[发明专利]一种具有容错性的水下无线网络时间同步方法

说明书

本发明提供了一种具有容错性的水下无线网络时间同步方法，从节点向主节点发送同步请求信息，主节点收到同步请求信息后，对接收到的同步请求信息打上时间戳，主节点和从节点之间进行同步后，求得时钟频率偏移，并估算出第i轮的时钟偏移，对距离进行归一化，并进行加权计算后重新赋给间戳，用重新赋值后的时间戳重新估算，完成一轮时间同步。本发明的有益效果具有一定的容错性，加快了时钟偏移的收敛速度，通过预设参数和根据交互信息更新参数避免了部分冲突造成的资源浪费，消息发送接收排列更密集，完成单次同步所需时间少，受信道影响更少，精度更高，方法简单有效，开销小，操作简单，具有可实施性。

技术领域

本发明涉及一种适用于水下无线网络的时间同步方法，属于自组织无线传感器网络技术领域，适用于水声网络及各种无线自组织传感器网络系统。

背景技术

时间同步是无线传感器网络的一种支撑技术和必要前提，在无线传感器网络这种分布式系统中，功率管理、数据融合、定位跟踪、安全协议、传输调度等功能都需要较高的时间同步精度，因此不同节点间的时间同步是一个不可忽略的问题。在无线传感器网络中，每个传感器节点都有一个自己的本地时间，这个本地时间是由节点内部的晶振与计数器决定的。然而，晶振在材料和制造上的微小差异是无法避免的。通常情况下，晶振频偏差异的积累会导致节点本地时钟的不同。同时，晶振频率还会受到诸如温度和湿度等环境因素的影响，不同节点的时钟即使已经同步，也会在一段时间后由于晶振频率的变化而不再同步。修正各传感器节点的逻辑时钟，使得不同的传感器节点之间的时间不至于相差太多，是分布式网络能够协同工作的必要前提。现有的时间同步技术只适用于传统的无线传感器网络，并没有考虑到水下声波传播会产生变化的高时延的状况。现有算法往往把注意力放在如何改善信息交互模式上，希望通过改善信息交互顺序和组合方式来提高精度和降低能耗。但是，同步算法受恶劣信道状况影响严重，信息传输过程中的抖动和错误一样会造成严重的信息浪费，影响精度的同时也造成了严重的信息浪费，一般情况下，水声网络部署范围较大，节点资源有限，所以如何利用有效资源来达到大面积网络的时间同步是传感器网络技术研究的重要问题。

至今为止，国内外众多科研机构的学者已经针对水下无线网络设计了时间同步算法，例如TSHL算法、Tri-Message算法、Tiny-Sync算法等等。这些算法都致力于补偿时钟频率偏移和时钟偏移。但现有算法能耗较高且精度有限，都不能很好的适用于资源受限的水下无线网络。

现阶段国内外对水下无线网络时间同步问题的研究才刚刚开始。为此，设计出一种高精度，低能耗，并且适用于水下无线网络恶劣通信条件的时间同步方法是迫在眉睫的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适用于水下恶劣无线网络环境的高精度、低能耗的时间同步方法，让同步算法具有一定的容错性，充分利用交互信息，使得在信道环境恶劣的条件下依然能完成相当精度的时间同步。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)把基准节点称为主节点，待同步节点称为从节点；从节点以一定频率向主节点发送a次同步请求信息，a≥2，并对每次同步请求信息都打上从节点的本地时间戳T_i，m，其中i为同步轮数，m为单轮同步内从节点向主节点发送信息次序数(m∈[1，a])；

2)主节点收到同步请求信息后，对接收到的同步请求信息打上主节点本地时间戳T_i，m+1到T_i，2m；之后主节点在本地时间T_i，m+1过去一个预设接收发射时间间隔后以预设发射信息间隔向从节点反馈同步信息并打上主节点本地时间戳T_i，2m+1到T_i，3m，单轮同步中主节点向从节点反馈同步信息的消息发送间隔与从节点向主节点发送同步消息的时间间隔保持一致，主节点发射a次反馈同步信息之后视为完成一轮同步；从节点收到反馈同步信息后在接受同步数据包的相同位置上打上时间戳T_i，3m+1到T_i，4m；