèn)題就是實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。在很多應(yīng)用中同 步是十分關(guān)鍵的，例如在水下無(wú)線傳感器網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步、安全同步以及定位同步等領(lǐng)域中也 尤為重要。時(shí)間同步是指為分布式系統(tǒng)提供一個(gè)公共時(shí)間的過(guò)程。而大量的無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)應(yīng)用要求在某個(gè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)一個(gè)時(shí)間軸，從而協(xié)同完成共同的任務(wù)。因此對(duì) 于時(shí)間同步的研究變得十分重要。
[0003] 在利用多簇傳感網(wǎng)的成對(duì)廣播進(jìn)行同步的方法中，給出了成對(duì)廣播同步協(xié)議 (roS)的兩種組網(wǎng)方式(GPA、NPA)，成對(duì)廣播同步協(xié)議是一種同步性能較好，并可以有效降 低同步過(guò)程功耗的協(xié)議。特別在密集網(wǎng)絡(luò)中，它可以很大程度上減小了整個(gè)同步過(guò)程的功 耗，最終在不損失同步精度的條件下，達(dá)到全網(wǎng)同步。但是GPA和NPA這兩種組網(wǎng)方式，構(gòu)建 網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中還是消耗很多能量。在基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的低功耗時(shí)間同步方法中，目的 是盡可能減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步所需要的功耗，它充分利用RRP模型和SRP模型，所以它保證了 足夠高的同步精度。特別是在密集型網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的功耗變得十分的少。但是通過(guò)理論分析 和仿真實(shí)驗(yàn)，在某些情況下，該算法并不能使網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)同步。主要原因是算法 設(shè)計(jì)里的從屬節(jié)點(diǎn)并不能發(fā)送任何消息，這就導(dǎo)致從屬節(jié)點(diǎn)的部分鄰居有一定概率不能完 成同步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明主要解決現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中能量消耗多，以及不能使網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的 所有節(jié)點(diǎn)達(dá)到時(shí)間同步的技術(shù)問(wèn)題，提出一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法，能夠使 得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)全部同步且保持低功耗，并且根節(jié)點(diǎn)選擇策略的能量均衡。
[0005] 本發(fā)明提供了一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法，包括以下過(guò)程：
[0006] 步驟100，確定根節(jié)點(diǎn)，并開啟各節(jié)點(diǎn)的同步請(qǐng)求定時(shí)器；
[0007] 步驟200,對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行先期同步，包括以下子步驟：
[0008]步驟201，根節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)I類型的消息，其中，所述I類型的消息為通知初始化同 步過(guò)程的消息；
[0009] 步驟202,對(duì)于收到I類型消息的所有未定義類型的節(jié)點(diǎn)，關(guān)閉同步請(qǐng)求定時(shí)器并 開啟同步定時(shí)器；當(dāng)未定義類型節(jié)點(diǎn)的同步定時(shí)器到時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)類型變?yōu)楣歉晒?jié) 點(diǎn)，同時(shí)廣播S類型的消息，其中，所述S類型的消息是同步的消息，目的地址是其父節(jié)點(diǎn)，并 攜帶第一本地時(shí)間戳T1;
[0010] 步驟203,對(duì)于收到S類型消息的所有節(jié)點(diǎn)，如果與S類型消息的目的地址匹配且為 骨干類型節(jié)點(diǎn)，那么記錄第二本地時(shí)間戳T2,并回復(fù)一個(gè)A類型的消息，在發(fā)送時(shí)記錄發(fā)送 時(shí)間戳T3,其中，所述A類型的消息為確認(rèn)同步的消息，包含第二本地時(shí)間戳T2和發(fā)送A類型 消息的發(fā)送時(shí)間戳T3;如果S類型消息的目的地址不匹配且同步定時(shí)器是在運(yùn)行狀態(tài)，那么 記錄第三本地時(shí)間戳T5，并停止同步定時(shí)器，標(biāo)記該節(jié)點(diǎn)的類型為從屬節(jié)點(diǎn)；
[0011] 步驟204,對(duì)于收到A類型的消息的所有節(jié)點(diǎn)，與A類型的目的地址匹配的節(jié)點(diǎn)，記 錄第四本地時(shí)間戳T4，利用公式
