[发明专利]一种基于信标网络的多跳时间同步方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

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：

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；