一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法技术

本发明专利技术公开了一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法，解决了现有技术难以完成矿井传感器网络中的时钟同步的缺陷。本发明专利技术根据不同类型节点(同步后节点和未同步节点)采取对应的同步策略：若两个节点都为未同步节点，则节点间不进行同步；若两个节点中一个为未同步节点A，另一个为同步后节点B，则未同步节点A通过两次单跳同步向同步后节点B同步；若两个节点均为同步后节点，分别用i和j表示，则交换校正时钟，并进行以下判断及操作：若|Ei(t)-Ej(t)|＜σ，则两节点间不发生同步；若Ei(t)＞Ej(t)+σ，则节点i将节点j视为时钟源节点并向节点j进行同步。本发明专利技术同步精度高，尤其适用于矿井传感器网络中。

【技术实现步骤摘要】
一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法
本专利技术涉及一种井下时钟同步方法，具体地讲，是涉及一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法。
技术介绍
在矿井环境监测中通常需要对矿井风速、矿尘、一氧化碳、温度、湿度、氧气、硫化氢和二氧化碳等参数进行检测。现有的监控检测系统需要在矿井内设通信线路,传递监测信息。生产过程中矿井结构在不停变化,加之有些坑道空间狭小,对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求。一旦通信链路发生故障,整个监测系统就可能瘫痪。为解决上述问题,研究人员提出使用无线传感器网络来进行矿井环境的监测监控。时钟同步技术为无线传感器网络中的终端节点的本地时钟提供一个统一的时间尺度，该问题一直是无线传感器网络研究领域的一个难题。由于计算机的时钟运行误差,每个终端节点的时钟单位时间内表示的时间长度不一定相同，即存在时间漂移。当网络运行一段时间后，节点间就会产生一定的时间偏差，因此需要对终端节点进行时钟同步。时间同步是无线传感器网络运行的基础，如标记数据采集时间、时分多址接入、协同休眠、定位、数据融合等应用都需要网络中节点的时钟保持同步。矿井传感器网络中的时钟同步操作只能在相邻节点间完成，通过单跳局部同步的方式将各节点的时钟收敛到时钟源，最终完成全网的时钟同步。由于节点的移动性，节点重同步的间隔和重同步的对象都具有不确定性，这决定了网络中时钟同步机制设计要解决的关键问题是构建一个对本地时钟误差的度量指标，在此基础上提出移动节点间的同步策略，当两个移动节点相遇后，根据移动节点间的同步策略决定是否进行时钟同步和同步操作的方向。虽然，目前已有一些典型的无线传感器网络时间同步协议的时间同步机制，如DMTS，RBS，TPSN，LTS，HRTS，FTSP等，但它们在矿井无线传感器网络结构上的应用却有所欠缺，难以有效完成矿井传感器网络中的时钟同步。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种保证在矿井传感器网络中全网节点仍能达到一定时钟同步精度的用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法。对本专利技术申请中的术语解释：时钟源时钟：时钟源时钟，即时钟源节点的本地时钟，作为全网的时钟标准，时钟同步机制的同步目标，可视为真实时钟，在本专利技术申请中用t表示。本地时钟：移动节点的本地时钟读数，在本专利技术申请中用Ci(t)表示在时钟源时钟为t时刻，节点i本地时钟，其中，下标i表示节点。校正时钟：同步后节点基于自己的当前本地时钟和上次同步过程中计算的自己频偏一起构建一个软件时钟，同步后节点在网络中所有涉及时间的操作时都使用这个时钟，而不使用自己的本地时钟，在本专利技术申请中用Ti(t)表示在时钟源时钟为t时刻，节点i的校正时钟，其中，下标i表示节点，且节点i必须是一个同步后节点。基于上述时钟，对不同类型节点的说明如下：对于网络中任一节点i，若i为时钟源节点，则有t≡Ci(t)≡Ti(t)。