一种按需分层无线传感器网络时间同步方法技术

一种按需分层无线传感器网络时间同步方法，属于无线传感器网络时间同步方法。分层时间同步方法包括：根据不同的网络层次和网络结构分层应用不同的时间同步方法，在节点内部建立缓存区，缓存样本数据；设定窗口长度参数，并对在窗口内的样本进行最大似然估计，得出时钟偏差和链路延迟均值；分层时间同步方法分为三个阶段，一是层次发现阶段，在该阶段建立无线传感器网络节点的层次结构，及设定算法标志位；二是算法决定阶段，根据算法标志位决定所使用的算法并设立相应的缓冲区；三是时间同步阶段，按照不同层次使用不同的时间同步算法以进行全网内的节点时钟的同步。优点：提高了时间同步的精度；降低了能量消耗；增加了灵活性和可扩展性。

【技术实现步骤摘要】
一种按需分层无线传感器网络时间同步方法
本专利技术涉及一种无线传感器网络时间同步方法，特别是一种按需分层无线传感器网络时间同步方法。
技术介绍
无线传感器网络是物联网及其相关领域研究的热点之一。时间同步技术是无线传感器网络中的重要研究内容，是许多无线传感器网络应用中的支撑技术。无线传感器网络是一种分布式网络，传感器网络内部节点只有保持时间同步，才能互相协作的完成相应的任务。对于绝大多数无线传感器网络的应用来说，时间的同步非常重要。依赖于时间同步的应用存在于无线传感器网络的方方面面，例如：TDMA无线调度；多传感器节点信息融合；估计目标移动速度；压缩冗余信息等。此外，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保持精确的时间同步。自JeremyElson和KayRomer在2002年10月的HotNets-I会议上首次提出无线传感器网络时间同步这一研究课题以来，该领域的研究人员陆续完善了时间同步的相关理论，并开发出多种时间同步算法。有关无线传感器网络时间同步研究主要分为两个方向。一个方向是旨在提高全网的同步精度，它们通过分析节点的通信传输延迟提高时间戳标记的准确度，减少了延迟不确定性对时间同步精度的不利影响，从而实现全网时间同步。现有的旨在提高同步精度的时间同步算法包括采用接收-接收同步模式的RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)算法、改良自NTP协议的TPSN(Timing-syncProtocolforSensorNetworks)协议、基于树型路由的Mini-Sync/Tiny-Sync算法和LTS(LightweightTreebasedTimeSynchronization)算法、基于泛洪路由的FTSP(TheFloodingTimeSynchronizationProtocol)算法以及利用双信道进行同步的TSync(lightweightbidirectionalTimeSynchronization)算法等。另一个方向的研究重心旨在提高时间同步服务其他方面的性能上，相继出现了旨在降低同步开销的层次型时间同步算法、旨在提高同步可扩展性和鲁棒性的分布式时间同步算法、强调安全性的时间同步算法以及基于异构网络和小世界网络模型的时间同步算法等。国内关于无线传感器网络时间同步算法的研究也比较多，多所科研机构和高校也较早地加入了无线传感器网络时间同步研究的行列，提出了多种时间同步算法。例如，中科院沈阳自动化所开发的轻量级多跳时间同步协议、北京邮电大学研究的基于生成树的时间同步算法、中科院软件所开发的基于误差统计的高能效时间同步协议、清华大学开发的基于数字锁相环的时间同步算法、上海交通大学开发的层次型时间同步算法、中国矿业大学开发的基于动态分簇的低开销时间同步协议、中国科技大学为动态无线传感器网络开发的安全时间同步算法、中科院上海微系统所开发的旨在提高同步鲁棒性的基于扩散机制的网络时间同步协议等。但是现有的无线传感器网络时间同步算法通常是基于全网的，不易实现在一个系统的不同层次中使用不同协议，这样就降低了算法的灵活性及可扩展性。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种按需分层无线传感器网络时间同步方法，解决目前相关技术中时间同步的性能、能耗不能根据无线传感器网络的实际应用环境做出优化和调整，不能根据网络拓扑结构进行分层使用不同特点的时间同步方法的问题。