基于移动参考节点的无线传感器网络实时同步方法

摘要

一种基于移动参考节点的无线传感器网络实时同步方法，包括如下步骤：无线传感器节点评估自身的时钟精度后，确定是否进行时钟同步；根据所述无线传感器节点的位置计算移动参考节点的位置；以所述无线传感器节点到各个所述无限传感器节点地址信息的路径为基础，设置所述无线传感器节点发送同步请求信息的路由；若当前时刻的所述无线传感器节点的时钟精度不能满足要求时，所述无线传感器节点向所述移动参考节点发起同步请求；在同步请求信息传送过程中形成从所述无线传感器节点到所述移动参考节点的动态多跳链路；当所述移动参考节点接收到同步请求后，依次同步通信返回链路上的所述无线传感器节点；所述无线传感器节点评估接收到同步信号。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于移动参考节点的 无线传感器网络实时同步方法。

背景技术

目前，面向传感器网络时钟同步的主流算法使用位置固定的参考节点。由 于无线传感器节点的通信范围有限，即使是通信能力较强的参考节点的通信 范围也无法直接覆盖整个无线传感器网络，因此必须依赖簇头节点或其他中 间节点所形成的多跳链路从参考节点向需要进行时钟同步的传感器节点传送 同步信息，以此来最终实现全网范围的时钟同步，整体上必然需要较大的通 信量，因而造成作为无线传感器网络时钟同步重要性能指标的能量损耗（节 点实现同步需要的通信所导致的能量开销）相应提高。同时，在同步信息转 发过程中，随着转发次数增多，时钟的误差（主要由传送时间、传播时间和 接收时间组成）也逐渐增大，造成作为无线传感器网络时钟同步另一重要性 能指标的同步精度（节点估算的参考时间与实际参考时间之间的偏差）逐渐 减低。时钟同步的性能随着网络规模的增大而降低。

发明专利申请号201310258389.5“一种基于移动参考节点的无线传感器网 络时钟同步方法”，选用的时钟源为一个移动参考节点，通过建立移动参考节 点的移动轨迹模型，计算移动参考节点的移动路径，使移动参考节点按照计 算的路径进行移动，覆盖无线传感器网络部署区域的所有无线传感器节点， 并对建立连接的传感器节点进行时钟同步，满足传感器网络节点对时钟同步 的基本要求。

移动参考节点按照计算出的路径移动，遍历部署区域内的所有传感器节点, 与通信范围内的邻居节点（普通传感器节点）进行直接通信（单跳直达的）, 由于节点的通信能耗远大于计算能耗，主要基于sender-receiver的单向同步算 法完成节点的同步。参考节点移动一个周期T后，整个无线传感器网络实现 时钟同步。

由于传感器节点的本地时钟源通常采用频率准确度和稳定度较差的廉价 晶振，在自身运行一段时间后，便产生时钟误差；令移动参考节点以△t为时 间间隔进行周期同步，使得节点的同步精度随移动参考节点的同步周期（T+ △t）的变化而变化，对时间间隔△t灵活设置，即同步周期（T+△t）灵活调 节，节点的同步精度便可灵活改变。

但是不管如何调整△t的数值，传感器节点的在T+△t的同步周期不能得 到移动参考点的同步校准服务，当传感器节点对同步周期（T+△t）内时钟精 度有更高要求时，则无法满足要求。

因此，针对不足，提出了一种基于移动参考节点的无线传感器网络实时同 步方法。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之外，本发明提供一种基于移动参考节点的无 线传感器网络时钟同步方法，

包括如下步骤：

步骤S101，无线传感器节点评估自身的时钟精度后，确定是否进行时钟 同步；

步骤S102，根据所述无线传感器节点的位置计算移动参考节点的位置；

步骤S103，以所述无线传感器节点到各个所述无限传感器节点地址信息 的路径为基础，设置所述无线传感器节点发送同步请求信息的路由；

步骤S104，若当前时刻的所述无线传感器节点的时钟精度不能满足要求 时，所述无线传感器节点向所述移动参考节点发起同步请求；

步骤S105，在同步请求信息传送过程中形成从所述无线传感器节点到所 述移动参考节点的动态多跳链路；

步骤S106，当所述移动参考节点接收到同步请求后，依次同步通信返回 链路上的所述无线传感器节点；

步骤S107，所述无线传感器节点评估接收到同步信号。

所述步骤S101具体包括：

移动参考节点以周期（T+△t）对无线传感器节点进行时钟同步，即无线 传感器节点在同步周期（T+△t）时间内产生的时钟相位偏差μ₀，假设时钟的 相位偏差随时间成线性变化，因此计算当前无线传感器节点的相位偏差μ₁

