一种基于信标网络的多跳时间同步方法

摘要

本发明涉及一种基于信标网络的多跳时间同步方法，属于通信技术领域。传感器节点自组网形成多层级树型网络，采用信标网络，由中央协调器根据网络规模进行动态时隙分配，然后使用硬件标记时间戳，通过泛洪时间同步的方式，将携带有同步信息的信标帧广播出去，节点收到信标帧后，由上一节点信标中的时间偏差信息和同步跳数信息计算节点质量Q，当Q满足一定关系时，可选择其进行同步，通过最小二乘线性回归估计相偏和频偏，同步完成后，在CCO规定的时隙进行信标帧的广播。本发明消除了信道接入和系统数据排队产生的不确定时延，避免了网络冲突，减少了同步冗余路径，降低了能耗，降低了多层级同步平均跳数，提升了同步精度和稳定性。

权利要求

1.一种基于信标网络的多跳时间同步方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S11：节点间自组织形成多层级的树型信标网络；

S12：中心节点动态的为全网节点分配信标时隙，中心节点分配时隙时，第一个时隙是中心节点时隙，接下来为代理节点分配代理时隙，代理时隙的次序依据层级排序，同一层级的可以不分先后，最后为叶子节点安排发现信标时隙；

S13：为叶子节点分配时隙根据一定的算法，从低层级到高层级依序遍历中心节点、代理节点底下的叶子节点，首先判断父节点底下是否已经为1/a的叶子节点分配时隙，如果是，则遍历下一个代理节点，如果不是，则继续判断该节点在b个周期内是否已经被分配过时隙，如果有，则不分配时隙，如果没有，则为其分配时隙，然后判断父节点底下是否已经为

1/a的叶子节点分配时隙，如果是，则遍历下一个代理节点，如果不是，则继续遍历叶子节点，a和b具体取值根据网络规模而定；

S14：各节点在自己的时隙内将带有时间同步信息的信标帧发送出去，采用硬件时间戳标记，时间戳标记为信标帧第一个有用字符出现在空口上的时间T1；

S15：接收端将信标帧接收下来，并记录接收到信标帧第一个有效字符出现的时间T2；

S16：节点计算信标源节点的同步质量Q，如果Q在合理范围内，则将时间戳对信息(T1,T2)存入历史数据中；

在所述S16中，计算节点质量的方法为：Qi＝η(Hnum)·λ(HOPnum)其中，Qi表示i节点的同步质量，η(Hnum)表示关于节点i频偏或相偏突变的次数的函数，λ(HOPnum)表示关于节点i同步跳数的函数，Q越低越好，当Qi≤Qmax时，代表可以根据节点i的信标帧进行同步；

S17：利用历史时间戳对，通过最小二乘线性回归估计相偏和频偏，然后对自己的时钟进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种基于信标网络的多跳时间同步方法，其特征在于：在所述S11中，节点自组织形成多层级树型信标网络。

3.根据权利要求1所述的一种基于信标网络的多跳时间同步方法，其特征在于：在所述S12中，信标时隙的分配次序为中央信标、代理信标和发现信标。

4.根据权利要求1所述的一种基于信标网络的多跳时间同步方法，其特征在于：在所述S13中，动态分配叶子节点的时隙，减少同步冗余路径，保证节点的增加、减少、改变时的稳定性，适用于动态网络拓扑。

5.根据权利要求1所述的一种基于信标网络的多跳时间同步方法，其特征在于：在所述S14中，计算时间戳的公式为：

Ttag＝Tcurrent+nTpreamble_sync其中，Ttag表示写入信标帧的时间戳，Tcurrent表示当前时间，Tpreamble_sync表示单个前导或同步码的时间，n表示有几个前导或同步码。

说明书

一种基于信标网络的多跳时间同步方法

技术领域

[0001] 本发明属于通信技术领域，涉及一种基于信标网络的多跳时间同步方法。

背景技术

[0002] 无线传感器网络由多个传感器节点组成，这些传感器节点能够将它们从环境中获取的数据传送到基站。由于其固有的特性，如有限的能量资源、存储资源、计算资源和带宽，
无线传感器网络协议和算法的设计通常受到非常严格的限制。

