專利名稱：一種用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效全網(wǎng)時鐘同步協(xié)議的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的新型高能源、帶寬利用率的全網(wǎng)時鐘同步協(xié)議。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]通過大量高密度的自組織傳感器節(jié)點協(xié)同監(jiān)測較大范圍的外部環(huán)境，在傳感器網(wǎng)絡(luò)應用的大部分環(huán)境(如戰(zhàn)場，森林，野外)下，節(jié)點能源的更換非常困難甚至不可能，因此傳感器中的能源效率問題是限制其應用的重要因素，自然也是傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的首要指標。
大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理如下某個感興趣事件發(fā)生時，處于感知范圍的節(jié)點記錄下一組或多組數(shù)據(jù)(Tl，Pe)，其中Tl表示事件發(fā)生時節(jié)點的本地時鐘，而Pe表示該事件的一些有用參數(shù)，多個節(jié)點的數(shù)據(jù)經(jīng)過某種數(shù)據(jù)融合方法的處理后形成對該事件的認識。然而，數(shù)據(jù)融合的前提是各節(jié)點的本地時鐘在規(guī)定尺度下的一致或者至少存在可知的確定關(guān)系，于是全網(wǎng)的時鐘同步協(xié)議成為傳感器網(wǎng)絡(luò)正常工作的前提。另一方面，為了提高能效，現(xiàn)有的許多MAC協(xié)議都采用TDMA類型的工作方式，而這些也是以全網(wǎng)同步為基礎(chǔ)的。
正如文章[2]，[3]所提到的，單跳范圍內(nèi)的時鐘同步主要通過接收并處理同步包來實現(xiàn)。然而傳感器網(wǎng)絡(luò)所監(jiān)測的范圍遠超出節(jié)點的傳輸距離，于是形成了多跳網(wǎng)絡(luò)。為了在密集分布的多跳網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)全網(wǎng)同步，有效的泛洪機制不可或缺。在傳統(tǒng)的泛洪機制中，節(jié)點發(fā)送權(quán)競爭的隨機性導致不同傳遞路徑下同步包擴散速度的巨大差異，且該差異將隨著路徑增長而變得愈發(fā)嚴重。在這種情況下，長期處于睡眠狀態(tài)的節(jié)點無法預知喚醒到接收狀態(tài)的準確時間，只能提前蘇醒，不可避免地造成能源浪費，我們稱其為“喚醒時間不確定性”問題。
近年來提出的一些新奇的時鐘同步協(xié)議如RBS(Reference Broadcast Synchronization[6])，TPSN(Timing-sync Protocol for wireless Sensor Network[4])，DMTS(DelayMeasurement Time Synchronization[7])，F(xiàn)TSP(Flooding Time Synchronization Protocol[5])等，都沒有解決“喚醒時間不確定性”問題，因此無法進一步降低能耗。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展必然需要高效的全網(wǎng)同步協(xié)議，故我們發(fā)明了一種用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效全網(wǎng)時鐘同步協(xié)議。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種用于傳感器網(wǎng)絡(luò)、能消除“喚醒時間不確定性“問題的新型的高能源、帶寬利用率全網(wǎng)時鐘同步協(xié)議。
本發(fā)明提供的高效全網(wǎng)時鐘同步協(xié)議，是一種分時泛洪全網(wǎng)同步協(xié)議。協(xié)議采用基于分時的泛洪機制，通過限定節(jié)點發(fā)送和接收的時間范圍，有效地消除了“喚醒時間不確定性”問題，仿真結(jié)果表明其具有極高的能源和帶寬利用率。
同步協(xié)議與其它MAC協(xié)議分時享用信道。采用該協(xié)議后節(jié)點在每個同步周期的可確定的指定時間范圍內(nèi)(假定為To)采用同步協(xié)議執(zhí)行同步操作，而MAC協(xié)議只需每同步周期中放棄信道使用權(quán)To時間，其余時間照常工作。