?角定時(shí)間偏移量，其中，A (α，β)表示時(shí)間偏移量，并利用確定的時(shí)間偏移量，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步;與A類型消息的目 的地址不匹配的節(jié)點(diǎn)，讀取A類型消息中的第二本地時(shí)間戳，利用公式Δ (α，γ )=Τ2_Τ5確 定時(shí)間偏移量，其中，Α (α，γ )表示時(shí)間偏移量，并利用確定的時(shí)間偏移量，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí) 間同步；
[0012] 步驟205,時(shí)間同步后的節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)廣播初始化的消息，使其周圍的未定義節(jié) 點(diǎn)，依次執(zhí)行步驟202至204，從而使整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)進(jìn)行先期時(shí)間同步；
[0013] 步驟300，利用同步請(qǐng)求定時(shí)器，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)中的未同步節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，包括以 下子步驟：
[0014] 步驟301，當(dāng)未定義類型節(jié)點(diǎn)的同步請(qǐng)求定時(shí)器到時(shí)間后，該節(jié)點(diǎn)發(fā)送R類型的消 息；
[0015] 步驟302,對(duì)于收到R類型消息的所有節(jié)點(diǎn)，如果為從屬節(jié)點(diǎn)，將該節(jié)點(diǎn)的類型變?yōu)?骨干節(jié)點(diǎn)，并廣播I類型的消息，其中，R類型的消息為重復(fù)請(qǐng)求同步的消息，I類型的消息為 通知初始化同步的過(guò)程的消息；
[0016] 步驟303,對(duì)于收到I類型消息的所有節(jié)點(diǎn)，依次執(zhí)行步驟202至204進(jìn)行時(shí)間同步； [0017] 步驟304,依次重復(fù)步驟301至303,直到無(wú)線傳感器網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)完成時(shí)間同步。
[0018] 進(jìn)一步的，在步驟100中，確定根節(jié)點(diǎn)的方式為：
[0019] 第一次同步時(shí)，根節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇，作為時(shí)間同步過(guò)程的開始節(jié)點(diǎn)；
[0020] 再次同步時(shí)，選擇上一輪同步中根節(jié)點(diǎn)的鄰居中的能量剩余最多的節(jié)點(diǎn)作為新一 輪的根節(jié)點(diǎn)。
[0021] 進(jìn)一步的，在步驟100中，確定根節(jié)點(diǎn)，并開啟各節(jié)點(diǎn)的同步請(qǐng)求定時(shí)器，包括：
[0022] 從根節(jié)點(diǎn)開始，以洪泛的形式，向周圍節(jié)點(diǎn)廣播Z類型的消息，其中，所述Z類型的 消息為通知設(shè)置同步請(qǐng)求定時(shí)器的消息；
[0023] 收到Z類型消息的節(jié)點(diǎn)，設(shè)置同步請(qǐng)求定時(shí)器，并繼續(xù)向周圍節(jié)點(diǎn)廣播所述Z類型 的消息。
[0024] 本發(fā)明提供的一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法，是一種無(wú)線傳感網(wǎng)中的低 功耗的時(shí)間同步方法，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)開始階段，以生成樹的順序，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)同步請(qǐng) 求定時(shí)器，同步過(guò)程中，結(jié)合了SRP和RRP兩種類型的方法，因?yàn)镽RP方法中，PN節(jié)點(diǎn)不需要發(fā) 送任何消息，所以，本方法依然可以保持低功耗的特性。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度越大時(shí)，這種優(yōu) 勢(shì)變得非常明顯。同步過(guò)程不需要分組，沒(méi)有額外的能耗開銷。本發(fā)明增加了多個(gè)定時(shí)器來(lái) 請(qǐng)求同步，使得所有節(jié)點(diǎn)都能夠完成同步，當(dāng)節(jié)點(diǎn)不能同步時(shí)，定時(shí)器會(huì)超時(shí)，從而向鄰居 中的從屬節(jié)點(diǎn)發(fā)起請(qǐng)求，使得所有節(jié)點(diǎn)都能夠完成同步，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步。另外，本方法提供 了一種根節(jié)點(diǎn)選擇策略，選擇根節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)中剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)作為新的根節(jié)點(diǎn)， 能夠使能量更加均衡。本發(fā)明采用定時(shí)器請(qǐng)求的形式，可以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn) 同步，不遺漏任何節(jié)點(diǎn)，且同步過(guò)程的功耗保持很低，該發(fā)明在多輪同步過(guò)程中，還可以保 持網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)負(fù)載平衡，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0026]圖2是網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)的示意圖；
