[发明专利]一种基于时分空分复用的无线传感网时间同步的方法

摘要

本发明公开了一种基于时分空分复用的无线传感网时间同步的方法，包括两个阶段：基于空时分思想的无碰撞同步关系建立阶段和高精度点对多点时间同步算法阶段，本发明通过在复杂空间布局的无线传感网中快速建立起一套无碰撞的时间同步传输关系，进而采用现有的快速时间同步方法，对全网节点进行时间同步，方法通过在时间同步传输建立阶段损耗一定的时间成本，换来同步阶段的高效进行，其总体方法复杂度低，速度高效，解决了传统时间同步算法在复杂空间布局中消息碰撞引起的时间同步精度下降、时间同步失败的问题。

主权项

1.一种基于时分空分复用的无线传感网时间同步的方法，其特征在于，所述方法包括两个阶段：S1：基于空时分思想的无碰撞同步关系建立阶段和S2：高精度点对多点时间同步算法阶段，具体过程如下：S1：空时分思想的无碰撞同步关系建立阶段包括：S1.1：居探索、竞争订阅思想建立初步无碰撞同步关系、S1.2：点角色选择机制、S1.3：发节点优化选择策略、S1.4：隙分配及节拍控制机制、S1.5：时分优化策略；基于空时分思想的无碰撞同步关系建立过程中包含三类节点状态：红态节点是所有节点的初始状态，代表没有确立父子关系，等待进行同步关系建立操作的节点；黄态节点是指进入同步关系建立的状态中，已经确认了自己的父节点，但尚未确立节点角色，即还没确认自己是否需要拥有子节点的节点；绿态节点是指同步关系已经建立完成，并且节点角色确认完成的节点；S1.1：居探索、竞争订阅思想建立初步无碰撞同步关系基于邻居探索、竞争订阅思想建立初步无碰撞同步关系包括邻居探索阶段和竞争订阅阶段；所述邻居探索阶段是黄态父节点搜索周围红色邻居节点信息的阶段；首先黄态节点开启定时器，然后发起邻居探索信息；红态邻居节点收到搜索请求后，反馈自身节点ID；黄态节点存储反馈信息，并统计个数为SET1；定时器时间到达后，进入节点进入下一个阶段；所述竞争订阅阶段，是黄态节点与周围红态邻居节点进行签订父子关系的阶段；首先黄态节点在进入竞争订阅阶段后，打开定时器，向周围红态邻居节点发起签订请求，红态节点受到请求后，打开定时器，存储到父节点列表中；在定时器结束前，选择一个节点作为自己的父节点，并发送应答响应；当黄态节点收到红态邻居节点的签订响应后，存储记录，定时器到达后累积总数计为SET2；S1.2：点角色选择机制节点角色选择机制包含三种角色：根节点、转发节点、接受节点；所述根节点是STDM的发起节点也是全网的节拍控制节点，根节点只有一个，直接指定；根节点是全网的起始节点，负责启动同步关系建立算法，启动全网的时间同步算法，并作为节拍器，负责全网同步关系建立阶段的节拍控制，和时间同步阶段的节拍控制；转发节点，是在全网时间同步中既作为子节点又担任下一层节点的父节点，每个转发节点会分配一个时间片；在全网时间同步阶段，转发节点承担对下一层节点的同步发起工作，还承担全网节拍控制信息的传递；接收节点是在全网时间同步中仅作为子节点，与父节点进行时间同步即可，不参与下层节点的时间同步，不进行节拍控制信息的传递，也不被分配时间片；将无碰撞同步关系建立的结果作为角色的划分的标准，当节点订阅成功后，当前节点有自己的子节点即为转发节点，若没有红态邻居节点与当前节点订阅，则作为接收节点；S1.3：发节点优化选择策略所述转发节点优化选择策略采用延迟技术实现，具体过程如下：当黄态节点统计到SET1后，当收到全网进入订阅阶段的控制信号后，进行时间延迟，记做Td；SET1越大，Td越小，优先发送订阅信号；共有节点收到订阅信号时，优先选择先收到的订阅请求信号，Td＝A/SET1+B*Random(0,1)公式中A、B是系统常量，通过调整A、B可以调整模型，而Random(0,1)是随机变量；Td模型中，B*Random(0，1)的数量级小于A/SET1点数量级；S1.4：隙分配及节拍控制机制时隙分配及节拍控制机制是将所述方法分为基于空时分思想的无碰撞同步关系建立阶段和高精度点对多点时间同步算法阶段同步；基于空时分思想的无碰撞同步关系建立阶段中以邻居探索和竞争订阅两个节拍为一个时隙，通过节拍控制器，控制全网进行N个节拍后，完成全网空时分复用时间同步关系后，进入时间同步阶段；在时间同步阶段，分为两层节拍器，首层节拍器，一拍，控制一个时间同步周期，称为时间同步节拍器；二层节拍器，嵌套在一层节拍器中，称为时隙控制节拍器，每一个节拍控制一个工作时间片的运行；S1.5：时分优化策略所述时分优化策略包括：S1.5.1：黄态节点在进行邻居探索阶段后统计到红态邻居节点总数SET1；S1.5.2：黄态邻居节点采用同层局部通信方式，交换SET1值；S1.5.3：黄态邻居节点进行初步碰撞检测，若无碰撞隐患，准许进入竞争订阅阶段；S1.5.4：有碰撞隐患，则进行自主最优选择，满足最优选择的节点，准许进入竞争订阅阶段；S1.5.5：当完成步骤S1.5.1‑S1.5.4后，不具备优先选择的节点将被抑制通信，不准许进入竞争订阅阶段，与红态邻居节点通信；S2：高精度点对多点时间同步算法阶段所述高精度点对多点时间同步算法步骤如下：S2.1：通过时间同步节拍器，控制全网时间同步周期，每一个节拍控制全网节点进行一次时间同步操作，采用定时器的方式对节拍器进行计时控制；S2.2：根节点进行首层节点的时间同步；S2.3：根节点完成首层时间同步后，开启时隙工作节拍器，广播控制信号并计数，对每一个工作时隙进行控制，进而确保全网转发节点在统一的时隙内按照每个节点分配到的工作时间片进行时间同步；转发节点受到时隙控制节拍器后，通过比对标识符，判别是否轮到本节点进行时间同步操作；若已经操作过了，转发节拍信息；S2.4：当转发节点确认是自身的工作时隙后，进行单跳时间同步算法，与本层节点进行同步操作。