[0003] 高精度的时间同步对于无线传感器网络的稳定运行和协同至关重要。越来越多的应用需要使用到传感器网络并将其部署于各种各样的环境，应用场景也逐渐朝着大规模、
密集、多跳、并且需要实时通信的网络发展，然而，其中大多数是资源受限的传感器节点，实
现高精度时间同步并且降低传感器节点的能耗计算是至关重要的。

[0004] 时间同步主要采双向信息交换和单向信息交换，双向信息交换信息获取更多，同步精度更高，但能耗大，不适用于大规模的多跳网络，单向信息传输同步精度低于双向信息
交换，但能耗低，现今许多大规模的多跳网络都使用单向信息传输的同步方式。泛洪时间同
步是一种经典的单向信息传输的时间同步协议，其主要原理为：选择一个参考节点，该节点
周期性的广播带有时间戳的消息，节点等待足够的全局和本地时间戳对数据，然后使用最
小二乘线性回归估计偏移量和倾斜量，所有与参考节点同步的节点都开始扩展广播同步消
息，直到实现全网同步。

[0005] 使用泛洪时间同步方法，虽然减小了能耗，但没有消除信道接入的随机延时，时间戳标记产生的误差，在多跳网络中，会产生多余的同步路径，导致能量的无用消耗，还会产
生多跳的同步误差累积，影响精度。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于信标网络的多跳时间同步方法。包括：节点间自组织形成多层级的树型信标网络，网络中分为中心节点、代理节点、节点三类，中
心节点动态分配信标时隙，周期性广播信标帧，信标帧携带同步信息和时隙信息；代理节
点、节点接收信标帧，进行时间同步，根据收到的信标帧，判断节点同步质量，择优进行同
步；代理节点、节点同步完成后，在自己的时隙内广播转发信标帧。

[0007] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0008] 一种基于信标网络的多跳时间同步方法，该方法包括以下步骤：

[0009] S11：节点间自组织形成多层级的树型信标网络；

[0010] S12：中心节点动态的为全网节点分配信标时隙，中心节点分配时隙时，第一个时隙是中心节点时隙，接下来为代理节点分配代理时隙，代理时隙的次序依据层级排序，同一
层级的可以不分先后，最后为叶子节点安排发现信标时隙；

[0011] S13：为叶子节点分配时隙根据一定的算法，从低层级到高层级依序遍历中心节点、代理节点底下的叶子节点，首先判断父节点底下是否已经为1/a的叶子节点分配时隙，
如果是，则遍历下一个代理节点，如果不是，则继续判断该节点在b个周期内是否已经被分
配过时隙，如果有，则不分配时隙，如果没有，则为其分配时隙，然后判断父节点底下是否已
经为1/a的叶子节点分配时隙，如果是，则遍历下一个代理节点，如果不是，则继续遍历叶子
节点，a和b具体取值根据网络规模而定；

[0012] S14：各节点在自己的时隙内将带有时间同步信息的信标帧发送出去，采用硬件时间戳标记，时间戳标记为信标帧第一个有用字符出现在空口上的时间T1；

[0013] S15：接收端将信标帧接收下来，并记录接收到信标帧第一个有效字符出现的时间T2；

[0014] S16：节点计算信标源节点的同步质量Q，如果Q在合理范围内，则将时间戳对信息(T1,T2)存入历史数据中；

[0015] S17：利用历史时间戳对，通过最小二乘线性回归估计相偏和频偏，然后对自己的时钟进行修正。

[0016] 可选的，在所述S11中，节点自组织形成多层级树型信标网络。

[0017] 可选的，在所述S12中，信标时隙的分配次序为中央信标、代理信标和发现信标。

[0018] 可选的，在所述S13中，动态分配叶子节点的时隙，减少同步冗余路径，保证节点的增加、减少、改变时的稳定性，适用于动态网络拓扑。

[0019] 可选的，在所述S14中，计算时间戳的公式为：

[0020] Ttag＝Tcurrent+nTpreamble_sync

[0021] 其中，Ttag表示写入信标帧的时间戳，Tcurrent表示当前时间，Tpreamble_sync表示单个前导或同步码的时间，n表示有几个前导或同步码。