本专利技术的目的是这样实现的：分层时间同步方法包括：根据不同的网络层次和网络结构分层应用不同的时间同步方法，在节点内部建立缓存区，缓存样本数据；设定窗口长度参数，并对在窗口内的样本进行最大似然估计，得出时钟偏差和链路延迟均值；分层时间同步方法分为三个阶段，分别为层次发现阶段、算法决定阶段、时间同步阶段；所述的层次发现阶段，需要在所有节点中记录一个算法标志位，仅能取值0或1；所述的标志位的设定方法：根据无线传感器网络应用环境、拓扑结构及同步要求进行更改；在无线传感器网络中，当网关节点和簇首节点间保持较高精度，对底层网络同步精度要求不高时，终端节点设置算法标志位为1以使用I-RBS算法，主干网络中设置算法标志位为0以使用MLE-TPSN算法；当在局部范围内保持很高精度，在主干网络要求精度不高时，设定终端节点算法标志位为0以使用MLE-TPSN算法，设定网关节点和簇首节点的算法标志位为1以使用I-RBS算法；I-RBS为改进型参考广播同步，英文全称为ImprovedReferenceBroadcastSynchronization；MLE-TPSN为基于最大似然估计的传感器网络定时同步协议，英文全称为BasedonMaximumLikelihoodEstimateTiming-syncProtocolforSensorNetworks。所述的算法决定阶段，根据标志位设定所需使用的算法；相邻两层节点只要有一层节点为1则使用I-RBS算法；均不为1则采用MLE-TPSN算法，且在使用MLE-TPSN的层次运用下式计算结果：其中，T1,k、T2,k、T3,k、T4,k为时间戳，其产生符合如下规则：首先，节点A向节点B发送同步包，其中包含节点A在发送该信息时的本地时间T1,k，节点B在收到此条信息后记录收到的本地时间T2,k；其次，节点B向节点A发送一个确认包，其中包含节点B在发送该信息时的本地时间T3,k，及T2,k，节点A收到第二条同步信息时记录本地时间T4,k；式(1)中Mk＝T2,k-T1,k，Nk＝T4,k-T3,k，Mmin＝min1|k|nMk，Nmin＝min1|k|nNk，和分别是数据和的样本均值；为MLE-TPSN算法估计的固定部分延迟，为MLE-TPSN算法估计的可变部分延迟的均值，是MLE-TPSN算法估计的节点间的时钟偏移，k为某一特定的同步轮数，n为设定的缓存区样本数，计算出结果后，由下层节点根据计算参数向上层节点同步；在使用I-RBS的层次运用下式计算结果：需调整值＝(T'1,k-T'2,k)+(T'4,k-T'2,k)(2)其中，T'1,k、T'2,k、T'3,k和T'4,k均为时间戳；或者，所述方法的相邻两层只要有一层节点为0则使用I-RBS算法，均不为0则采用MLE-TPSN算法；所述的时间同步阶段，根据一定样本量估计出时间同步时的参数，以便下层节点向上层节点同步。有益效果，由于采用分层时间同步的方案，可以更好的在全网范围内同时运用TPSN及RBS算法的各自优点，且分层规则可以根据要求设定。在使用MLE-TPSN算法层次通过最大似然估计对TPSN算法进行了估计，可以取得更高的精度，且可以根据使用要求设定窗口长度参数；在使用I-RBS算法层次通过改进广播方式，减少了同步报文交换，降低了能耗。优点：1、所述同步方法相比TPSN、RBS同步方法提高了时间同步的精度；所述同步方法相比TPSN同步方法降低了能量消耗；所述同步方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种按需分层无线传感器网络时间同步方法，其特征在于：分层时间同步方法包括：根据不同的网络层次和网络结构分层应用不同的时间同步方法，在节点内部建立缓存区，缓存样本数据；设定窗口长度参数，并对在窗口内的样本进行最大似然估计，得出时钟偏差和链路延迟均值；分层时间同步方法分为三个阶段，分别为层次发现阶段、算法决定阶段、时间同步阶段；所述的层次发现阶段，需要在所有节点中记录一个算法标志位，仅能取值0或1；所述的标志位的设定方法：根据无线传感器网络应用环境、拓扑结构及同步要求进行更改；在无线传感器网络中，当网关节点和簇首节点间保持较高精度，对底层网络同步精度要求不高时，终端节点设置算法标志位为1以使用I-RBS算法，主干网络中设置算法标志位为0以使用MLE-TPSN算法；当在局部范围内保持很高精度，在主干网络要求精度不高时，设定终端节点算法标志位为0以使用MLE-TPSN算法，设定网关节点和簇首节点的算法标志位为1以使用I-RBS算法；I-RBS为改进型参考广播同步，英文全称为ImprovedReferenceBroadcastSynchronization；MLE-TPSN为基于最大似然估计的传感器网络定时同步协议，英文全称为BasedonMaximumLikelihoodEstimateTiming-syncProtocolforSensorNetworks；所述的算法决定阶段，根据标志位设定所需使用的算法；相邻两层节点只要有一层节点为1则使用I-RBS算法；均不为1则采用MLE-TPSN算法，且在使用MLE-TPSN的层次运用下式计算结果：

【专利技术属性】
技术研发人员：张申，张然，魏琛，李菲菲，翟彦蓉，朱梦影，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：