对于未同步节点，则该节点仅能得到并使用自己的本地时钟Ci(t)；对于同步后节点，则该节点可根据自己的本地时钟Ci(t)来计算出校正时钟Ti(t)。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法，包括以下步骤：(1)部署网络，网络中的节点包括若干一般节点和一个时钟源节点，上述节点又分为未同步节点和同步后节点，其中，时钟源节点始终为同步后节点；(2)使未同步节点和同步后节点在矿井下自由移动；(3)当两个节点相遇后，按照以下策略决定同步操作：(31)若两个节点都为未同步节点，则节点间不进行同步；(32)若两个节点中一个为未同步节点A，另一个为同步后节点B，则未同步节点A通过两次单跳同步向同步后节点B同步；(33)若两个节点均为同步后节点，分别用i和j表示，则交换校正时钟，并进行以下判断及操作：若|Ei(t)-Ej(t)|＜σ，则两节点间不发生同步；若Ei(t)＞Ej(t)+σ，则节点i将节点j视为时钟源节点并向节点j进行同步；其中，时钟源节点负责提供全网统一的时标，未同步节点是指网络开始运行后没有进行时钟同步的节点，同步后节点是指网络开始运行后至少进行过一次时钟同步的节点；Ei(t)表示节点i的校正时钟Ti(t)在t时刻的误差，Ej(t)表示节点j的校正时钟Tj(t)在t时刻的误差，σ为常数，t为时钟源的时钟。所述步骤(32)中未同步节点通过DMTS、RBS、TPSN、LTS、HRTS或FTSP连续进行两次单跳时钟同步，其中，第一次同步后，节点A并不调整自己的时钟，经过第二次同步后，节点A完成第二次同步完成时本地时钟与节点B校正时钟的同步：CA(t3)＝TB(CA(t3))，其中，TB(CA(t3))表示第二次同步完成时节点B的校正时钟，t3表示第二次同步完成时的时钟源时钟。节点A完成同步后变为同步后节点，并构建节点A的校正时钟TA(t)，具体方法如下：(321)节点A连续向节点B发起两次单跳的时钟同步，通过任意一种时钟同步算法，分别得到第一次单跳时钟同步后节点A的本地时钟与节点B的校正时钟差值Δ1和第二次单跳时钟同步后节点A的本地时钟与节点B的校正时钟差值Δ2；(322)在两次时钟同步操作完成后，根据节点A两次同步结束时间的本地时钟为CA(t1)和CA(t3)与Δ1和Δ2，计算节点B的校正时钟TB(CA(t1))和TB(CA(t3))：TB(CA(t1))＝CA(t1)+Δ1(1)TB(CA(t3))＝CA(t3)+Δ2(2)(323)根据式(3)计算节点A的频偏aA：(324)构建节点A的校正时钟：其中，CA(t1)为第一次时钟同步完成时节点A的本地时钟，CA(t3)为第二次同步完成后节点A的本地时钟。校正时钟误差估计反映了节点的工作时钟的准确度，频偏误差反映了在较短时间内节点工作时钟的准确度，因此，为了之后两个同步后节点相遇后的同步策略，未同步节点转变为同步后节点后，还需计算频偏误差和校正时钟的误差：频偏误差的计算：根据式(5)计算未同步节点A转变为同步后节点后的频偏误差：其中，表示第2次单跳同步期间节点B的校正时钟与时钟源时钟的误差，表示第1次单跳同步期间节点B的校正时钟与时钟源时钟的误差，σ＝σ1＝σ2。校正时钟误差的计算：根据式(6)计算未同步节点A转变为同步后节点后，其校正时钟TA(t)在t时刻的误差：所述步骤(33)中节点i将节点j视为时钟源节点，向节点j进行同步的具体方式如下：如果θi＞θj，节点i用自己的本地时钟Ci(t)向节点j进行两次单跳同步，并重新计算频偏ai，频偏误差θi和校正时钟Ti(t)；否则，节点i用自己的校正时钟Ti(t)向节点j进行一次单跳同步；其中，θi表示节点i的频偏误差，θj表示节点j的频偏误差。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术针对不同类型的节点进行不同的同步策略，同步精度高，不仅有效地克服了现有技术难以完成矿井传感器网络中的时钟同步的缺陷，而且在矿井传感器网络中，本专利技术可以对高能效的MAC协议和周期性的拓扑探测进行支持。附图说明图1为两次单跳同步的示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的实施方式包括但不限于下列实施例。