一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法技术

本发明专利技术公开了一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，用于为大规模无线传感器网络提供精准的时间同步服务，所述方法包括如下内容：时间同步信息产生，时间基准源节点周期性广播带有时间信息和序列号信息的同步报文；时间同步信息扩散，节点在收到同步报文后进行转发，直到所有节点转发完成；时间同步信息计算，网络中节点收到新的同步信息报文，通过时间信息和延迟时间计算出当前节点接收同步报文的发送时间戳，获得实时有效时间信息。

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法
本专利技术涉及无线传感器网络
，特别是涉及一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法。
技术介绍
无线传感器网络是一种多跳自组织网络，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽准确的信息，并传送给需要这些信息的用户。因此无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一。在无线传感器网络应用中，往往需要多个节点感应的信息进行信息协同处理或数据融合。这就要求相关的传感器节点所采集的数据在时间上是关联的，有时甚至要求是同步的，但如果各个传感器节点不同步，这样来自传感器节点数据的相关性就会受到影响。无线传感器网络的许多应用对于时间同步都有要求，例如，要测量声音的传播时间就需要节点非常精确的时间；形成分布式波束成型阵列；构成低能量的TDMA无线调度；多传感器节点时序信息的融合以估计目标移动速度；识别许多节点对同一时间的重复探测以压缩冗余信息。一些诸如数据库查询、加密和验证方案、未来行动的协调、与用户交互、系统调试时有序的日志事件等应用都需要传感器节点间精确的时间同步。准确的时间同步是实现传感器网络自身协议的运行、定位、多传感器数据融合、移动目标的跟踪以及基于睡眠/侦听模式的节能等技术的基础无线网络中的节点都有各自的本地时钟。由于一些内在因素(如晶体振荡频率存在偏差等)和一些外在因素(如温度变化和电磁干扰等)的影响，节点之间很难达到长期的时间同步，即使在某个时刻所有节点都能够达到时间同步，节点之间的时间也会逐渐出现偏差。时间同步通过估算节点间的物理时钟之间的关系构造出对应的逻辑时钟，以达成时间同步。对于网络化的时间同步，需要构造便于进行时间同步的拓扑结构，并以此使得网络中各节点具备统一的逻辑时间，最终实现全网的时间同步。目前，无线传感器网络典型的时间同步方法在单跳精度上能够达到几个微秒以内，但是随着网络规模的扩大和通信跳数的增加，节点间的同步误差具有累积效应和误差不均衡效应，比如一跳误差为e，则对于n跳节点来说误差可能会达到n*e，而不同同步路径的n跳节点间误差可能达到2n*e，从而为无线传感器网络的通信带来不稳定性。尽管目前存在一些补偿算法对多跳同步进行算法补偿，在一定程度上降低了误差累积和不均衡效应，仍然无法从根本上消除误差累积效应，特别是当通信跳数增加到十跳以上，通过补偿降低的误差累积和不均衡效应微乎其微。因此，面向大规模多跳的无线传感器网络相关的应用领域迫切需要一种能够实现多跳一致的稳定可靠时间同步方法。
技术实现思路
针对现有技术中无线传感器网络大规模多跳网络应用中存在同步误差累积和不均衡效应等不足之处，本专利技术提供一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，包括：时间同步信息产生步骤：根节点作为时间基准源节点，周期性地广播同步报文，所述同步报文，包括：时间信息、序列号和延迟时间；所述序列号与时间信息一一对应，具备唯一性；初始延迟时间为零；所述时间信息为根节点将同步报文发出时刻对应的基准源时间；所述延迟时间为节点内从接收报文到转发出去报文所消耗的时间；时间同步信息扩散和时间同步步骤：每个节点接收到同步报文后，首先根据序列号判断同步报文中的序列号是否曾经接收过，如果曾经接收过，则对本地时间不进行更新，丢弃该同步报文；否则，依据同步报文中的时间信息与延迟时间求和结果，对当前节点的本地时间进行同步更新；节点对同步报文进行更新：保持同步报文中的时间信息和序列号不变；节点将自身转发出同步报文的时间点与自身接收到同步报文的时间差作为转发时间延迟累计到同步报文的延迟时间中；每个节点将更新后的同步报文通过广播方式转发给其他节点，直至所有节点完成同一个序列号对应的同步报文转发，同时所有节点完成对自身本地时间的时间同步更新为止。进一步的，所述时间同步信息扩散和时间同步步骤如下：与根节点连接的一级节点在接收到根节点同步报文后，对同步报文中的时间信息进行提取，基于时间信息对一级节点的本地时间进行时间同步更新；一级节点对同步报文进行更新：保持时间信息和序列号不变，计算报文在一级节点中转发时间点和接收时间点之间的时间差，将时间差累加到同步报文的延迟时间中，所述时间差为同步更新后本地时间对应的时间差；将更新后的延迟时间通过时间戳的形式注入同步报文中；一级节点将更新后的同步报文转发给与一级节点连接的二级节点；二级节点在接收到新序列号对应的同步报文后，首先根据序列号判断同步报文中的序列号是否曾经接收过，如果曾经接收过，则对本地时间不进行更新，丢弃该同步报文；否则，提取收到同步报文中的时间信息和延迟时间，通过对提取的时间信息和延迟时间进行求和，获取当前报文接收时间点对应的基准时间信息，依据基准时间信息对二级节点的本地时间进行时间同步更新；二级节点进一步对同步报文进行更新：保持同步信息和序列号不变，计算同步报文在二级节点中转发和接收之间的时间差，将时间差继续累加到同步报文的延迟时间中，所述时间差为同步更新后本地时间对应的时间差；将更新后的延迟时间通过时间戳的形式注入同步报文中；二级节点将更新后的同步报文转发给与二级节点连接的三级节点；以此类推，直至所有节点收到上级节点转发的同步报文，并依据上级节点转发的同步报文对自身的本地时间进行时间同步更新为止。