[0022] 可选的，在所述S16中，计算节点质量的方法为：

[0023] Qi＝η(Hnum)·λ(HOPnum)

[0024] 其中，Qi表示i节点的同步质量，η(Hnum)表示关于节点i频偏或相偏突变的次数的函数，λ(HOPnum)表示关于节点i同步跳数的函数，Q越低越好，当Qi≤Qmax时，代表可以根据节
点i的信标帧进行同步。

[0025] 本发明的有益效果在于：

[0026] (1)本发明结合信标时隙，在信标时隙进行同步帧的发送，减少了信道接入和系统数据排队产生的不确定时延，提高了泛洪时间同步的精度。

[0027] (2)本发明采用动态的时隙预估方式，减少了时间同步的冗余路径，降低了能耗。

[0028] (3)根据节点质量Q选择同步节点，减少了多层级情况下所需的同步跳数，提升了同步精度和稳定性。

[0029] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可
以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和
获得。

附图说明

[0030] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

[0031] 图1为多层级的树型信标网络的网络拓扑结构；

[0032] 图2为信标时隙的划分示意图；

[0033] 图3为时隙动态分配流程图；

[0034] 图4为时间戳标记与捕捉示意图；

[0035] 图5为本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

[0036] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示
意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相
互组合。

[0037] 其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不
代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是
可以理解的。

[0038] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系
为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或
暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述
位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术
人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0039] 本发明提供了一种基于信标网络的多跳时间同步方法，该方法包括以下步骤：

[0040] S11：节点间自组织形成多层级的树型信标网络，如图1所示；

[0041] S12：中心节点动态的为全网节点分配信标时隙，中心节点分配时隙时，第一个时隙是中心节点时隙，接下来为代理节点分配代理时隙，代理时隙的次序依据层级排序，同一
层级的可以不分先后，最后为叶子节点安排发现信标时隙，如图2所示；

[0042] S13：为叶子节点分配时隙根据一定的算法，从低层级到高层级依序遍历中心节点、代理节点底下的叶子节点，首先判断父节点底下是否已经为为1/a的叶子节点分配时
隙，如果是，则遍历下一个代理节点，如果不是，则继续判断该节点在b个周期内是否已经被
分配过时隙，如果有，则不分配时隙，如果没有，则为其分配时隙，然后判断父节点底下是否
已经为1/a的叶子节点分配时隙，如果是，则遍历下一个代理节点，如果不是，则继续遍历叶
子节点，a和b具体取值根据网络规模而定，时隙分配方法如图3所示；

[0043] S14：各节点在自己的时隙内将带有时间同步信息的信标帧发送出去，采用硬件时间戳标记，时间戳标记为信标帧第一个有用字符出现在空口上的时间T1；

[0044] S15：接收端将信标帧接收下来，并记录接收到信标帧第一个有效字符出现的时间T2，如图4所示；

[0045] S16：节点计算信标源节点的同步质量Q，如果Q在合理范围内，则将时间戳对信息(T1,T2)存入历史数据中；

[0046] S17：利用历史时间戳对，通过最小二乘线性回归估计相偏和频偏，然后对自己的时钟进行修正。

[0047] 进一步，在所述步骤S14中，时间戳标记使用硬件标记法，在前导发送的同时计算时间戳并填入信标帧控制内，计算时间戳公式为：

[0048] Ttag＝Tcurrent+nTpreamble_sync

[0049] 其中，Ttag表示写入信标帧的时间戳，Tcurrent表示当前时间，Tpreamble_sync表示单个前导或同步码的时间，n表示有几个前导或同步码。

[0050] 进一步，在所述步骤S16中，对质量Q的计算如下式

[0051] Qi＝η(Hnum)·λ(HOPnum)

[0052] 其中，Qi表示i节点的同步质量，η(Hnum)表示关于节点i频偏或相偏突变的次数的函数，λ(HOPnum)表示关于节点i同步跳数的函数，Q越低越好，当Qi≤Qmax时，代表可以根据节
点i的信标帧进行同步。

[0053] 最后，本发明实施例的流程示意图如图5所示。

[0054] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技
术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明
的权利要求范围当中。