專利名稱：低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步消息的傳輸方法，具體是一種低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中某些特定的物理量，并對(duì)所采集的信息進(jìn)行處理，然后發(fā)送給觀測(cè)者。
對(duì)于大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用來說，統(tǒng)一的時(shí)間扮演著一個(gè)至關(guān)重要的角色。依賴于時(shí)間同步的應(yīng)用和協(xié)議存在于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方方面面。時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)既依賴于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸特點(diǎn)，同時(shí)又支持了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信和上層應(yīng)用，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要的一部分。
傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步可以采用兩種方法，一.給每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備GPS模塊，以獲得精確的時(shí)間，使節(jié)點(diǎn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，達(dá)到同步；二.利用網(wǎng)絡(luò)通信方式，交換時(shí)間信息，使得全網(wǎng)保持統(tǒng)一的時(shí)間，達(dá)到同步。由于GPS設(shè)備的成本高、能耗大，不能為每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備GPS模塊，因此只有少量的節(jié)點(diǎn)能夠配備GPS模塊，其它的節(jié)點(diǎn)則采用交換時(shí)間同步消息的辦法來達(dá)到全網(wǎng)時(shí)間同步。
節(jié)點(diǎn)間利用網(wǎng)絡(luò)通信交換時(shí)間同步消息的方法有很多種，其中洪泛廣播時(shí)間同步協(xié)議是比較簡(jiǎn)單的一種方法。這個(gè)方法的原理是網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)已同步節(jié)點(diǎn)將其本地時(shí)間打包，然后采用廣播的方式發(fā)送出去。對(duì)消息傳遞中各個(gè)階段的時(shí)間延遲進(jìn)行細(xì)致的分析并建立分布模型，接收到消息的節(jié)點(diǎn)按照所建立的分布模型對(duì)時(shí)間延遲造成的影響進(jìn)行消除，采用線性回歸的方法估計(jì)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于全局時(shí)間的時(shí)間偏移和時(shí)間漂移，利用估計(jì)值校正本地時(shí)間。
該方法假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有唯一的身份標(biāo)識(shí)號(hào)，也就是ID號(hào)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)是ID號(hào)最小的節(jié)點(diǎn)，也是選中的同步源。洪泛廣播時(shí)間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，根節(jié)點(diǎn)屬于0級(jí)，根節(jié)點(diǎn)廣播域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)屬于1級(jí)節(jié)點(diǎn)，以此類推，級(jí)別i的節(jié)點(diǎn)同步到級(jí)別為i-1的節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)周期性的廣播時(shí)間消息，當(dāng)i級(jí)節(jié)點(diǎn)收到i-1級(jí)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間消息，達(dá)到同步后，生成新的時(shí)間消息，然后廣播出去。依次，時(shí)間同步從級(jí)別高的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散的級(jí)別低的節(jié)點(diǎn)，最后達(dá)到全網(wǎng)的時(shí)間同步。
圖1示出了洪泛廣播時(shí)間同步的時(shí)間消息包的結(jié)構(gòu)。包括前導(dǎo)碼Preamble、同步字節(jié)SYNC、數(shù)據(jù)段Data和CRC校驗(yàn)碼四部分，其中的數(shù)據(jù)段又包括時(shí)間信標(biāo)timeStamp、根節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)rootID和序列號(hào)seqNum三個(gè)部分。圖1中，洪泛廣播時(shí)間同步協(xié)議利用時(shí)間同步消息包中的根節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)rootID進(jìn)行根節(jié)點(diǎn)選擇，可以確保在根節(jié)點(diǎn)失效的情況下重新選出根節(jié)點(diǎn)；接收到時(shí)間同步消息的節(jié)點(diǎn)使用消息包中的序列號(hào)seqNum判斷接收到的時(shí)間同步消息是否是最新的。
洪泛廣播時(shí)間同步協(xié)議中，所有的已同步節(jié)點(diǎn)都會(huì)廣播時(shí)間同步消息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)密度大，應(yīng)此，一個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)收到周圍很多節(jié)點(diǎn)廣播的時(shí)間消息，這些消息中只有一個(gè)會(huì)被用到，而其它的消息則是冗余消息，這些冗余消息不但會(huì)浪費(fèi)節(jié)點(diǎn)的能量，而且還會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)通信碰撞，降低網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提出一種低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，可以有效地降低時(shí)間同步中冗余消息的發(fā)送量，達(dá)到減小時(shí)間同步能耗的目的。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了下級(jí)節(jié)點(diǎn)度的概念，并提供了統(tǒng)計(jì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度的方法。利用下級(jí)節(jié)點(diǎn)度選取網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步消息，其它的節(jié)點(diǎn)只是被動(dòng)的接收消息，并不發(fā)送時(shí)間同步消息。
