[發明專利]一種低內存開銷的分布式無線傳感網絡時間同步方法

有效

• 申請號: 201710574605.5
• 申請日: 2017-07-14
• 公開（公告）號: CN107395308B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: 姜勇;盛戈皞;江秀臣;施國勇;何津;王國興
• 申請（專利權）人: 國網上海市電力公司;上海交通大學;華東電力試驗研究院有限公司
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06;H04W4/38;H04W56/00
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 朱成之;周乃鑫

本發明公開了一種低內存開銷的分布式無線傳感網絡同步方法，該方法是基于分布式平均算法，各個節點內存大小可控，網絡中各個節點功能一致，無參考節點和固定拓撲結構；每個節點周期性發送同步信標，利用接收到的同步信標中的數據進行時鐘調整；節點在發送同步信標時同時發送本地存儲的歷史時間戳數據，接收節點可以直接在同步信標中找到可用的時間戳，無需查找本地存儲數據；發送節點通過內存管理策略及時釋放已被使用的數據，達到降低內存占用的目的。本發明可以讓內存小、價格低廉的無線節點能應用在大規模的動態網絡和密集型分布式網絡中。

技術領域

本發明涉及一種無線傳感網絡時間同步方法，特別涉及一種低內存開銷的分布式無線傳感網絡同步方法。

背景技術

無線傳感網絡由大量傳感器節點構成，擁有數據采集、通信和處理能力。隨著技術的不斷成熟，無線傳感網絡以其成本低、組網便捷、低功耗等特點，被越來越多地被應用在物聯網家居、工業控制以及醫療衛生等領域。

時間同步是無線傳感網絡研究的熱點問題之一，在目標追蹤、網絡管理、電氣監控等網絡應用中，高精度的時間同步是數據處理的基礎和保障。由于傳感網絡中節點時鐘晶振的工藝存在差異，以及溫度和電壓等因素影響，造成晶振計數不準確，導致了不同節點各自時鐘存在不一致的現象，它們的時鐘會逐漸相互偏離。

傳統的時間同步方法包括RBS(Reference-Broadcast Synchronization)，TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)，FTSP(Flooding Time SynchronizationProtocol)等，這類時間同步算法通常需要有參考節點來為其它節點提供參考時間，因而稱之為集中式同步算法。集中式同步算法通常能有很快的同步速度和較小的網絡開銷。但是由于它們依賴于參考節點和特定的拓撲網絡(例如TPSN，FTSP需要樹型網絡)，節點的丟失和新節點的加入都容易導致同步算法的失敗，因而集中式時間同步算法魯棒性差，難以應用于動態的網絡。

分布式時間同步算法不依賴于參考節點和網絡拓撲。其中比較突出的算法為分布式平均算法，如經典的分布式時間同步算法ATS(L.Schenato and F.Fiorentin,“AverageTimeSynch:A consensusbased protocol for clock synchroniza-tion in wirelesssensor networks,”Automatica,vol.47,no.9,pp.1878-1886,2011.)。分布式平均算法中，每個節點與其鄰居節點交換共享信息，并利用獲取的信息計算數據平均值，以調整自己的時鐘，從而達到整個網絡的時間同步。這種分布式架構能夠提供很高的魯棒性和可擴展性，提高網絡穩定性。

相比于集中式時間同步，分布式時間同步能更適用于大規模的、動態的無線傳感網絡中。然而由于分布式同步算法中每個節點需要存儲大量鄰居節點的信息，存在網絡開銷大、節點內存占用高的問題，限制了其應用范圍。

節點時鐘模型：在無線傳感網絡中，任意一個節點i在物理時刻t的時鐘讀數可以用公式(1)表示：

τ_i(t)＝a_it+b_i (1)

其中a_i為節點時鐘晶振漂移率，b_i為時鐘偏移。為了調整時鐘，ATS算法提出新的調整時鐘模型：

其中為漂移率調節參數，為偏移調節參數，因此ATS同步算法的目標在于調整各個節點的使得網絡中所有的節點的調整后時鐘C_i(t)達到一致。