实施例本实施例提供了一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法，该时钟同步方法根据不同类型节点(同步后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)部署网络，网络中的节点包括若干一般节点和一个时钟源节点，上述节点又分为未同步节点和同步后节点，其中，时钟源节点始终为同步后节点；(2)使未同步节点和同步后节点在矿井下自由移动；(3)当两个节点相遇后，按照以下策略决定同步操作：(31)若两个节点都为未同步节点，则节点间不进行同步；(32)若两个节点中一个为未同步节点A，另一个为同步后节点B，则未同步节点A通过两次单跳同步向同步后节点B同步；(33)若两个节点均为同步后节点，分别用i和j表示，则交换校正时钟，并进行以下判断及操作：若|Ei(t)‑Ej(t)|＜σ，则两节点间不发生同步；若Ei(t)＞Ej(t)+σ，则节点i将节点j视为时钟源节点并向节点j进行同步；其中，时钟源节点负责提供全网统一的时标，未同步节点是指网络开始运行后没有进行时钟同步的节点，同步后节点是指网络开始运行后至少进行过一次时钟同步的节点；Ei(t)表示节点i的校正时钟Ti(t)在t时刻的误差，Ej(t)表示节点j的校正时钟Tj(t)在t时刻的误差，σ为常数，t为时钟源的时钟。

【技术特征摘要】
1.一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)部署网络，网络中的节点包括若干一般节点和一个时钟源节点，上述节点又分为未同步节点和同步后节点，其中，时钟源节点始终为同步后节点；(2)使未同步节点和同步后节点在矿井下自由移动；(3)当两个节点相遇后，按照以下策略决定同步操作：(31)若两个节点都为未同步节点，则节点间不进行同步；(32)若两个节点中一个为未同步节点A，另一个为同步后节点B，则未同步节点A通过两次单跳同步向同步后节点B同步；(33)若两个节点均为同步后节点，分别用i和j表示，则交换校正时钟，并进行以下判断及操作：若|Ei(t)-Ej(t)|＜σ，则两节点间不发生同步；若Ei(t)＞Ej(t)+σ，则节点i将节点j视为时钟源节点并向节点j进行同步；其中，时钟源节点负责提供全网统一的时标，未同步节点是指网络开始运行后没有进行时钟同步的节点，同步后节点是指网络开始运行后至少进行过一次时钟同步的节点；用Ci(t)表示节点i在t时刻的本地时钟，用Ti(t)表示同步后节点i在t时刻的校正时钟，所述Ei(t)表示节点i的校正时钟Ti(t)在t时刻的误差，Ej(t)表示节点j的校正时钟Tj(t)在t时刻的误差，σ为常数，t为时钟源的时钟。2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法，其特征在于，所述步骤(32)中未同步节点通过DMTS、RBS、TPSN、LTS、HRTS或FTSP连续进行两次单跳时钟同步，其中，第一次同步后，节点A并不调整自己的时钟，经过第二次同步后，未同步节点A将第二次同步结束时的本地时钟同步为同步后节点B的校正时钟：CA(t3)＝TB(CA(t3))，其中，TB(CA(t3))表示第二次同步完成时节点B的校正时钟，t3表示第二次同步完成时的时钟源时钟,CA(t3)表示节点A第二次同步结束时间的本地时钟。3.根据权利要求2所述的一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法，其特征在于，节点A完成同步后变为同步后节点，并构建节点A的校正时钟TA(t)，具体方法如下：(321)节点A连续向节点B发起两次单跳的时钟同步，通过任意一种时钟同步算法，分别得到第一次单跳时钟同步后节点A的本地时钟与节点B的校正时钟差值Δ1和第二次单跳时钟同步后节点A的本地时钟与节点B的校正时钟差值Δ2...

【专利技术属性】
技术研发人员：林锋，何坤，黄鹏，周激流，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51