本發(fā)明的具體方法包括網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步、主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇、再選擇三個(gè)過程，所述網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步過程要完成節(jié)點(diǎn)分級(jí)、時(shí)間同步和統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度；所述主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇是利用下級(jí)節(jié)點(diǎn)度選取網(wǎng)絡(luò)中的特定節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為主動(dòng)節(jié)點(diǎn)和被動(dòng)節(jié)點(diǎn)；所述再選擇過程是在時(shí)間同步過程中出現(xiàn)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)失效或所有的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能量不能再滿足廣播時(shí)間同步消息或根節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，重新選出主動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的方法，所述節(jié)點(diǎn)分級(jí)是在時(shí)間同步過程中，將傳感器節(jié)點(diǎn)分為不同的級(jí)別并記錄節(jié)點(diǎn)的級(jí)別號(hào)；在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度令一個(gè)節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度的初始值為0，在一個(gè)同步周期中，處于第i級(jí)的節(jié)點(diǎn)收到第i+1級(jí)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間同步消息，就將其下級(jí)節(jié)點(diǎn)度加1。
根據(jù)本發(fā)明的方法，所述主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇遵循如下兩個(gè)規(guī)則(1)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度為0的節(jié)點(diǎn)不發(fā)送時(shí)間同步消息，則此節(jié)點(diǎn)為被動(dòng)節(jié)點(diǎn)；(2)如果節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度小于接收到的其它同級(jí)節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度，節(jié)點(diǎn)不發(fā)送時(shí)間同步消息，則此節(jié)點(diǎn)為被動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的方法，主動(dòng)節(jié)點(diǎn)的再選擇過程按如下三種方式處理(1)某個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)失效，經(jīng)同級(jí)的被動(dòng)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)后，由被動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步消息包，經(jīng)過幾個(gè)同步周期，重新選出主動(dòng)節(jié)點(diǎn)；(2)所有的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能量不能再滿足廣播時(shí)間同步消息，由根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，并發(fā)起全網(wǎng)的再選擇；(3)根節(jié)點(diǎn)失效，由新的根節(jié)點(diǎn)發(fā)起再選擇，需要重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步和主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇。
本發(fā)明所采用的傳遞時(shí)間同步消息的消息包，其數(shù)據(jù)段Data中增加級(jí)別號(hào)levelNum和下級(jí)節(jié)點(diǎn)度NLND，其中級(jí)別號(hào)用于傳遞節(jié)點(diǎn)的等級(jí)信息，此levelNum是必須的，NLND為可選的。
相對(duì)于傳統(tǒng)的洪泛廣播時(shí)間同步協(xié)議，本發(fā)明主要有下面幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明利用下級(jí)節(jié)點(diǎn)度選取主動(dòng)節(jié)點(diǎn)和被動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在時(shí)間同步過程中，由于只有主動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步消息，被動(dòng)節(jié)點(diǎn)只需要接收時(shí)間同步消息包。相比于傳統(tǒng)洪泛廣播時(shí)間同步協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要發(fā)送時(shí)間同步消息，本發(fā)明可以有效的減少網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送時(shí)間消息的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，降低了同步過程中的網(wǎng)絡(luò)通信量，時(shí)間同步中的冗余消息大大減少，網(wǎng)絡(luò)沖突也隨之降低，延長了傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作周期；(2)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步過程中，節(jié)點(diǎn)分級(jí)和統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度是伴隨時(shí)間同步進(jìn)行的。主動(dòng)節(jié)點(diǎn)再選擇過程確保在主動(dòng)節(jié)點(diǎn)失效或不能承擔(dān)時(shí)間同步消息發(fā)送的情況下，重新選出主動(dòng)節(jié)點(diǎn)。這樣可以大大提高低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法運(yùn)行的穩(wěn)定性。
附圖1是洪泛廣播時(shí)間同步消息包的結(jié)構(gòu)示意圖附圖2是本發(fā)明低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步消息包的結(jié)構(gòu)示意圖附圖3是本發(fā)明一級(jí)節(jié)點(diǎn)在主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇前后的狀態(tài)示意圖具體實(shí)施方式
圖2顯示的是低能耗時(shí)間同步方法的時(shí)間同步消息包的結(jié)構(gòu)，包括前導(dǎo)碼Preamble、同步字節(jié)SYNC、數(shù)據(jù)段Data和CRC校驗(yàn)碼四部分，其中的數(shù)據(jù)段又包括時(shí)間信標(biāo)timeStamp、根節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)rootID、序列號(hào)seqNum、節(jié)點(diǎn)級(jí)別號(hào)levelNum和節(jié)點(diǎn)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度NLND五個(gè)部分。比圖1所示的洪泛廣播時(shí)間同步數(shù)據(jù)包多出兩個(gè)數(shù)據(jù)，其中l(wèi)evelNum攜帶的是節(jié)點(diǎn)的等級(jí)信息，這個(gè)數(shù)據(jù)是必須的，伴隨時(shí)間同步始終。NLND攜帶的數(shù)據(jù)是節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度，這個(gè)數(shù)據(jù)是可選的，只有在時(shí)間同步處于主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇過程或再選擇過程時(shí)，時(shí)間同步消息包中才會(huì)攜帶這個(gè)數(shù)據(jù)。
