CN107197514A - 无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法及在多跳网络中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法及在多跳网络中的应用，采用可认知全局时钟同步协议（CGCSP），首先在网络中选取能量最高的传感器节点作为主节点，次高的节点作为期望主节点，主节点与期望主节点通过发送者‑接收者（S‑R）模型进行同步，期望主节点与其他子节点通过接收者‑接收者（R‑R）模型进行同步，使网络中所有节点均与主节点同步。同步过程加入了可认知的转换机制：主节点能量低于期望主节点时，由期望主节点代替其继续工作，保证网络的可靠性。最终使得网络完成全局时钟同步操作，实现时钟同步操作高精度，低能耗并且有较高的可靠性。

Description

无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法及在多跳网络中 的应用
技术领域
本发明涉及无线传感器网络的时钟同步技术领域，特别是一种无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法及在多跳网络中的应用，是无线传感器网络的数据融合、定位、工作周期调度和拓扑管理的前提和基础。
背景技术
无线传感器网络(WSNs，Wireless Sensor Networks)是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，传感器节点协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。由于其扩展了对远距离对象进行监测调控的功能，无线传感器网络技术有着极大的发展潜力。
WSNs中的每个传感器节点都含有内部时钟，但是由于各种外部因素，如温度等，时钟晶振常常受到影响而发生时钟漂移，为了解决本地时钟的失步现象，必须进行时钟同步操作。现今较成熟的算法有：网络时间同步协议(NTP，Network Time Protocol)、参考广播同步算法(RBS，Reference Broadcast Synchronization)、传感器网络的时间同步协议(TPSN，Timing-sync Protocol for Sensor Networks)、泛洪时间同步协议(FTSP，Flooding Time Synchronization Protocol)、扩散时间同步协议(TDP，Time-diffusionsynchronization Protocol)等。这些算法在***的能耗效率、同步准确性和可靠性等方面有待提高。
发明内容
针对因晶振误差、运行环境等因素所导致的无线传感器网络中各节点的本地时钟不一致的情况，本发明的目的是提出一种无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法及在多跳网络中的应用，本发明基于可认知的全局时钟同步协议(CGCSP，Cognitive GlobalClock Synchronization Protocol in WSNs)，通过选取主节点及期望主节点的机制，使网络中所有节点均与主节点完成时钟同步，并在同步过程中加入可认知的转换机制，保证主节点在失效情况下，无线传感器网络仍能继续运行，并且使得时钟同步操作具有高精度、低能耗和高可靠性。
为达到上述目的，本发明的构思如下：
采用可认知全局时钟同步协议对传感器节点进行同步操作。首先在网络中选取能量最高的传感器节点作为主节点，次高的节点作为期望主节点，主节点与期望主节点通过发送器-接收器(S-R)模型进行同步，期望主节点再与其他子节点通过接收者-接收者(R-R)模型进行同步，完成网络的全局时钟同步操作。同步过程加入了可认知的转换机制：主节点能量低于期望主节点时，由期望主节点代替其继续工作，保证网络的可靠性，保证主节点在失效情况下，无线传感器网络仍能继续运行。
根据上述构思，本发明采用如下技术方案：
一种无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法，具体步骤如下：
步骤1：将无线传感器节点以能量初值为排序对象进行降序排列，选取初始能量值最高的节点为主节点M，初始能量值次高的节点为期望主节点N；
步骤2：主节点M在TM时刻向广播范围内的节点广播同步信息，期望主节点N在TN时刻收到该广播信息，其它子节点C在TC时刻也收到了来自主节点M的广播信息，各节点准备开始全局同步；
步骤3：期望主节点N首先进行与主节点M之间的同步：期望主节点N在T1时刻向主节点M发送同步请求，主节点M在T2时刻收到该同步请求后，在T3时刻向期望主节点N反馈ACK信号，其中包含主节点M的T2和T3信息；期望主节点N在T4时刻收到该ACK信号，同时计算出自己与主节点M之间的时钟偏移offset(N,M)并更新其本地时钟；
步骤4：期望主节点N向其它节点C分享offset(N,M)以及TN值，节点C比较自己收到广播的时刻TC与分享到的TN以及offset(N,M)，并计算出自己的时钟偏移offset(C,M)和offset(C,N)以更新其本地时钟；
步骤5：每一次信息传递，发送信息的节点将估算所消耗能量，并更新自己的能量值；
步骤6：每个节点在完成时钟同步后都向主节点M发送信息包，其中包括节点ID、更新后的节点时钟初值以及同步之后的节点时钟能量值；主节点M将依据这些信息包，构建并更新用于整个网络的传感器节点信息表；