[0027]圖3是設(shè)置同步請(qǐng)求定時(shí)器的示意圖；
[0028]圖4是先期同步階段的示意圖；
[0029]圖5是重復(fù)請(qǐng)求階段的示意圖；
[0030]圖6是完成了重復(fù)請(qǐng)求階段的示意圖；
[0031]圖7是選擇下一輪根節(jié)點(diǎn)的示意圖；
[0032] 圖8是SRP方法和RRP方法的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 為使本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題、采用的技術(shù)方案和達(dá)到的技術(shù)效果更加清楚，下面 結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實(shí)施 例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便于描述，附圖 中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部?jī)?nèi)容。
[0034] 對(duì)于基于生成樹的一些時(shí)間同步算法，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為3種類型：（1)未定義節(jié) 點(diǎn):是所有節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)，即未同步狀態(tài)；（2)從屬節(jié)點(diǎn):是用RRP算法完成同步的節(jié)點(diǎn)，同 步過(guò)程中不發(fā)送廣播消息。（3)骨干節(jié)點(diǎn):是利用SRP算法同步的節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成生成樹的核心節(jié) 點(diǎn)。初始狀態(tài)所有節(jié)點(diǎn)都是未定義節(jié)點(diǎn)，即都是未同步節(jié)點(diǎn)。由于算法原因或信號(hào)問(wèn)題，在 普通同步算法完成后，網(wǎng)絡(luò)中還有部分節(jié)點(diǎn)未完成同步。本發(fā)明提出一種重復(fù)請(qǐng)求同步的 方案，通過(guò)設(shè)置初始化定時(shí)器的方法。
[0035] 圖1為本發(fā)明用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。如圖1所示，本發(fā) 明實(shí)施例提供的用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法包括：
[0036] 步驟100,確定根節(jié)點(diǎn)，并開啟各節(jié)點(diǎn)的同步請(qǐng)求定時(shí)器。
[0037] 本實(shí)施例所針對(duì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)是由多種傳感器節(jié)點(diǎn)組合而成的分布式網(wǎng)絡(luò)，各 個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在不同的芯片上，擁有自己時(shí)鐘，所以時(shí)間是不同步的。圖2是網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)。 在本實(shí)施例中，確定根節(jié)點(diǎn)的方式為:第一次隨機(jī)選擇，作為本發(fā)明時(shí)間同步過(guò)程的開始節(jié) 點(diǎn)。之后再次建拓?fù)鋾r(shí)，選擇上一輪同步中根節(jié)點(diǎn)的鄰居中的能量剩余最多的節(jié)點(diǎn)作為新 一輪的根節(jié)點(diǎn)。
[0038] 確定根節(jié)點(diǎn)之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)從根節(jié)點(diǎn)開始，以洪泛的形式，向周圍節(jié)點(diǎn)廣播類型為 Z的數(shù)據(jù)包，收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)查看如果數(shù)據(jù)包的類型為Z，就設(shè)置同步請(qǐng)求定時(shí)器，并繼續(xù) 廣播該消息，以使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都開啟同步請(qǐng)求定時(shí)器，此時(shí)，除根節(jié)點(diǎn)以外的其他節(jié) 點(diǎn)都將節(jié)點(diǎn)類型設(shè)置為未定義節(jié)點(diǎn)類型。如圖3中的除節(jié)點(diǎn)A以外的所有節(jié)點(diǎn)都開啟了同步 請(qǐng)求定時(shí)器。
[0039] 其中，定時(shí)器是本發(fā)明中很重要的一個(gè)工具，用來(lái)輔助完成計(jì)時(shí)任務(wù)。在一般的無(wú) 線模塊中，都有定時(shí)器的設(shè)計(jì)。每個(gè)定時(shí)器都包含一個(gè)初始值，用來(lái)表示定時(shí)器計(jì)時(shí)的時(shí) 間，當(dāng)定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)，計(jì)時(shí)從〇開始，當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)等于設(shè)置的初始值時(shí)，即定時(shí)器到時(shí)間 了。在本實(shí)施例中所述的同步請(qǐng)求定時(shí)器，在開始階段就開啟，實(shí)現(xiàn)同步后關(guān)閉；如果在先 期同步完成后，同步請(qǐng)求定時(shí)器到時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)還未同步，貝進(jìn)行同步請(qǐng)求。它的初始值等 于先期同步的周期(通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得一個(gè)平均值）。
