[發明專利]低能耗無線傳感器網絡時間同步方法

無效

• 申請號: 200710017605.1
• 申請日: 2007-04-03
• 公開（公告）號: CN101075926A
• 公開（公告）日: 2007-11-21
• 發明（設計）人: 裴慶祺;趙建軍;馬建峰;姜建國;沈玉龍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04L12/28
• 分類號: H04L12/28;H04B7/26;H04L29/06
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心
• 代理人: 張問芬

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡技術領域，涉及無線傳感器網絡時間同步消息的傳輸方法，具體是一種低能耗無線傳感器網絡時間同步方法。

背景技術

無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知和采集網絡覆蓋區域中某些特定的物理量，并對所采集的信息進行處理，然后發送給觀測者。

對于大多數無線傳感器網絡的應用來說，統一的時間扮演著一個至關重要的角色。依賴于時間同步的應用和協議存在于無線傳感器網絡的方方面面。時間同步協議的實現既依賴于無線傳感器網絡的傳輸特點，同時又支持了無線傳感器網絡的通信和上層應用，是無線傳感器網絡中至關重要的一部分。

傳感器網絡的時間同步可以采用兩種方法，一.給每個節點配備GPS模塊，以獲得精確的時間，使節點時間和標準時間一致，達到同步；二.利用網絡通信方式，交換時間信息，使得全網保持統一的時間，達到同步。由于GPS設備的成本高、能耗大，不能為每個節點都配備GPS模塊，因此只有少量的節點能夠配備GPS模塊，其它的節點則采用交換時間同步消息的辦法來達到全網時間同步。

節點間利用網絡通信交換時間同步消息的方法有很多種，其中洪泛廣播時間同步協議是比較簡單的一種方法。這個方法的原理是：網絡中的每個已同步節點將其本地時間打包，然后采用廣播的方式發送出去。對消息傳遞中各個階段的時間延遲進行細致的分析并建立分布模型，接收到消息的節點按照所建立的分布模型對時間延遲造成的影響進行消除，采用線性回歸的方法估計節點相對于全局時間的時間偏移和時間漂移，利用估計值校正本地時間。

該方法假設傳感器網絡中的每個節點具有唯一的身份標識號，也就是ID號。整個網絡中有一個根節點，根節點是ID號最小的節點，也是選中的同步源。洪泛廣播時間同步協議采用層次結構，根節點屬于0級，根節點廣播域內的節點屬于1級節點，以此類推，級別i的節點同步到級別為i-1的節點。所有節點周期性的廣播時間消息，當i級節點收到i-1級節點的時間消息，達到同步后，生成新的時間消息，然后廣播出去。依次，時間同步從級別高的節點擴散的級別低的節點，最后達到全網的時間同步。

圖1示出了洪泛廣播時間同步的時間消息包的結構。包括前導碼Preamble、同步字節SYNC、數據段Data和CRC校驗碼四部分，其中的數據段又包括時間信標timeStamp、根節點標識號rootID和序列號seqNum三個部分。圖1中，洪泛廣播時間同步協議利用時間同步消息包中的根節點標識號rootID進行根節點選擇，可以確保在根節點失效的情況下重新選出根節點；接收到時間同步消息的節點使用消息包中的序列號seqNum判斷接收到的時間同步消息是否是最新的。

洪泛廣播時間同步協議中，所有的已同步節點都會廣播時間同步消息。無線傳感器網絡的一個特點是節點密度大，應此，一個節點就會收到周圍很多節點廣播的時間消息，這些消息中只有一個會被用到，而其它的消息則是冗余消息，這些冗余消息不但會浪費節點的能量，而且還會造成網絡通信碰撞，降低網絡通信質量。

發明內容

本發明的目的在于避免現有技術的不足，而提出一種低能耗無線傳感器網絡時間同步方法，可以有效地降低時間同步中冗余消息的發送量，達到減小時間同步能耗的目的。

為實現上述目的，本發明提出了下級節點度的概念，并提供了統計各個節點的下級節點度的方法。利用下級節點度選取網絡中的部分節點發送時間同步消息，其它的節點只是被動的接收消息，并不發送時間同步消息。

本發明的具體方法包括網絡預同步、主動節點選擇、再選擇三個過程，所述網絡預同步過程主要完成節點分級、時間同步和統計下級節點度；將網絡中的節點分為主動節點和被動節點，所述主動節點為當與全局時間達到同步后，能夠產生時間同步消息包并廣播出去的節點；所述被動節點為只能接收時間同步消息，而不能廣播時間同步消息包的節點；所述主動節點選擇是利用下級節點度選取網絡中的發送時間同步消息包的節點；節點的下級節點度為與該節點有直接聯系的下級節點的個數；所述再選擇過程是在時間同步過程中出現主動節點失效或所有的主動節點的能量不能再滿足廣播時間同步消息或根節點失效時，重新選出主動節點。

根據本發明的方法，所述節點分級是在時間同步過程中，將傳感器節點分為不同的級別并記錄節點的級別號；在此基礎上統計下級節點度：令一個節點的下級節點度的初始值為0，在一個同步周期中，處于第i級的節點收到第i+1級某個節點發送的時間同步消息，就將其下級節點度加1。