步骤7：主节点M接收到网络中所有节点的时钟信息后，主节点M判断自身能量是否低于节点N的能量：若是，则交换主节点M和期望主节点N的角色，选取期望主节点N作为下一个同步周期的主节点M，而原先的主节点M则作为下一个周期的期望主节点N，并判断新的期望主节点N是否为网络中能量值次高的节点，否则重新选取其它节点为新的期望主节点；
步骤8：至此完成一个同步周期，若要进入下一同步周期，则从步骤2开始循环。
一种无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法在多跳网络中的应用，在多跳网络中，无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法的实现需要加入每一个广播区域内中间节点的选择；在第一个广播区域内，方法的实现步骤按照上述的步骤执行；而在第二个广播区域内，方法实现时需要先选取第一个广播区域内距离主节点最远的节点作为中间节点，并将其视为第二个广播区域内的期望主节点，然后从上述的步骤4开始执行第二个广播区域内的时钟同步；以此类推，在第三个广播区域内，首先选取第二个广播区域内距离中间节点最远的节点作为新的中间节点，按照上述的步骤完成同步。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
综合发送者-接收者(S-R)模型和接收者-接收者(R-R)模型的优缺点，提出CGCSP算法对无线传感器网络完成全局时钟同步操作，使无线传感器网络达到全局同步，使得时钟同步操作高精度，低能耗并且有较高的可靠性。该方法在多跳网络中均可适用。
附图说明
图1为无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法流程图。
图2为主节点M和期望主节点N之间的同步模式。
图3为期望主节点N和其他子节点C之间的同步模式。
图4为CGCSP时钟同步过程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方例作详细说明。
如图1所示，无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法的时钟同步过程可以分为两个主要阶段：第一阶段是主节点M和期望主节点N之间的同步；第二阶段是期望主节点N和其它子节点C之间的同步。
在第一阶段，时钟同步采用发送器-接收器(S-R)模式，类似于TPSN方案，如图2所示。其中，T1表示当主节点M广播消息到期望主节点N时，主节点M的本地时间。T2表示当期望主节点N从主节点M接收到消息时，期望主节点N的本地时间。T3表示当期望主节点N向主节点M发送ACK消息时，期望主节点N的本地时间。T4表示当主节点M接收由期望主节点N发来的ACK消息时主节点M的本地时间。在第一阶段，同步开始时，主节点M向广播范围内的所有节点广播同步开始信号，期望主节点N收到该消息，并且通过与主节点M的消息交换，计算出自己与主节点间的时钟偏移，并将此信息分享给其它节点。期望主节点N和主节点M之间的时钟偏移offset(N,M)由下式计算：
期望主节点N按下式更新其本地时钟clockN的值：
clockN＝clockN-offset(N,M) (2)
在第二阶段，期望主节点N与其它节点C的同步，则采用接收者-接收者(R-R)模型，类似于RBS方案，如图3所示。在这个阶段，当主节点M向网络中所有节点广播同步消息时，节点C也接收到了该广播信息。通过比较与期望主节点N分享给自己的时钟偏移信息，节点C按照下式计算与主节点M的时钟偏移，并更新其本地时钟，达到与主节点M的同步：
offset(C,M)＝offset(C,N)+offset(N,M) (3)
offset(C,N)＝TC-TN (4)
其中，TC表示节点C收到主节点M的广播消息时的本地时钟值，TN表示期望主节点N收到主节点M的广播消息时的本地时钟值。
合并上述两个阶段，便得到了综合的CGCSP时钟同步过程，如图4所示。
考虑到CGCSP时钟同步过程中的能量消耗，节点间交换的同步消息越多，所花费的同步时间越长，传感器节点消耗的能量就越大，并且时钟同步的效率就越低。通常，下式可用于表示自由空间无线电信号传输的功耗：
其中，pt表示发送功率，pr表示接收功率，d指发送端与接收端之间的距离，c表示路径损耗系数。由于衍射信号衰减、反射和墙体的散射等因素，无线信号受环境干扰较大，路径损耗通常较大。因此，对于无线传感器网络WSNs，其时钟同步算法的能耗情况也可以按照同步过程中消息交换的能耗来粗略估算。根据典型的平面型拓扑控制算法中最小传输能耗模型，无线传感器节点的能耗主要与消息字节以及路径有关，本协议用下面的公式来估算每次无线传感器节点发送一个同步消息的能耗：
Et＝2·Eelec·k+Eamp·k·dc (6)
其中，Et表示节点发送消息的能耗，k为消息字长，Eelec表示节点电子设备能耗，Eamp表示节点的发射机放大器能耗，d指发送节点与接收节点之间的距离。c为路径损耗系数，一般取2～5之间，在实际情况中，路径损耗一般取2，处于室外环境时取4。
综上，一种无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法，具体步骤如下：
步骤1：将无线传感器节点以能量初值为排序对象进行降序排列，选取初始能量值最高的节点为主节点M，初始能量值次高的节点为期望主节点N；
步骤2：主节点M在TM时刻向广播范围内的节点广播同步信息，期望主节点N在TN时刻收到该广播信息，其它子节点C在TC时刻也收到了来自主节点M的广播信息，各节点准备开始全局同步；
