一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法技术

本发明专利技术属于无线传感器网络通信技术领域，具体涉及一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法，通过设计具备空闲状态、监听状态、激发状态，以及对应切换规则的脉冲耦合振荡器模型，在一个预设的时间段内启动时间同步机制，使脉冲耦合振荡器在空闲状态、监听状态、激发状态间轮流循环切换，并根据相应的节点划分规则，使不同阶的跟随者脉冲耦合振荡器依次与领导者脉冲耦合振荡器达成时间同步；本发明专利技术显著降低了基于脉冲耦合振荡器的时间同步对无线传感器网络的要求，极大拓展了基于脉冲耦合振荡器的时间同步方法在无线传感器网络中的应用范围。网络中的应用范围。网络中的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法


[0001]本专利技术属于无线传感器网络通信
，具体涉及一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法，可广泛应用于无线传感器网络的时间同步过程。

技术介绍

[0002]无线传感器网络是由大量传感器节点构成的无线网络，其综合了探测传感、无线通信、分布式信息处理等技术，在环境监测、物流交通等众多领域有着广泛的应用。无线传感器网络中单个节点的能力是有限的，无线传感器网络强大的功能是通过节点间相互协作实现的。在无线传感器网络中，每个节点都有自己的时间，整个网络节点的时间同步是无线传感器节点间实现相互协作的前提。
[0003]传统的时间同步方法为基于数据包的时间同步，即传感器节点通过交换包含各自时间信息的同步数据包达成同步。如CN101977433A公开了一种无线传感器网络的平均时间同步方法，将无线传感器网络的拓扑结构抽象成图模型G，将初始时刻网络节点的时间值作为节点初始值；由切换信号控制的边同时传递数据包进行通信，边连接的节点i和j发送接受三个数据包实现节点的平均时间操作，完成各自本地时间的更新；重复执行直到网络节点间的最大差量渐进趋于一个允许范围内的误差，网络达到平均时间同步，网络节点持续工作，稳定保持时间同步状态。CN101588628A公开了一种无线传感器网络时间同步方法，首先把无线传感器网络构建成树型网络拓扑，并以根节点的时间值为基准时间，且根节点与网络的基站通过pair－wise算法同步；其后根节点沿各子树广播包含根节点时间信息的同步数据包，各子树的父节点与其子节点间通过pair－wise算法同步，并最终使各子树各层间同步；直到树型网络各节点都具有一个统一的时间信号。
[0004]然而，基于数据包的时间同步存在诸多局限性，主要包括：1）同步数据包的传输、编码、解码过程将不可避免地产生时延，导致同步精度下降；2）同步数据包中包含传感器节点的时间、身份等信息，容易造成信息泄露；3）在大规模无线传感器网络的时间同步过程中，大量数据包的传输会造成高额能量损耗并占用大量带宽，这使得基于数据包的时间同步方法难以在大规模无线传感器网络中应用。
[0005]针对上述局限性，探索具有高精度、高安全性、低能耗的时间同步方法成为了无线传感器网络的重要研究方向。受到自然界多种生物同步现象的启发，例如萤火虫同步闪烁、心肌细胞节律收缩、神经元细胞同步的放电等，基于脉冲耦合振荡器的时间同步应运而生。脉冲耦合振荡器是周期性发送脉冲信号的振荡器，每个传感器节点都可设计成为一个脉冲耦合振荡器。在基于脉冲耦合振荡器的时间同步机制下，节点间仅需通过交换不携带任何附加信息的脉冲信号，就可实现整个网络的时间同步。基于脉冲耦合振荡器的时间同步有如下优势：1）脉冲信号不携带任何附加信息，因此在发送、传输、接收、处理脉冲信号时产生的时延较小、同步精度高；2）脉冲信号不携带时间、身份等附加信息，基于脉冲耦合振荡器的时间同步有效保护了传感器节点时间、身份等信息不被泄露；3）在大规模无线传感器网络的时间同步过程中，通过交换脉冲信号达成时间同步损耗能量较少并且不占用大量带