低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法分為三部分網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步過程、主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇過程、再選擇過程。
(一)網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步過程這個(gè)過程中時(shí)間同步主要完成了3個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)分級(jí)、時(shí)間同步和統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度。傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間同步的同時(shí)也伴隨著分級(jí)和統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度這兩個(gè)過程。
假設(shè)，在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的通信距離是固定不變的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射半徑相同。分級(jí)和統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度是和時(shí)間同步同時(shí)進(jìn)行的，不會(huì)對(duì)時(shí)間同步的收斂性有任何影響。當(dāng)根節(jié)點(diǎn)確定后，開始分級(jí)過程，規(guī)定根節(jié)點(diǎn)為0級(jí)節(jié)點(diǎn)，同步由根節(jié)點(diǎn)開始。根節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)間同步消息包，這個(gè)消息包中包含根節(jié)點(diǎn)的級(jí)別號(hào)(levelNum＝0)和時(shí)間信標(biāo)等重要數(shù)據(jù)。根節(jié)點(diǎn)周圍的節(jié)點(diǎn)接收到這個(gè)消息包后，估算時(shí)間偏移，根據(jù)時(shí)間偏移調(diào)整本地時(shí)間，然后將消息包中提取的級(jí)別號(hào)加1，作為自己的級(jí)別號(hào)。這樣在根節(jié)點(diǎn)周圍，能夠直接接收到根節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間消息包的節(jié)點(diǎn)，其級(jí)別號(hào)為1。這些節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)同步后，且經(jīng)過T＝0.5T+Trand后，產(chǎn)生新的時(shí)間信標(biāo)，與級(jí)別號(hào)一同打包廣播出去。Trand值為(0，0.5T)之間的一個(gè)均勻分布的隨機(jī)數(shù)，T的取值根據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸速率決定，目的是為了減少網(wǎng)絡(luò)碰撞。對(duì)于后續(xù)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)同步和分級(jí)，其過程是，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到所處級(jí)別為i的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間消息包后，若這個(gè)節(jié)點(diǎn)還沒有設(shè)置級(jí)別號(hào)或級(jí)別號(hào)大于i+1，那么將這個(gè)節(jié)點(diǎn)的級(jí)別號(hào)設(shè)置為i+1；否則保持原有的級(jí)別號(hào)不變。隨著時(shí)間同步，分級(jí)也從根節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
經(jīng)過幾個(gè)時(shí)間同步周期后，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有了一個(gè)級(jí)別號(hào)。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的級(jí)別號(hào)確定以后，如果根節(jié)點(diǎn)沒有變化，就不會(huì)再進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)過程。根節(jié)點(diǎn)重新選擇后，節(jié)點(diǎn)的等級(jí)也要重新劃分。
時(shí)間同步進(jìn)行一段時(shí)間后，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間趨于同步，節(jié)點(diǎn)的級(jí)別已經(jīng)確定，就開始統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度NLND，這個(gè)過程是隨時(shí)間同步一起進(jìn)行的，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度的定義為與該節(jié)點(diǎn)有直接聯(lián)系的下級(jí)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
下級(jí)節(jié)點(diǎn)度的統(tǒng)計(jì)方法是令網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度的初始值為0，在一個(gè)同步周期中，如果處于第i級(jí)的節(jié)點(diǎn)收到第i+1級(jí)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間同步消息，那么就將其下級(jí)節(jié)點(diǎn)度加1(NLND＝NLND+1)，這樣，在一個(gè)時(shí)間同步周期后，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以統(tǒng)計(jì)出自己廣播覆蓋范圍內(nèi)下級(jí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，也就是下級(jí)節(jié)點(diǎn)度。
(二)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇過程本發(fā)明利用圖2所示消息包中的節(jié)點(diǎn)級(jí)別號(hào)levelNum和節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度NLND兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇。這個(gè)過程的目的是選取網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步消息包，而其它節(jié)點(diǎn)只是被動(dòng)接收消息，不主動(dòng)發(fā)送消息。為此，有下面定義主動(dòng)節(jié)點(diǎn)——傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)與全局時(shí)間達(dá)到同步后，能夠產(chǎn)生時(shí)間同步消息包并廣播出去，這樣的節(jié)點(diǎn)稱為主動(dòng)節(jié)點(diǎn)；被動(dòng)節(jié)點(diǎn)——傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能接收時(shí)間同步消息，而不能廣播時(shí)間同步消息包，這樣的節(jié)點(diǎn)稱為被動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