協(xié)議采用如下同步方式，首先定義已經(jīng)獲得同步的節(jié)點為同步源節(jié)點，同步源節(jié)點在獲得信道使用權(quán)之后，將此時的本地時鐘填入同步包中的時間戳字段，進行廣播，未同步節(jié)點在接收到同步包之后，讀取時間戳字段并記錄下此時節(jié)點的本地時鐘；然后，根據(jù)硬件特性估計傳輸延時，組合同步包中時間戳字段，估計出的該時刻同步源節(jié)點的本地時鐘；最后，結(jié)合記錄下的本地時鐘，對時鐘進行調(diào)整，從而到達同步的目的。因此，所有在同步源發(fā)送范圍之內(nèi)的未同步節(jié)點只要能在適當時間蘇醒到接收狀態(tài)，便可同時與同步源同步。
全網(wǎng)同步由唯一的根節(jié)點發(fā)起，它在每個同步周期的起始時刻發(fā)送同步包，剛上電的未同步節(jié)點持續(xù)監(jiān)聽信道等待接收同步包，一旦正確接收即采用如上方法與根節(jié)點取得同步，成為新的同步源節(jié)點，并應用分時泛洪機制發(fā)送新的同步包同步網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點。
本發(fā)明中的分時泛洪機制由以下幾部分組成1.協(xié)議為每個節(jié)點分配一個級數(shù)(Level)以指示該節(jié)點到根結(jié)點的跳數(shù)，通過以下方法獲得節(jié)點在同步包的層值字段中填入自己的級數(shù)(根節(jié)點的級數(shù)為0)，接收到該同步包的節(jié)點將級數(shù)定為同步包中的相應字段加一。如果節(jié)點在占用時間內(nèi)收到多個不同級數(shù)的同步包，節(jié)點選取其中的最小值。
2.協(xié)議中，節(jié)點擁有獨立的發(fā)送時間段與接收時間段，節(jié)點在接收時間段內(nèi)喚醒，切換到接收狀態(tài)接收同步包，而在發(fā)送時間段內(nèi)競爭信道以發(fā)送同步包。接收時間段中接收到同步包后，節(jié)點須等到接下來的發(fā)送時間段才能參與發(fā)送。
3.節(jié)點的發(fā)送時間段和接收時間段時間區(qū)間由節(jié)點級數(shù)唯一確定，并采用一定公式算出。第n級節(jié)點的接收時間段與第n-1級節(jié)點的發(fā)送時間段重合。
4.發(fā)送時間段內(nèi)又可分為一定數(shù)量的發(fā)送子時隙，每個發(fā)送子時隙只允許一個節(jié)點發(fā) 送，節(jié)點在單個同步周期內(nèi)至多發(fā)送一次同步包。同樣，接收時間段也可分為同樣數(shù)量的接收子時隙，每個接收子時隙與上一級節(jié)點的發(fā)送子時隙相對應。
5.發(fā)送子時隙由競爭信道時間和實際發(fā)包時間組成。在某個發(fā)送子時隙擁有優(yōu)先發(fā)送權(quán)力的節(jié)點定義為該發(fā)送子時隙的默認發(fā)送節(jié)點，而該發(fā)送子時隙則被定義為該節(jié)點的默認發(fā)送子時隙。節(jié)點通過在競爭信道時間中選取不同的退避時間產(chǎn)生不同的發(fā)送優(yōu)先級。默認發(fā)送節(jié)點從默認退避窗口中隨機選擇退避值，而非默認發(fā)送節(jié)點則從非默認退避窗口中取值，其中非默認退避窗口最大值大于默認退避窗口中的最小值。節(jié)點的初始默認發(fā)送子時隙序號由節(jié)點的唯一標識產(chǎn)生。
6.節(jié)點在其默認發(fā)送子時隙中從默認退避窗口選取退避值，延時該段時間后檢測載波，如果沒有檢測到載波，節(jié)點將獲得信道使用權(quán)并在隨后發(fā)送同步包。否則，節(jié)點設(shè)置默認發(fā)送子時隙為-1，并取消發(fā)送。默認發(fā)送子時隙為-1的節(jié)點將在本同步周期剩下的子時隙及下一個同步周期的所有發(fā)送子時隙中競爭信道，但此后它必須在非默認退避窗口中選擇退避值。
7.在如上的發(fā)送機制下，只要網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，節(jié)點將始終在其固定的默認發(fā)送子時隙中無碰撞地發(fā)送。故節(jié)點每隔指定周期監(jiān)聽整個接收時間段，掌握有效接收子時隙(能夠接收到同步包的子時隙)序號信息，在接下來的周期中，節(jié)點僅在感興趣的某個有效接收子時隙中切換到接收狀態(tài)，而不需要監(jiān)聽整個接收時間段。因此，節(jié)點的喚醒時間可精確到子時隙長度。