[0040] 本發(fā)明用到的數(shù)據(jù)包(廣播消息）中通常攜帶的數(shù)據(jù)包含：目的地址、源地址、消息 類型、父節(jié)點(diǎn)、等級(jí)和時(shí)間戳，其中，目的地址是廣播數(shù)據(jù)包的目的地址;源地址是發(fā)送消息 的節(jié)點(diǎn)地址;消息類型表示該消息的類型，用在時(shí)間同步過(guò)程的不同階段，共有6種消息類 型，具體的，C表示用于選擇根節(jié)點(diǎn)的消息、Z表示通知設(shè)置同步請(qǐng)求定時(shí)器的消息、I表示通 知初始化同步的過(guò)程的消息、S表示同步的消息、A表示確認(rèn)同步的消息、R表示重復(fù)請(qǐng)求同 步的消息;父節(jié)點(diǎn)是記錄發(fā)送節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)地址;等級(jí)是發(fā)送節(jié)點(diǎn)的等級(jí)(默認(rèn)是-1)，用來(lái) 表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)在生成樹當(dāng)中的層次;時(shí)間戳可以是多個(gè)，例如發(fā)送時(shí)間戳和本地時(shí)間戳等。
[0041] 步驟200,對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行先期同步，包括以下過(guò)程：
[0042]步驟201，根節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)初始化消息（I類型）。參照?qǐng)D3,例如，節(jié)點(diǎn)A被選為根節(jié) 點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)A廣播一個(gè)類型為I的消息。
[0043]步驟202,對(duì)于收到I類型消息的所有未定義類型的節(jié)點(diǎn)，將發(fā)送類型I消息的節(jié)點(diǎn) 標(biāo)記為自己的父節(jié)點(diǎn)，將自己的等級(jí)設(shè)置為發(fā)送消息節(jié)點(diǎn)的等級(jí)加1，關(guān)閉同步請(qǐng)求定時(shí) 器，同時(shí)開啟同步定時(shí)器。之后，如果任何一個(gè)未定義類型的節(jié)點(diǎn)的同步定時(shí)器到時(shí)間后， 同步定時(shí)器到時(shí)間的節(jié)點(diǎn)會(huì)把自己的節(jié)點(diǎn)類型變?yōu)楣歉晒?jié)點(diǎn)，同時(shí)廣播一個(gè)類型為S的消 息（同步消息），其中，類型為S的消息目的地址是剛剛記錄的父節(jié)點(diǎn)，并攜帶第一本地時(shí)間 戳T1;如果任何一個(gè)未定義類型的節(jié)點(diǎn)的同步定時(shí)器未到時(shí)間，貝lj關(guān)閉該同步請(qǐng)求定時(shí)器。 在實(shí)際應(yīng)用中，能查看一個(gè)定時(shí)器的狀態(tài)，如果定時(shí)器處于運(yùn)行狀態(tài)則說(shuō)明還沒(méi)到時(shí)間，如 果定時(shí)器處于空閑狀態(tài)則說(shuō)明已經(jīng)到時(shí)間了。
[0044] 在本實(shí)施例中所述的同步定時(shí)器，用來(lái)選擇骨干節(jié)點(diǎn)，所有未定義節(jié)點(diǎn)收到骨干 節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)I類型(初始化過(guò)程的消息）的消息時(shí)，開啟同步定時(shí)器，而實(shí)現(xiàn)同步后的節(jié)點(diǎn)關(guān)閉 同步定時(shí)器。如果在未同步時(shí)同步定時(shí)器到時(shí)間了，那么該節(jié)點(diǎn)就將自己轉(zhuǎn)換為骨干節(jié)點(diǎn)。 為了避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)沖突，同步定時(shí)器的初始值是個(gè)隨機(jī)值。
[0045] 例如，圖3中節(jié)點(diǎn)E、B、C、G是收到I類型的消息（即初始化消息）的未定義類型的節(jié) 點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)E、B、C、G將發(fā)送初始化消息的節(jié)點(diǎn)A標(biāo)記為自己的父節(jié)點(diǎn)，將自己的等級(jí)設(shè)置為節(jié) 點(diǎn)A的等級(jí)加1，同時(shí)開啟同步定時(shí)器。之后，如果節(jié)點(diǎn)E、C同步定時(shí)器到時(shí)間，節(jié)點(diǎn)E、C會(huì)把 自己的節(jié)點(diǎn)類型變?yōu)楣歉晒?jié)點(diǎn)，同時(shí)廣播一個(gè)同步消息(類型為S的消息），該同步消息目的 地址是剛剛記錄的父節(jié)點(diǎn)A，此時(shí)記錄本地時(shí)間T1 (該時(shí)間戳保留在本地，不放在消息中）， 如果同步請(qǐng)求定時(shí)器處于運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)閉該同步請(qǐng)求定時(shí)器。