${\mu }_1=\frac{t_1-t_0}{T+\mathrm{\Delta t}}*{\mu }_0;$

t₁表示无线传感器节点当前的时刻，t₀表示最近一次时钟同步的时刻，

然后通过比较μ₁与无线传感器节点所要达到的时钟精度μ的比值，判断无 线传感器节点是否要进行实时同步。

若

$\frac{{\mu }_1}{\mu }<1$

则不需要进行实时同步，此时时钟精度满足要求

$\frac{{\mu }_1}{\mu }>=1$

则需要进行实时同步，此时是指时钟精度不满足要求。

所述步骤S102具体包括：

在进行周期同步时，利用定位算法获得区域中所有无线传感器节点的位 置，在第二同步周期时，将向每个无线传感器节点发送包含所有节点位置的 区域分布图以及移动参考节点的周期同步路径线路图，在移动参考节点的周 期同步路径线路图中包含了移动参考节点在[0，T]的同步周期内到达每个同步 覆盖圆心的时间；

无线传感器节点A首先计算移动参考节点现在所处的位置，根据纠正后 无线传感器节点当前时刻与同步周期的比值k，可近似确定移动参考节点的位 置：

$k=\frac{t_1-{\mu }_1}{T+\mathrm{\Delta t}}=\frac{t_{1-}\frac{t_1-t_0}{T+\mathrm{\Delta t}}*{\mu }_0}{T+\mathrm{\Delta t}}$

对k进行取整取余分析如下：

取整运算

取余运算：

若q＜T，说明移动参考节点正运行于周期同步通信链路上；

T+Δt＞＝q＞＝T，说明移动参，考节点已经完成周期同步正停留 在周期同步的起始点；

当q＜T时，无线传感器节点根据节点位置的区域分布图以及移动参考节点 的周期同步路径线路图，找到q所对应的同步覆盖圆心的位置。

所述步骤S103具体包括：

由步骤S102确定移动参考节点的位置，即移动参考节点所在的同步覆盖 圆心位置，选取此同步覆盖圆区域内的非休眠无线传感器节点的IP地址为目 的地址；

根据节点位置的区域分布图规划处一条从无线传感器节点到同步覆盖圆 区域内的非休眠无线传感器节点并包含途径各个传感器节点地址信息的路 径，以此路径为基础，设置无线传感器节点发送同步请求信息的路由。

所述步骤S107具体包括：

无线传感器节点A通过步骤S106接收到移动参考节点返回的同步信号， 由于同步信号通过多个无线传感器节点的多跳传输，将在移动参考节点提供 的标准时钟的基础上产生误差的累加，在t₂时刻无线传感器节点A被同步， 计算t₂时刻无线传感器节点的相位偏差μ₂

${\mu }_2=\frac{t_2-t_0}{T+\mathrm{\Delta t}}*{\mu }_0;$

t₂表示无线传感器节点被同步的时刻，t₀表示最近一次时钟同步的时刻；

然后通过比较μ₂与无线传感器节点所要达到的时钟精度μ的比值，判断无 线传感器节点是否要再次发起同步请求；

若

$\frac{{\mu }_2}{\mu }<1$

则满足时钟精度要求，不需要在此发起同步请求；

$\frac{{\mu }_1}{\mu }>=1$

则不满足时钟精度要求，即通信返回链路上的无线传感器节点的多 跳传输产生误差较大，需要无线传感器节点A再次发起同步请求；

无线传感器节点A重新估算移动参考节点位置，重新建立动态多跳链路， 直到满足时钟精度要求为止。

上述同步方法有效提高同步精度，降低了节点的能量损耗。

附图说明

图1是本发明的基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法的流 程示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述的无线传感器节点的进行实时同步过 程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图与实 例对本发明作进一步详细说明。但所举实例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供一种基于移动参考节点的无线传感器网络实时同 步方法的流程示意图，

包括：步骤S101，无线传感器节点评估自身的时钟精度：

由“一种基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法”可知，移动 参考节点以周期（T+△t）对无线传感器节点进行时钟同步，即无线传感器节 点在同步周期（T+△t）时间内产生的时钟相位偏差μ₀，假设时钟的相位偏差 随时间成线性变化，因此计算当前无线传感器节点的相位偏差μ₁