本發(fā)明通過特殊的分時泛洪機制達到了更低的能源和帶寬消耗。另外由于該協(xié)議的分時特性，它可以十分方便地與許多傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的MAC協(xié)議協(xié)同工作。


圖1是采用本發(fā)明后節(jié)點的時間組成圖示。
圖2是協(xié)議占用時間組成示意圖。
圖3是發(fā)送時間段組成示意圖。
圖4是仿真場景A。
圖5是仿真場景B。
圖6是單周期內(nèi)平均發(fā)送時間仿真結(jié)果。
圖7是單周期內(nèi)平均接收時間仿真結(jié)果。
具體實施例方式
下面結(jié)合

以及具體的實施方式對本發(fā)明作進一步說明。
在某個需要全網(wǎng)同步的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用本發(fā)明后，節(jié)點的時間組成見圖1。圖中的協(xié)議占用時間又可分為前級節(jié)點發(fā)送時間段，接收時間段，發(fā)送時間段，后級節(jié)點接收時間段等，見圖2。
假定單次同步包的發(fā)送時間為Ts(包括必要的退避時間)，節(jié)點的發(fā)送區(qū)域平均存在Ns同級節(jié)點(即Ns節(jié)點在同一發(fā)送時間段內(nèi)爭搶信道)。則發(fā)送時間段的長度Tc選取為Ts*Ns。根節(jié)點在每同步周期的起始時刻進入發(fā)送時間段，即第i周期中，根節(jié)點的發(fā)送時間段范圍為[i*Tp，i*Tp+Tc](Tp為同步周期)。那么第一級節(jié)點的發(fā)送時間段范圍為[i*Tp+Tc，i*Tp+2*Tc]，由此我們推算出第n級節(jié)點的發(fā)送時間段范圍為[i*Tp+n*Tc，i*Tp+(n+1)*Tc]。第n級節(jié)點必須通過接收第n-1節(jié)點的同步包來獲得同步，于是接收時間段定為第n-1節(jié)點的發(fā)送時間段范圍，即[i*Tp+(n-1)*Tc，i*Tp+n*Tc]，故協(xié)議的占用時間區(qū)間為[i*Tp+(n-2)*Tc，i*Tp+(n+2)*Tc]。
圖3表示了發(fā)送時間段的組成。具體的發(fā)送方法舉例如下如果選取Ns為5，并假定同一碰撞域中存在相同級數(shù)且標識號分別是5，6，8，13，9的五個節(jié)點。那么，它們的初始默認發(fā)送子時隙可采用標識號余Ns產(chǎn)生，因此分別為5％5＝0，6％5＝1，8％5＝3，13％5＝3，9％5＝4。在該級節(jié)點的發(fā)送子時隙0中，有且只有節(jié)點5的默認發(fā)送子時隙為0，它將在默認退避窗口中隨機選擇退避值，因為沒有其它的競爭者，它將獲得信道使用權(quán)并成功發(fā)送同步包；在發(fā)送子時隙1中，同理，節(jié)點6將獲得信道使用權(quán)成功發(fā)送同步包。發(fā)送子時隙2沒有默認發(fā)送節(jié)點且不存在默認發(fā)送子時隙為-1的節(jié)點，因此沒有節(jié)點在該時隙中發(fā)送。在發(fā)送子時隙3中，節(jié)點8和13分別從默認退避窗口中隨機選擇退避值，值小者將獲得信道的使用權(quán)，而值大者(假定為節(jié)點13)將設(shè)置默認發(fā)送子時隙為-1。在最后的子時隙4中，由于此時節(jié)點13的默認發(fā)送子時隙已經(jīng)變?yōu)?1，所以它將和節(jié)點9競爭該子時隙，顯然默認發(fā)送節(jié)點9將獲勝。那么，在該同步周期內(nèi)沒有獲得發(fā)送機會的節(jié)點13將在下個同步周期內(nèi)的所有發(fā)送子時隙重新嘗試發(fā)送，恰好發(fā)送子時隙2沒有默認發(fā)送節(jié)點，于是它將在子時隙2中成功發(fā)送并重新設(shè)置默認發(fā)送子時隙為2。這樣，在接下來的同步周期里，此五個節(jié)點都將在自己的默認發(fā)送子時隙中無碰撞地發(fā)送同步包。