[0046] 步驟203,對(duì)于收到類型為S(即同步消息）的所有節(jié)點(diǎn)，如果與該同步消息的目的 地址匹配的節(jié)點(diǎn)且該節(jié)點(diǎn)為骨干類型節(jié)點(diǎn)，那么記錄第二本地時(shí)間戳為T2(即收到S類型消 息的時(shí)間），并回復(fù)一個(gè)Α類型的消息（即確認(rèn)消息），在發(fā)送時(shí)記錄發(fā)送時(shí)間戳Τ3,所述Α類 型的消息中包含第二本地時(shí)間戳和回復(fù)A類型消息的發(fā)送時(shí)間戳;如果該同步消息的目的 地址不匹配的節(jié)點(diǎn)且該節(jié)點(diǎn)的同步定時(shí)器是在運(yùn)行狀態(tài)，那么記錄第三本地時(shí)間戳為T5 (該時(shí)間戳不需要發(fā)送出去），并停止同步定時(shí)器，標(biāo)記該節(jié)點(diǎn)的類型為從屬節(jié)點(diǎn)；如果不滿 足以上兩個(gè)條件的節(jié)點(diǎn)忽略該條消息。
[0047] 例如，節(jié)點(diǎn)A、B、G收到節(jié)點(diǎn)E或C廣播的同步消息，如果該類型為S的同步消息的目 的地址是節(jié)點(diǎn)A、且節(jié)點(diǎn)A為骨干類型節(jié)點(diǎn)，那么節(jié)點(diǎn)A記錄第二本地時(shí)間戳為T2,回復(fù)一個(gè) 類型為Α的確認(rèn)消息，其中，確認(rèn)消息中包含收到同步消息的時(shí)間Τ2和發(fā)送Α類型消息的發(fā) 送時(shí)間戳T3;如果該B、G消息的目的地址不是節(jié)點(diǎn)B、G且節(jié)點(diǎn)B、G的同步定時(shí)器是在運(yùn)行狀 態(tài)，那么記錄第三本地時(shí)間戳為T5,并停止同步定時(shí)器，標(biāo)記節(jié)點(diǎn)B、G的類型為從屬節(jié)點(diǎn)。不 滿足以上兩個(gè)條件的節(jié)點(diǎn)忽略該條消息。
[0048]步驟204,對(duì)于收到一個(gè)類型為A的消息（即確認(rèn)消息）的所有節(jié)點(diǎn)，與確認(rèn)消息的 目的地址匹配的節(jié)點(diǎn)，記錄第四本地時(shí)間戳為T4,并利用T1、T4、以及該確認(rèn)消息中攜帶的 Τ2、Τ3這4個(gè)時(shí)間戳采用SRP方法來(lái)進(jìn)行時(shí)間偏移量估計(jì)，在確定時(shí)間偏移量之后，和父節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行時(shí)間同步;與確認(rèn)消息的目的地址不匹配的節(jié)點(diǎn)，讀取確認(rèn)消息中的Τ2值，根據(jù)之前記 錄的時(shí)間戳Τ5和這個(gè)Τ2就可以對(duì)自己和父節(jié)點(diǎn)利用RRP方法進(jìn)行時(shí)間偏移量估計(jì)，從而和 父節(jié)點(diǎn)同步。
[0049] 參照?qǐng)D8對(duì)SRP方法和RRP方法進(jìn)行說(shuō)明：圖8中節(jié)點(diǎn)α是已經(jīng)同步的節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)β 和γ是預(yù)進(jìn)行同步的節(jié)點(diǎn)。圖8中實(shí)線和虛線表示的都是廣播消息，實(shí)線表示的該消息的數(shù) 據(jù)內(nèi)容中目的地址是自己，虛線表示該目的地址不是指向自己的。
[0050] SRP方法:節(jié)點(diǎn)β是利用SRP完成的同步，在某一時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)β廣播一個(gè)消息類型為S (同步消息類型）的消息并記錄發(fā)送第一本地時(shí)間戳Τ1。收到這個(gè)類型為S消息的節(jié)點(diǎn)α，記 錄第二本地時(shí)間戳Τ2,然后記錄發(fā)送時(shí)間戳Τ3,并廣播回復(fù)一個(gè)類型為Α(確認(rèn)類型）的消 息，該消息中攜帶T 2和T 3的值。收到該回復(fù)消息的節(jié)點(diǎn)β記錄第四本地時(shí)間T 4。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)β 就根據(jù)!'132^334的值進(jìn)行時(shí)間偏移量的計(jì)算，時(shí)間偏移量的計(jì)算公式如下：
[0051]
[0052] 其中，Α (α，β)表示任意已經(jīng)同步節(jié)點(diǎn)α和任意預(yù)同步節(jié)點(diǎn)β的時(shí)間偏移量，進(jìn)一步 節(jié)點(diǎn)β將自己的本地時(shí)間加上該時(shí)間偏移量，就認(rèn)為節(jié)點(diǎn)β已經(jīng)完成了時(shí)間同步。
[0053] RRP方法:節(jié)點(diǎn)γ利用RRP完成的同步，在收到節(jié)點(diǎn)β廣播的消息類型為S的消息后， 記錄第三本地時(shí)間Τ5。當(dāng)節(jié)點(diǎn)α廣播類型為Α(確認(rèn)類型）的消息時(shí)，節(jié)點(diǎn)γ也收到了該消息， 并也得到了第二時(shí)間戳Τ2。利用Τ2和Τ5完成時(shí)間偏移量的計(jì)算，計(jì)算公式如下：
[0054] Δ (α, γ )=Τ2-Τ5
[0055] 其中，Δ (α，γ )表示任意已經(jīng)同步節(jié)點(diǎn)α和任意預(yù)同步節(jié)點(diǎn)γ的時(shí)間偏移量，進(jìn)一 步節(jié)點(diǎn)Β將自己的本地時(shí)間加上△ (α，γ )，就認(rèn)為已經(jīng)和節(jié)點(diǎn)γ完成了同步。