${\mu }_1=\frac{t_1-t_0}{T+\mathrm{\Delta t}}*{\mu }_0;$

t₁表示无线传感器节点当前的时刻，t₀表示最近一次时钟同步的时刻，

然后通过比较μ₁与无线传感器节点所要达到的时钟精度μ的比值，判断无 线传感器节点是否要进行实时同步。

若

$\frac{{\mu }_1}{\mu }<1$

则不需要进行实时同步，此时时钟精度满足要求

$\frac{{\mu }_1}{\mu }>=1$

则需要进行实时同步，此时是指时钟精度不满足要求

步骤S102，估算移动参考节点的位置：

“一种基于移动参考节点的无线传感器网络时钟同步方法”在进行周期同 步时，利用定位算法获得区域中所有无线传感器节点的位置，在第二同步周 期时，将向每个无线传感器节点发送包含所有节点位置的区域分布图以及移 动参考节点的周期同步路径线路图，在移动参考节点的周期同步路径线路图 中包含了移动参考节点在[0，T]的同步周期内到达每个同步覆盖圆心的时间。

见图2，无线传感器节点A首先计算移动参考节点现在所处的位置，根据 纠正后无线传感器节点当前时刻与同步周期的比值k，可近似确定移动参考节 点的位置：

$k=\frac{t_1-{\mu }_1}{T+\mathrm{\Delta t}}=\frac{t_{1-}\frac{t_1-t_0}{T+\mathrm{\Delta t}}*{\mu }_0}{T+\mathrm{\Delta t}}$

对k进行取整取余分析如下：

取整运算：

取余运算：

若q＜T，说明移动参考节点正运行于周期同步通信链路上；

T+Δt＞＝q＞＝T，说明移动参，考节点已经完成周期同步正停留 在周期同步的起始点。

当q＜T时，无线传感器节点根据节点位置的区域分布图以及移动参考节点 的周期同步路径线路图，找到q所对应的同步覆盖圆心的位置。

步骤S103，定向传送策略规划同步请求路径传送路径：

由步骤S102确定移动参考节点的位置B，即移动参考节点所在的同步覆 盖圆心位置，选取此同步覆盖圆区域内的非休眠无线传感器节点C的IP地址 为目的地址；

根据节点位置的区域分布图规划处一条从无线传感器节点到同步覆盖圆 区域内的非休眠无线传感器节点并包含途径各个传感器节点地址信息的路 径，以此路径为基础，设置无线传感器节点发送同步请求信息的路由。

步骤S104，向移动参考节点发起实时同步请求：

当前时刻的无线传感器节点的时钟精度不能满足要求时，无线传感器节点 向移动参考节点发起同步请求；

步骤S105，是否需要动态调整传送路径：

在同步请求信息传送过程中，若遇到规划路径上的传感器节点处于休眠状 态或失去联系，则此时负责转发同步请求信息所在的无线传感器节点重新调 用步骤S103规划传送路径，继而对传送同步请求信号的路径做出了动态的调 整，形成了从无线传感器节点到移动参考节点的动态多跳链路。

步骤S106，移动参考节点同步通信返回链路：

当移动参考节点B接收到同步请求后，通过同步动态多跳链路将同步信息 传送给请求时钟同步的普通传感器节点A，即移动参考节点B首先将无线传 感器节点C的时钟进行同步，然后无线传感器节点C作为时钟基准，依次同 步通信返回链路上的其它无线传感器节点，知道节点A。

步骤S107，节点评估接收到同步信号：

无线传感器节点A通过步骤S106接收到移动参考节点返回的同步信号， 由于同步信号通过多个无线传感器节点的多跳传输，将在移动参考节点提供 的标准时钟的基础上产生误差的累加，在t₂时刻无线传感器节点A被同步， 计算t₂时刻无线传感器节点的相位偏差μ₂

${\mu }_2=\frac{t_2-t_0}{T+\mathrm{\Delta t}}*{\mu }_0;$

t₂表示无线传感器节点被同步的时刻，t₀表示最近一次时钟同步的时刻；

然后通过比较μ₂与无线传感器节点所要达到的时钟精度μ的比值，判断无 线传感器节点是否要再次发起同步请求。

若

$\frac{{\mu }_2}{\mu }<1$

则满足时钟精度要求，不需要在此发起同步请求；

$\frac{{\mu }_1}{\mu }>=1$

则不满足时钟精度要求，即通信返回链路上的无线传感器节点的多 跳传输产生误差较大，需要无线传感器节点A再次发起同步请求；

无线传感器节点A重新估算移动参考节点位置，重新建立动态多跳链路， 直到满足时钟精度要求为止。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本 发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见 的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。