在全網(wǎng)達(dá)到時(shí)間同步，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲得自己的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度后，在下一個(gè)時(shí)間同步周期，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇。節(jié)點(diǎn)選擇的方法是利用下級(jí)節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行判斷當(dāng)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度為0時(shí)，表示該節(jié)點(diǎn)沒有下級(jí)節(jié)點(diǎn)，這樣的節(jié)點(diǎn)向外廣播時(shí)間同步消息包，也不會(huì)有節(jié)點(diǎn)利用這個(gè)時(shí)間同步消息包，因此，該節(jié)點(diǎn)只需要被動(dòng)接收時(shí)間同步消息包，不需要主動(dòng)發(fā)送消息，這樣的節(jié)點(diǎn)就被設(shè)置為被動(dòng)節(jié)點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到同步且下級(jí)節(jié)點(diǎn)度不為0時(shí)，節(jié)點(diǎn)將時(shí)間信標(biāo)、節(jié)點(diǎn)級(jí)別號(hào)和下級(jí)節(jié)點(diǎn)度一起打包發(fā)送。其它同級(jí)節(jié)點(diǎn)接收到這個(gè)時(shí)間同步消息包后，將自己的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度與消息包中的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行比較，如果節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度小于消息包中的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度，那么該節(jié)點(diǎn)就被設(shè)置成為被動(dòng)節(jié)點(diǎn)，停止發(fā)送時(shí)間同步消息包。這樣，經(jīng)過幾個(gè)時(shí)間同步周期后，在一定范圍內(nèi)，只有下級(jí)節(jié)點(diǎn)度最大的節(jié)點(diǎn)才能夠發(fā)送同步消息，這些節(jié)點(diǎn)就是主動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
圖3所示的是一級(jí)節(jié)點(diǎn)在主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇前后的狀態(tài)，其中同心圓表示的是節(jié)點(diǎn)所處的層級(jí)，黑色的點(diǎn)表示根節(jié)點(diǎn)。左圖表示的是預(yù)同步過程中節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)，這個(gè)過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要發(fā)送時(shí)間同步消息，并且統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度。圖中深色點(diǎn)旁邊的數(shù)字代表該節(jié)點(diǎn)所統(tǒng)計(jì)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度；右圖表示的是第一級(jí)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過節(jié)點(diǎn)選擇后的狀態(tài)，其中深色點(diǎn)表示選出的第一級(jí)中的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)，空心點(diǎn)表示被動(dòng)節(jié)點(diǎn)。而第二級(jí)還沒有進(jìn)行主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇，其所有的節(jié)點(diǎn)依然發(fā)送時(shí)間同步消息。
在圖2中，雖然低能耗時(shí)間同步方法的消息包多出兩個(gè)數(shù)據(jù)，但是，經(jīng)過主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇后，發(fā)送時(shí)間同步消息包的節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少，從總體考慮，全網(wǎng)通信量也減少了。這樣可以有效的降低時(shí)間同步的通信量、通信沖突和網(wǎng)絡(luò)開銷，節(jié)省了能量。
(三)再選擇過程在傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行中，會(huì)出現(xiàn)下面三種情況而影響網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步第一、在網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程中某個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)失效，將會(huì)影響到傳感器網(wǎng)絡(luò)某一部分的時(shí)間同步；第二、主動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)相對(duì)較大，在運(yùn)行一段時(shí)間后，主動(dòng)節(jié)點(diǎn)將不能再維持時(shí)間同步消息包的傳輸，這種情況會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。第三、根節(jié)點(diǎn)失效，這種情況也會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。
對(duì)于第一種情況，可以在網(wǎng)絡(luò)的局部重新進(jìn)行主動(dòng)節(jié)點(diǎn)的選擇，選擇過程由失效節(jié)點(diǎn)的同級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)起。當(dāng)同級(jí)的某個(gè)被動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收不到任何與自己相同級(jí)別的節(jié)點(diǎn)廣播的時(shí)間消息時(shí)，該被動(dòng)節(jié)點(diǎn)就認(rèn)為某個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)失效，這時(shí)被動(dòng)節(jié)點(diǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)節(jié)點(diǎn)，發(fā)送時(shí)間同步消息包，經(jīng)過幾個(gè)同步周期，重新選出主動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
對(duì)于第二種情況，主動(dòng)節(jié)點(diǎn)再選擇由根節(jié)點(diǎn)發(fā)起，這個(gè)過程和上述“主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇過程”的方法相同，其不同之處在于，以前已選出的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)將不再作為主動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