[0056]例如，如果該確認(rèn)消息的目的地址是指向節(jié)點(diǎn)E、C(節(jié)點(diǎn)E、C與確認(rèn)消息的目的地 址匹配），那么記錄本地時(shí)間戳為T4,然后該節(jié)點(diǎn)就可以用T1、T4、以及該確認(rèn)消息中攜帶的 Τ2、Τ3這4個(gè)時(shí)間戳運(yùn)用SRP來(lái)進(jìn)行時(shí)間偏差估計(jì)，從而和父節(jié)點(diǎn)同步。如果該確認(rèn)消息的目 的地址不是指向節(jié)點(diǎn)B、G(如節(jié)點(diǎn)B、G與確認(rèn)消息的目的地址不匹配），那么讀取消息中的Τ2 值，根據(jù)之前記錄的時(shí)間戳T5和這個(gè)T2就可以對(duì)自己和父節(jié)點(diǎn)利用RRP進(jìn)行時(shí)間偏差估計(jì)， 從而和父節(jié)點(diǎn)同步。不滿足以上兩個(gè)條件的節(jié)點(diǎn)忽略該消息。
[0057]步驟205,時(shí)間同步后的節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)廣播初始化的消息，使其周圍的未定義節(jié) 點(diǎn)，依次執(zhí)行步驟202至204，從而使整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)進(jìn)行先期時(shí)間同步。
[0058] 然后步驟202-步驟204開始不斷執(zhí)行，使時(shí)間同步過(guò)程繼續(xù)延伸，直到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不 再有廣播消息，此時(shí)同步無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，而根據(jù)我們定義的從屬節(jié)點(diǎn)的特征，這種類型的節(jié) 點(diǎn)不能廣播消息，所以先期同步過(guò)程不能保證從屬節(jié)點(diǎn)周圍鄰居的節(jié)點(diǎn)也都能同步，通過(guò) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分節(jié)點(diǎn)不能同步(具體數(shù)量和拓?fù)湫螤钣嘘P(guān)），此時(shí)同步停止了。
[0059] 本步驟從根節(jié)點(diǎn)開始，利用SRP和RRP進(jìn)行消息交換同步，完成了先期同步階段。該 過(guò)程可以使大部分節(jié)點(diǎn)完成同步，網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)在存在骨干節(jié)點(diǎn)和從屬節(jié)點(diǎn)，由于信號(hào)問(wèn)題或 啟動(dòng)較慢導(dǎo)致丟失消息，以及算法本身的原因，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)還可能存在未定義類型的節(jié)點(diǎn)，未能 一次性在步驟200中同步。如圖4所示，其中實(shí)現(xiàn)圈內(nèi)的節(jié)點(diǎn)是該過(guò)程同步了的節(jié)點(diǎn)，而圓圈 外面的節(jié)點(diǎn)（如圖5中的K、R、0等)都是未同步的。那么為了同步這些節(jié)點(diǎn)，步驟100中的同步 請(qǐng)求定時(shí)器就發(fā)揮作用了。
[0060] 步驟300，利用同步請(qǐng)求定時(shí)器，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)中的未同步節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，包括以 下過(guò)程：
[0061 ]步驟301，當(dāng)未定義類型的節(jié)點(diǎn)的同步請(qǐng)求定時(shí)器到時(shí)間后，該節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā) 送類型為R的消息（即同步請(qǐng)求消息），例如圖5中的節(jié)點(diǎn)K和R。
[0062]步驟302,如果收到同步請(qǐng)求消息的節(jié)點(diǎn)為從屬節(jié)點(diǎn)（如圖5中的節(jié)點(diǎn)G，J)，那么將 該節(jié)點(diǎn)的類型變?yōu)楣歉晒?jié)點(diǎn)，并廣播類型為I的初始化消息。
[0063]步驟303,對(duì)于收到I類型消息的所有節(jié)點(diǎn)，步驟202被觸發(fā)執(zhí)行，開始了一個(gè)同步 過(guò)程，即依次執(zhí)行步驟202至204進(jìn)行時(shí)間同步。其他類型節(jié)點(diǎn)忽略該消息。
[0064] 步驟304,依次重復(fù)步驟301至303,直到無(wú)線傳感器網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)完成時(shí)間同步。
[0065] 例如，圖5中的節(jié)點(diǎn)Μ是未定義類型的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)Μ的同步請(qǐng)求定時(shí)器到時(shí)間后， 該節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送類型為R的消息，由于其周圍節(jié)點(diǎn)Κ、Ν也是未定義類型的節(jié)點(diǎn)，所以 如果指定時(shí)間內(nèi)收不到任何回復(fù)(這里是指類型為I的消息），那么再次發(fā)送同步請(qǐng)求消息， 直到收到I類型消息，進(jìn)一步依次重復(fù)步驟301至303進(jìn)行時(shí)間同步。
