[发明专利]低能耗无线传感器网络时间同步方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及无线传感器网络时间同步消息的传输方法，具体是一种低能耗无线传感器网络时间同步方法。

背景技术

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知和采集网络覆盖区域中某些特定的物理量，并对所采集的信息进行处理，然后发送给观测者。

对于大多数无线传感器网络的应用来说，统一的时间扮演着一个至关重要的角色。依赖于时间同步的应用和协议存在于无线传感器网络的方方面面。时间同步协议的实现既依赖于无线传感器网络的传输特点，同时又支持了无线传感器网络的通信和上层应用，是无线传感器网络中至关重要的一部分。

传感器网络的时间同步可以采用两种方法，一.给每个节点配备GPS模块，以获得精确的时间，使节点时间和标准时间一致，达到同步；二.利用网络通信方式，交换时间信息，使得全网保持统一的时间，达到同步。由于GPS设备的成本高、能耗大，不能为每个节点都配备GPS模块，因此只有少量的节点能够配备GPS模块，其它的节点则采用交换时间同步消息的办法来达到全网时间同步。

节点间利用网络通信交换时间同步消息的方法有很多种，其中洪泛广播时间同步协议是比较简单的一种方法。这个方法的原理是：网络中的每个已同步节点将其本地时间打包，然后采用广播的方式发送出去。对消息传递中各个阶段的时间延迟进行细致的分析并建立分布模型，接收到消息的节点按照所建立的分布模型对时间延迟造成的影响进行消除，采用线性回归的方法估计节点相对于全局时间的时间偏移和时间漂移，利用估计值校正本地时间。

该方法假设传感器网络中的每个节点具有唯一的身份标识号，也就是ID号。整个网络中有一个根节点，根节点是ID号最小的节点，也是选中的同步源。洪泛广播时间同步协议采用层次结构，根节点属于0级，根节点广播域内的节点属于1级节点，以此类推，级别i的节点同步到级别为i-1的节点。所有节点周期性的广播时间消息，当i级节点收到i-1级节点的时间消息，达到同步后，生成新的时间消息，然后广播出去。依次，时间同步从级别高的节点扩散的级别低的节点，最后达到全网的时间同步。

图1示出了洪泛广播时间同步的时间消息包的结构。包括前导码Preamble、同步字节SYNC、数据段Data和CRC校验码四部分，其中的数据段又包括时间信标timeStamp、根节点标识号rootID和序列号seqNum三个部分。图1中，洪泛广播时间同步协议利用时间同步消息包中的根节点标识号rootID进行根节点选择，可以确保在根节点失效的情况下重新选出根节点；接收到时间同步消息的节点使用消息包中的序列号seqNum判断接收到的时间同步消息是否是最新的。

洪泛广播时间同步协议中，所有的已同步节点都会广播时间同步消息。无线传感器网络的一个特点是节点密度大，应此，一个节点就会收到周围很多节点广播的时间消息，这些消息中只有一个会被用到，而其它的消息则是冗余消息，这些冗余消息不但会浪费节点的能量，而且还会造成网络通信碰撞，降低网络通信质量。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足，而提出一种低能耗无线传感器网络时间同步方法，可以有效地降低时间同步中冗余消息的发送量，达到减小时间同步能耗的目的。

为实现上述目的，本发明提出了下级节点度的概念，并提供了统计各个节点的下级节点度的方法。利用下级节点度选取网络中的部分节点发送时间同步消息，其它的节点只是被动的接收消息，并不发送时间同步消息。

本发明的具体方法包括网络预同步、主动节点选择、再选择三个过程，所述网络预同步过程主要完成节点分级、时间同步和统计下级节点度；将网络中的节点分为主动节点和被动节点，所述主动节点为当与全局时间达到同步后，能够产生时间同步消息包并广播出去的节点；所述被动节点为只能接收时间同步消息，而不能广播时间同步消息包的节点；所述主动节点选择是利用下级节点度选取网络中的发送时间同步消息包的节点；节点的下级节点度为与该节点有直接联系的下级节点的个数；所述再选择过程是在时间同步过程中出现主动节点失效或所有的主动节点的能量不能再满足广播时间同步消息或根节点失效时，重新选出主动节点。

根据本发明的方法，所述节点分级是在时间同步过程中，将传感器节点分为不同的级别并记录节点的级别号；在此基础上统计下级节点度：令一个节点的下级节点度的初始值为0，在一个同步周期中，处于第i级的节点收到第i+1级某个节点发送的时间同步消息，就将其下级节点度加1。