步骤3：期望主节点N首先进行与主节点M之间的同步：期望主节点N在T1时刻向主节点M发送同步请求，主节点M在T2时刻收到该同步请求后，在T3时刻向期望主节点N反馈ACK信号，其中包含主节点M的T2和T3信息；期望主节点N在T4时刻收到该ACK信号，同时通过式(1)和(2)计算出自己与主节点M之间的时钟偏移offset(N,M)并更新其本地时钟；
步骤4：期望主节点N向其它节点C分享offset(N,M)以及TN值，节点C比较自己收到广播的时刻TC与分享到的TN以及offset(N,M)，并通过式(3)和(4)计算出自己的时钟偏移offset(C,M)和offset(C,N)以更新其本地时钟；
步骤5：每一次信息传递，发送信息的节点将按照式(6)估算所消耗能量，并更新自己的能量值；
步骤6：每个节点在完成时钟同步后都向主节点M发送信息包，其中包括节点ID、更新后的节点时钟初值以及同步之后的节点时钟能量值；主节点M将依据这些信息包，构建并更新用于整个网络的传感器节点信息表；
步骤7：主节点M接收到网络中所有节点的时钟信息后，主节点M判断自身能量是否低于节点N的能量：若是，则交换主节点M和期望主节点N的角色，选取期望主节点N作为下一个同步周期的主节点M，而原先的主节点M则作为下一个周期的期望主节点N，并判断新的期望主节点N是否为网络中能量值次高的节点，否则重新选取其它节点为新的期望主节点；
步骤8：至此完成一个同步周期，若要进入下一同步周期，则从步骤2开始循环。
一种无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法在多跳网络中的应用，在多跳网络中，无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法的实现需要加入每一个广播区域内中间节点的选择；在第一个广播区域内，方法的实现步骤按照上述的步骤执行；而在第二个广播区域内，方法实现时需要先选取第一个广播区域内距离主节点最远的节点作为中间节点，并将其视为第二个广播区域内的期望主节点，然后从上述的步骤4开始执行第二个广播区域内的时钟同步；以此类推，在第三个广播区域内，首先选取第二个广播区域内距离中间节点最远的节点作为新的中间节点，按照上述的步骤完成同步。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：将无线传感器节点以能量初值为排序对象进行降序排列，选取初始能量值最高的节点为主节点M，初始能量值次高的节点为期望主节点N；
步骤2：主节点M在TM时刻向广播范围内的节点广播同步信息，期望主节点N在TN时刻收到该广播信息，其它子节点C在TC时刻也收到了来自主节点M的广播信息，各节点准备开始全局同步；
步骤3：期望主节点N首先进行与主节点M之间的同步：期望主节点N在T1时刻向主节点M发送同步请求，主节点M在T2时刻收到该同步请求后，在T3时刻向期望主节点N反馈ACK信号，其中包含主节点M的T2和T3信息；期望主节点N在T4时刻收到该ACK信号，同时计算出自己与主节点M之间的时钟偏移offset(N,M)并更新其本地时钟；
步骤4：期望主节点N向其它节点C分享offset(N,M)以及TN值，节点C比较自己收到广播的时刻TC与分享到的TN以及offset(N,M)，并计算出自己的时钟偏移offset(C,M)和offset(C,N)以更新其本地时钟；
步骤5：每一次信息传递，发送信息的节点将估算所消耗能量，并更新自己的能量值；
步骤6：每个节点在完成时钟同步后都向主节点M发送信息包，其中包括节点ID、更新后的节点时钟初值以及同步之后的节点时钟能量值；主节点M将依据这些信息包，构建并更新用于整个网络的传感器节点信息表；
步骤7：主节点M接收到网络中所有节点的时钟信息后，主节点M判断自身能量是否低于节点N的能量：若是，则交换主节点M和期望主节点N的角色，选取期望主节点N作为下一个同步周期的主节点M，而原先的主节点M则作为下一个周期的期望主节点N，并判断新的期望主节点N是否为网络中能量值次高的节点，否则重新选取其它节点为新的期望主节点；
步骤8：至此完成一个同步周期，若要进入下一同步周期，则从步骤2开始循环。
2.一种无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法在多跳网络中的应用，其特征在于：在多跳网络中，无线传感器网络的可认知全局时钟同步方法的实现需要加入每一个广播区域内中间节点的选择；在第一个广播区域内，方法的实现步骤按照权利要求1中的步骤执行；而在第二个广播区域内，方法实现时需要先选取第一个广播区域内距离主节点最远的节点作为中间节点，并将其视为第二个广播区域内的期望主节点，然后从权利要求1中的步骤4开始执行第二个广播区域内的时钟同步；以此类推，在第三个广播区域内，首先选取第二个广播区域内距离中间节点最远的节点作为新的中间节点，按照权利要求1中的步骤完成同步。
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Inventor before: Wang Jianguo

Inventor before: Miao Zhonghua

Inventor before: Chen Guanghua

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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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