對(duì)于第三種情況，主動(dòng)節(jié)點(diǎn)再選擇同樣由根節(jié)點(diǎn)發(fā)起，但這個(gè)過程需要重新進(jìn)行“網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步”和“主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇”過程。
權(quán)利要求
1.一種低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征是該方法包括網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步、主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇、再選擇三個(gè)過程，所述網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步過程主要完成節(jié)點(diǎn)分級(jí)、時(shí)間同步和統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度；所述主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇是利用下級(jí)節(jié)點(diǎn)度選取網(wǎng)絡(luò)中的特定節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為主動(dòng)節(jié)點(diǎn)和被動(dòng)節(jié)點(diǎn)；所述再選擇過程是在時(shí)間同步過程中出現(xiàn)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)失效或所有的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能量不能再滿足廣播時(shí)間同步消息或根節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，重新選出主動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征是所述節(jié)點(diǎn)分級(jí)是在時(shí)間同步過程中，將傳感器節(jié)點(diǎn)分為不同的級(jí)別并記錄節(jié)點(diǎn)的級(jí)別號(hào)；在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度令一個(gè)節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度的初始值為0，在一個(gè)同步周期中，處于第i級(jí)的節(jié)點(diǎn)收到第i+1級(jí)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間同步消息，就將其下級(jí)節(jié)點(diǎn)度加1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征是所述主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇遵循如下規(guī)則(1)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度為0的節(jié)點(diǎn)不發(fā)送時(shí)間同步消息，則此節(jié)點(diǎn)為被動(dòng)節(jié)點(diǎn)；(2)如果節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度小于接收到的其它同級(jí)節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)度，節(jié)點(diǎn)不發(fā)送時(shí)間同步消息，則此節(jié)點(diǎn)為被動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征是對(duì)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)的再選擇過程按如下方式處理(1)某個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)失效，經(jīng)同級(jí)的被動(dòng)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)后，由被動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步消息包，經(jīng)過幾個(gè)同步周期，重新選出主動(dòng)節(jié)點(diǎn)；(2)所有的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能量不能再滿足廣播時(shí)間同步消息，由根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，并發(fā)起全網(wǎng)的再選擇；(3)根節(jié)點(diǎn)失效，由新的根節(jié)點(diǎn)發(fā)起再選擇，需要重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步和主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征是傳遞時(shí)間同步消息的消息包，其數(shù)據(jù)段Data中增加級(jí)別號(hào)levelNum和下級(jí)節(jié)點(diǎn)度NLND，其中級(jí)別號(hào)用于傳遞節(jié)點(diǎn)的等級(jí)信息，此levelNum是必須的，NLND為可選的。
全文摘要
本發(fā)明公開一種低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，包括網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步、主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇、再選擇三個(gè)過程，所述網(wǎng)絡(luò)預(yù)同步過程要完成節(jié)點(diǎn)分級(jí)、時(shí)間同步和統(tǒng)計(jì)下級(jí)節(jié)點(diǎn)度；所述主動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇是利用下級(jí)節(jié)點(diǎn)度選取網(wǎng)絡(luò)中的特定節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為主動(dòng)節(jié)點(diǎn)和被動(dòng)節(jié)點(diǎn)；所述再選擇過程是在時(shí)間同步過程中出現(xiàn)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)失效或所有的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能量不能再滿足廣播時(shí)間同步消息或根節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，重新選出主動(dòng)節(jié)點(diǎn)。采用本發(fā)明的時(shí)間同步方法，可以有效的減少網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送時(shí)間消息的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，降低了同步過程中的網(wǎng)絡(luò)通信量，時(shí)間同步中的冗余消息大大減少，網(wǎng)絡(luò)沖突也隨之降低，延長了傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作周期；具有較高的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H04B7/26GK101075926SQ20071001760
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月3日
發(fā)明者裴慶祺, 趙建軍, 馬建峰, 姜建國, 沈玉龍 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)