[0066] 參照?qǐng)D5，例如，當(dāng)未定義類型節(jié)點(diǎn)Μ的同步請(qǐng)求定時(shí)器到時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)Μ發(fā)送同步 請(qǐng)求消息。節(jié)點(diǎn)Μ如果10s內(nèi)收不到任何回復(fù)，那么再次發(fā)送同步請(qǐng)求消息。當(dāng)未定義類型節(jié) 點(diǎn)K和R的同步請(qǐng)求定時(shí)器到時(shí)間后，發(fā)送R類型的消息（同步請(qǐng)求消息），收到同步請(qǐng)求消息 的節(jié)點(diǎn)G、J為從屬節(jié)點(diǎn)，那么將節(jié)點(diǎn)G、J將自己的節(jié)點(diǎn)類型變?yōu)楣歉晒?jié)點(diǎn)，并發(fā)送初始化消 息。然后步驟202-步驟204被觸發(fā)執(zhí)行;其他類型節(jié)點(diǎn)忽略該消息。
[0067] 為了使無(wú)線傳感器網(wǎng)的各根節(jié)點(diǎn)的能量更均衡，本發(fā)明可選擇不同的根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 多次網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化(時(shí)間同步）。在本實(shí)施例中根節(jié)點(diǎn)選擇的方式為:第一次隨機(jī)選擇，作為本發(fā) 明時(shí)間同步過(guò)程的開始節(jié)點(diǎn)。之后再次建拓?fù)鋾r(shí)，選擇上一輪同步中根節(jié)點(diǎn)的鄰居中的能 量剩余最多的節(jié)點(diǎn)作為新一輪的根節(jié)點(diǎn)。本選出的根節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)類型變?yōu)楣歉晒?jié)點(diǎn)，規(guī)定 它的等級(jí)為0。例如圖3中的A在第一輪被選為根節(jié)點(diǎn)。而對(duì)于第二輪，如圖7所示，A的所有鄰 居節(jié)點(diǎn)中，B的剩余能量最多，被選為下一輪的根節(jié)點(diǎn)。
[0068] 在完成上述步驟之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步。同步的狀態(tài)如 圖6所示。所有節(jié)點(diǎn)都是骨干節(jié)點(diǎn)或從屬節(jié)點(diǎn)。
[0069] 本發(fā)明提供的用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法，（1)在拓?fù)涑跏蓟瘯r(shí)，從根節(jié)點(diǎn) 開始廣播一個(gè)消息，所有收到消息的鄰居節(jié)點(diǎn)開啟同步請(qǐng)求定時(shí)器，消息不斷轉(zhuǎn)發(fā)直到使 所有節(jié)點(diǎn)都啟動(dòng)該定時(shí)器；（2)在先期同步階段，通過(guò)消息交換，大部分節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步；同步 后的節(jié)點(diǎn)會(huì)取消同步請(qǐng)求定時(shí)器，直到網(wǎng)絡(luò)同步停止；（3)重復(fù)請(qǐng)求階段，當(dāng)一未同步節(jié)點(diǎn) 的同步請(qǐng)求定時(shí)器到時(shí)間時(shí)，它發(fā)送請(qǐng)求同步的消息，如果沒(méi)有回復(fù)，則重新開啟同步定時(shí) 器;而如果該消息被某個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)收到，那么收到消息的從屬節(jié)點(diǎn)開始執(zhí)行消息交換同步 算法;這個(gè)過(guò)程重復(fù)執(zhí)行直到所有節(jié)點(diǎn)同步。本發(fā)明是一種無(wú)線傳感網(wǎng)中的低功耗的時(shí)間 同步方法，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)開始階段，以生成樹的順序，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置了一個(gè)同步請(qǐng)求定時(shí) 器，結(jié)合了 SRP和RRP兩種類型的方法進(jìn)行時(shí)間同步，能夠使區(qū)域內(nèi)的全部節(jié)點(diǎn)都能夠同步， 對(duì)同步過(guò)程的時(shí)序也做了相應(yīng)調(diào)整，保證了同步的正確性。增加了根節(jié)點(diǎn)選擇策略，可以使 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量均衡，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。由于RRP方法中，從屬節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)送任何消 息，所以本發(fā)明可以保持低功耗的特性。并當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度越大時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)變得非常明 顯。同步過(guò)程不需要分組，沒(méi)有額外的能耗開銷。