如果某个节点出现故障导致同步失效，故障消除后，恢复正常的节点清除已有的同步信息，重新进入等待同步状态，恢复正常的节点接收到上级节点转发过来的同步报文后，依据同步报文中的时间信息与延迟时间求和结果，对当前节点的本地时间进行同步更新；节点对同步报文进行更新：保持同步报文中的时间信息和序列号不变；节点将自身转发出同步报文的时间点与自身接收到同步报文的时间差作为转发时间延迟累计到同步报文的延迟时间中；恢复正常的节点将更新后的同步报文转发给下一级节点。等待同步节点初次同步通过计算接收时间戳和发送时间戳之间的差异将本地时间向全局时间校正，节点进入正常运行状态。若干次同步后可以通过线性回归等典型算法将本地时间向全局时间校正。初次上电节点也可以认为是处于等待同步状态。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用的一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，通过将时间源节点同步信息快速逐跳转发，从而使得网络中的节点所获得的同步信息无限接近时间源的同步信息，从而使得各节点同步参照接近一致。相比传统的时间同步方法，本专利技术所提供方法能够极大降低网络时间同步过程中存在的同步误差累积和同步误差不均衡性。2、本专利技术通过时间源发起同步，从而使得整个网络能够更加方便控制网络的同步频率，有助于降低网络中节点算法复杂度，同时进一步提升网络同步性能的可控度，为用户提供更稳定、可靠的无线传感器网络时间同步方法。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为网络同步拓扑结构；图2为同步信息传播流程图；图3为同步报文结构图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，其特征是，包括：时间同步信息产生步骤：根节点作为时间基准源节点，周期性地广播同步报文，所述同步报文，包括：时间信息、序列号和延迟时间；所述序列号与时间信息一一对应，具备唯一性；初始延迟时间为零；所述时间信息为根节点将同步报文发出时刻对应的基准源时间；所述延迟时间为节点内从接收报文到转发出去报文所消耗的时间；时间同步信息扩散和时间同步步骤：每个节点接收到同步报文后，首先根据序列号判断同步报文中的序列号是否曾经接收过，如果曾经接收过，则对本地时间不进行更新，丢弃该同步报文；否则，依据同步报文中的时间信息与延迟时间求和结果，对当前节点的本地时间进行同步更新；节点对同步报文进行更新：保持同步报文中的时间信息和序列号不变；节点将自身转发出同步报文的时间点与自身接收到同步报文的时间差作为转发时间延迟累计到同步报文的延迟时间中；每个节点将更新后的同步报文通过广播方式转发给其他节点，直至所有节点完成同一个序列号对应的同步报文转发，同时所有节点完成对自身本地时间的时间同步更新为止。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，其特征是，包括：时间同步信息产生步骤：根节点作为时间基准源节点，周期性地广播同步报文，所述同步报文，包括：时间信息、序列号和延迟时间；所述序列号与时间信息一一对应，具备唯一性；初始延迟时间为零；所述时间信息为根节点将同步报文发出时刻对应的基准源时间；所述延迟时间为节点内从接收报文到转发出去报文所消耗的时间；时间同步信息扩散和时间同步步骤：每个节点接收到同步报文后，首先根据序列号判断同步报文中的序列号是否曾经接收过，如果曾经接收过，则对本地时间不进行更新，丢弃该同步报文；否则，依据同步报文中的时间信息与延迟时间求和结果，对当前节点的本地时间进行同步更新；节点对同步报文进行更新：保持同步报文中的时间信息和序列号不变；节点将自身转发出同步报文的时间点与自身接收到同步报文的时间差作为转发时间延迟累计到同步报文的延迟时间中；每个节点将更新后的同步报文通过广播方式转发给其他节点，直至所有节点完成同一个序列号对应的同步报文转发，同时所有节点完成对自身本地时间的时间同步更新为止。2.如权利要求1所述的一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，其特征是，所述时间同步信息扩散和时间同步步骤如下：与根节点连接的一级节点在接收到根节点同步报文后，对同步报文中的时间信息进行提取，基于时间信息对一级节点的本地时间进行时间同步更新；一级节点对同步报文进行更新：保持时间信息和序列号不变，计算报文在一级节点中转发时间点和接收时间点之间的时间差，将时间差累加到同步报文的延迟时间中，所述时间差为同步更新后本地时间对应的时间差；将更新后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪付强，吴晓明，刘祥志，李晔，梁艳，张建强，刘宏，张鹏，姜竞赛，梁峰，王帅，孟祥艳，
申请(专利权)人：山东省计算中心国家超级计算济南中心，
类型：发明
国别省市：山东,37