宽。由于无线传感器节点自身的能量有限、节点间通信信道带宽有限等约束的存在，上述优势使得基于脉冲耦合振荡器的时间同步天然适用于无线传感器网络。因此，对基于脉冲耦合振荡器的时间同步的研究具有重要的理论意义和应用前景。
[0006]虽然基于脉冲耦合振荡器的时间同步已得到国内外学者们的广泛关注，但是目前仍有诸多问题尚未妥善解决。由于节点间交换的脉冲信号不携带任何附加信息，每个脉冲耦合振荡器可获取的外部信息异常匮乏，这使得整个网络的时间同步难以顺利达成。为保证无线传感器网络能够实现时间同步，现有的基于脉冲耦合振荡器的时间同步机制通常要求无线传感器网络满足如下一项或多项约束条件：1）网络的拓扑结构必须为全连接、生成树、链式、环形等特殊结构；2）网络节点间的耦合强度须在[0.5,1]之间选取；此外，当网络节点间的耦合强度小于1时，现有的基于脉冲耦合振荡器的时间同步机制仅能实现渐近时间同步，即当时间趋于无穷时，时间同步才最终得以达成；3）网络中全部脉冲耦合振荡器的初始相位处于半个振荡周期之内。
[0007]上述苛刻的约束条件严重限制了现有的基于脉冲耦合振荡器的时间同步在无线传感器网络中的广泛应用。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种新型脉冲耦合振荡器模型及其时间同步机制，在如下三个方面显著降低了基于脉冲耦合振荡器时间同步对无线传感器网络的要求，极大拓展了基于脉冲耦合振荡器的时间同步方法在无线传感器网络中的应用范围：1）在网络拓扑结构方面，无线传感器网络的拓扑结构仅须为一般连通结构而非必须为全连接、生成树、链式、环形等特殊结构；2）在网络节点间耦合强度方面，节点间的耦合强度可在(0,1]之间任意选取而非限制在[0.5，1]之间；此外，当节点间的耦合强度小于1时，网络可在有限时间内达成时间同步；3）在脉冲耦合振荡器的初始相位分布方面，网络中脉冲耦合振荡器的初始相位可以任意分布。
[0009]本专利技术完整的技术方案包括：一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法，所述无线网络包括多个脉冲耦合振荡器，所有脉冲耦合振荡器均直接或间接连接；所述脉冲耦合振荡器模型为：每个脉冲耦合振荡器均具有一个内部时间、一个与内部时间相关的相位变量，以及空闲状态、监听状态和激发状态三种状态；每个脉冲耦合振荡器的相位变量以恒定速度从0向临界值运动，相位变量运行到临界值时，脉冲耦合振荡器将相位变量重置为0，并根据所处状态决定是否发送脉冲信号；每个脉冲耦合振荡器收到一个外部脉冲信号时，根据所处状态决定是否进行相位跳变；无线网络时间同步方法为：所有脉冲耦合振荡器在一个预设的时间段内启动时间同步机制，脉冲耦合振荡器启动时间同步机制后，首先进入空闲状态，并在空闲状态、监听状态、激发状态间轮流循环切换；
无线网络将启动时间同步机制后最早发出脉冲信号的脉冲耦合振荡器定义为初始领导者；并将其余脉冲耦合振荡器根据其与初始领导者的连接关系，划分为从1阶跟随者至M阶跟随者的多阶跟随者；在无线网络中所有脉冲耦合振荡器的空闲状态、监听状态、激发状态间轮流循环切换过程中，从1阶跟随者至M阶跟随者依次与初始领导者达成时间同步。