[0070]最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制;盡 管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其對(duì) 前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替 換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法，其特征在于，包括以下過(guò)程： 步驟IOO，確定根節(jié)點(diǎn)，并開啟各節(jié)點(diǎn)的同步請(qǐng)求定時(shí)器； 步驟200,對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行先期同步，包括以下子步驟： 步驟201，根節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)I類型的消息，其中，所述I類型的消息為通知初始化同步過(guò) 程的消息； 步驟202,對(duì)于收到I類型消息的所有未定義類型的節(jié)點(diǎn)，關(guān)閉同步請(qǐng)求定時(shí)器并開啟 同步定時(shí)器;當(dāng)未定義類型節(jié)點(diǎn)的同步定時(shí)器到時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)類型變?yōu)楣歉晒?jié)點(diǎn)，同 時(shí)廣播S類型的消息，其中，所述S類型的消息是同步的消息，目的地址是其父節(jié)點(diǎn)，并攜帶 第一本地時(shí)間戳Tl; 步驟203,對(duì)于收到S類型消息的所有節(jié)點(diǎn)，如果與S類型消息的目的地址匹配且為骨干 類型節(jié)點(diǎn)，那么記錄第二本地時(shí)間戳T2,并回復(fù)一個(gè)A類型的消息，在發(fā)送時(shí)記錄發(fā)送時(shí)間 戳T3,其中，所述A類型的消息為確認(rèn)同步的消息，包含第二本地時(shí)間戳T2和發(fā)送A類型消息 的發(fā)送時(shí)間戳T3;如果S類型消息的目的地址不匹配且同步定時(shí)器是在運(yùn)行狀態(tài)，那么記錄 第三本地時(shí)間戳T5，并停止同步定時(shí)器，標(biāo)記該節(jié)點(diǎn)的類型為從屬節(jié)點(diǎn)； 步驟204,對(duì)于收到A類型的消息的所有節(jié)點(diǎn)，與A類型的目的地址匹配的節(jié)點(diǎn)，記錄第 四本地時(shí)間戳T4，.確定時(shí)間偏移量，其中，A (α，β) 表示時(shí)間偏移量，并利用確定的時(shí)間偏移量，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步；與A類型消息的目的地 址不匹配的節(jié)點(diǎn)，讀取A類型消息中的第二本地時(shí)間戳，利用公式Δ (α，γ )=Τ2_Τ5確定時(shí) 間偏移量，其中，△ (α，γ )表示時(shí)間偏移量，并利用確定的時(shí)間偏移量，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同 步； 步驟205,時(shí)間同步后的節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)廣播初始化的消息，使其周圍的未定義節(jié)點(diǎn)， 依次執(zhí)行步驟202至204,從而使整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)進(jìn)行先期時(shí)間同步； 步驟300，利用同步請(qǐng)求定時(shí)器，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)中的未同步節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，包括以下子 步驟： 步驟301，當(dāng)未定義類型節(jié)點(diǎn)的同步請(qǐng)求定時(shí)器到時(shí)間后，該節(jié)點(diǎn)發(fā)送R類型的消息； 步驟302,對(duì)于收到R類型消息的所有節(jié)點(diǎn)，如果為從屬節(jié)點(diǎn)，將該節(jié)點(diǎn)的類型變?yōu)楣歉?節(jié)點(diǎn)，并廣播I類型的消息，其中，R類型的消息為重復(fù)請(qǐng)求同步的消息，I類型的消息為通知 初始化同步的過(guò)程的消息； 步驟303,對(duì)于收到I類型消息的所有節(jié)點(diǎn)，依次執(zhí)行步驟202至204進(jìn)行時(shí)間同步； 步驟304,依次重復(fù)步驟301至303,直到無(wú)線傳感器網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)完成時(shí)間同步。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法，其特征在于，在步驟100 中，確定根節(jié)點(diǎn)的方式為： 第一次同步時(shí)，根節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇，作為時(shí)間同步過(guò)程的開始節(jié)點(diǎn)； 再次同步時(shí)，選擇上一輪同步中根節(jié)點(diǎn)的鄰居中的能量剩余最多的節(jié)點(diǎn)作為新一輪的 根節(jié)點(diǎn)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的時(shí)間同步方法，其特征在于，在步驟 100中，確定根節(jié)點(diǎn)，并開啟各節(jié)點(diǎn)的同步請(qǐng)求定時(shí)器，包括： 從根節(jié)點(diǎn)開始，以洪泛的形式，向周圍節(jié)點(diǎn)廣播Z類型的消息，其中，所述Z類型的消息 為通知設(shè)置同步請(qǐng)求定時(shí)器的消息； 收到Z類型消息的節(jié)點(diǎn)，設(shè)置同步請(qǐng)求定時(shí)器，并繼續(xù)向周圍節(jié)點(diǎn)廣播所述Z類型的消 息。
【文檔編號(hào)】H04W28/08GK105933935SQ201610221092
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】邱鐵, 寧兆龍, 張玉爽, 李明楚, 陳寧, 李曉芳
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)