[0010]进一步的，所述脉冲耦合振荡器模型中，每个脉冲耦合振荡器在空闲状态、监听状态、激发状态下的运行规则为：当脉冲耦合振荡器处于空闲状态时，脉冲耦合振荡器不发出脉冲信号；当脉冲耦合振荡器在空闲状态收到一个外部脉冲信号时，脉冲耦合振荡器不进行相位跳变；空闲状态结束后，脉冲耦合振荡器进入监听状态；当脉冲耦合振荡器处于监听状态时，脉冲耦合振荡器仅监听是否有脉冲信号输入而不发出脉冲信号；当脉冲耦合振荡器在监听状态收到一个脉冲信号时，脉冲耦合振荡器根据相位跳变函数与耦合强度进行相位跳变，同时结束监听状态并进入激发状态；当脉冲耦合振荡器处于激发状态时，当脉冲耦合振荡器收到一个脉冲信号后，脉冲耦合振荡器根据相位跳变函数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法，其特征在于，所述无线网络包括多个脉冲耦合振荡器，所有脉冲耦合振荡器均直接或间接连接；所述脉冲耦合振荡器模型为：每个脉冲耦合振荡器均具有一个内部时间、一个与内部时间相关的相位变量，以及空闲状态、监听状态和激发状态三种状态；每个脉冲耦合振荡器的相位变量以恒定速度从0向临界值运动，相位变量运行到临界值时，脉冲耦合振荡器将相位变量重置为0，并根据所处状态决定是否发送脉冲信号；每个脉冲耦合振荡器收到一个外部脉冲信号时，根据所处状态决定是否进行相位跳变；无线网络时间同步方法为：所有脉冲耦合振荡器在一个预设的时间段内启动时间同步机制，脉冲耦合振荡器启动时间同步机制后，首先进入空闲状态，并在空闲状态、监听状态、激发状态间轮流循环切换；无线网络将启动时间同步机制后最早发出脉冲信号的脉冲耦合振荡器定义为初始领导者；并将其余脉冲耦合振荡器根据其与初始领导者的连接关系，划分为从1阶跟随者至M阶跟随者的多阶跟随者；在无线网络中所有脉冲耦合振荡器的空闲状态、监听状态、激发状态间轮流循环切换过程中，从1阶跟随者至M阶跟随者依次与初始领导者达成时间同步。2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法，其特征在于，所述脉冲耦合振荡器模型中，每个脉冲耦合振荡器在空闲状态、监听状态、激发状态下的运行规则为：当脉冲耦合振荡器处于空闲状态时，脉冲耦合振荡器不发出脉冲信号；当脉冲耦合振荡器在空闲状态收到一个外部脉冲信号时，脉冲耦合振荡器不进行相位跳变；空闲状态结束后，脉冲耦合振荡器进入监听状态；当脉冲耦合振荡器处于监听状态时，脉冲耦合振荡器仅监听是否有脉冲信号输入而不发出脉冲信号；当脉冲耦合振荡器在监听状态收到一个脉冲信号时，脉冲耦合振荡器根据相位跳变函数与耦合强度进行相位跳变，同时结束监听状态并进入激发状态；当脉冲耦合振荡器处于激发状态时，当脉冲耦合振荡器收到一个脉冲信号后，脉冲耦合振荡器根据相位跳变函数与耦合强度进行相位跳变；当脉冲耦合振荡器处于激发状态且相位变量运行到临界值时，脉冲耦合振荡器发出一个脉冲信号并将相位变量重置为0，同时结束激发状态并进入空闲状态。3.根据权利要求2所述的一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法，其特征在于，脉冲耦合振荡器在监听状态或激发状态收到一个外部脉冲信号时，脉冲耦合振荡器根据如下方式进行相位跳变：式中，为脉冲耦合振荡器在t时刻收到脉冲信号时的相位，为相位跳变函数，为耦合强度，为相位跳变后脉冲耦合振荡器的相位。4.根据权利要求3所述的一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法，其特征在于，相位跳变函数为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振乾，王品霖，朱国梁，高庆，吕金虎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：