因此，本發(fā)明的流程如下(1)節(jié)點啟動后，通過指定或其它選舉方法選擇某節(jié)點為該網(wǎng)絡(luò)的根結(jié)點；(2)根結(jié)點在某時刻開始發(fā)送同步包，并從此在每個同步周期的起始時刻即i*Tp定時發(fā)送；(3)其它節(jié)點持續(xù)監(jiān)聽信道一定同步周期等待接收同步包，如果在該段時間內(nèi)沒有接收到任何同步包，節(jié)點進入周期喚醒狀態(tài)，每隔較長同步周期監(jiān)聽一個同步周期，直到成功接收；節(jié)點正確接收到同步包后，提取出包中的時間戳和級數(shù)字段，獲得自己的級數(shù)值，根據(jù)其標識號計算出初始默認發(fā)送子時隙序號，并采用以上所提到的同步方法與其上一級節(jié)點同步，由于上一級節(jié)點已與根結(jié)點保持同步，所以節(jié)點同樣與根結(jié)點取得同步；(4)一旦第n級節(jié)點被成功同步，在之后的第i同步周期，；將在接收時間段即[i*Fp+(n-1)*Tc，i*Tp+n*Tc]中選定的有效接收子時隙中切換到接收狀態(tài)，等待接收同步包，從而周期性更新時鐘以保證一定的同步誤差；(5)在發(fā)送時間段即[i*Tp+n*Tc，i*Tp+(n+1)*Tc]中的默認發(fā)送子時隙中，節(jié)點還將按照分時泛洪機制發(fā)送同步包以同步其下級節(jié)點。
我們在仿真軟件Ns2[8]中使用仿真場景A，B(見圖4，5)對協(xié)議進行仿真。其中在場景A中225個節(jié)點有規(guī)則地分布在168*168m2的區(qū)域中，節(jié)點間最小水平及垂直距離為12m；在場景B中200個節(jié)點隨機地分布在150*150m2區(qū)域中。兩圖中被圓圈包圍的節(jié)點均為選中的ROOT節(jié)點。
仿真中使用的部分物理信道參數(shù)和協(xié)議設(shè)置如下表1，2。


表1物理信道參數(shù)表2協(xié)議設(shè)置以下仿真基于如下四種配置場景A同步周期為15s，場景A同步周期為30s，場景B同步周期為15s，場景B同步周期為30s。
選取Ns為6，我們分別得出節(jié)點的接收(包括載波監(jiān)測時間)、發(fā)送時間與級值的關(guān)系圖6和圖7，其中橫坐標為節(jié)點的級值，而縱坐標分別為單周期內(nèi)的平均發(fā)送和接收時間。
從上兩圖中我們可以看出，單周期內(nèi)節(jié)點平均發(fā)送時間小于2ms，而監(jiān)聽時間平均為3.8ms，略大于子時隙時間3ms。當同步周期為30s時，平均發(fā)送時間僅占總時間的0.06％，而平均接收時間占0.127％，由此可見，該同步協(xié)議擁有極高能源利用率。
另外，平均接收時間基本與同步周期，級值(根節(jié)點除外)以及場景無關(guān)，而平均發(fā)送時間則與拓撲結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系，這是因為相同級值的同一碰撞域中只有Ns節(jié)點能夠成功發(fā)送同步包，在節(jié)點密度較高的區(qū)域一些節(jié)點不允許發(fā)送，故平均發(fā)送時間相應下降。
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權(quán)利要求
1.一種用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效全網(wǎng)時鐘同步協(xié)議，其特征在于采用基于分時的泛洪機制，通過限定節(jié)點發(fā)送和接收的時間范圍，以有效地消除喚醒時間不確定性問題。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效全網(wǎng)時鐘同步協(xié)議，其特征在于同步協(xié)議與其它MAC協(xié)議分時分享信道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高效全網(wǎng)時鐘同步協(xié)議，其特征在于協(xié)議采用如下同步方式，首先定義已經(jīng)獲得同步的節(jié)點為同步源節(jié)點，同步源節(jié)點在獲得信道使用權(quán)之后，將此時的本地時鐘填入同步包中的時間戳字段，進行廣播，未同步節(jié)點在接收到同步包之后，讀取時間戳字段并記錄下此時節(jié)點的本地時鐘；然后，根據(jù)硬件特性估計傳輸延時，組合同步包中時間戳字段，估計出的該時刻同步源節(jié)點的本地時鐘；最后，結(jié)合記錄下的本地時鐘，對時鐘進行調(diào)整，從而到達同步的目的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高效全網(wǎng)時鐘同步協(xié)議，其特征在于具體流程如下(1)節(jié)點啟動后，通過指定或其它選舉方法選擇某節(jié)點為該網(wǎng)絡(luò)的根結(jié)點；(2)根結(jié)點在某時刻開始發(fā)送同步包，并從此在每個同步周期的起始時刻即i*Tp定時發(fā)送；(3)其它節(jié)點持續(xù)監(jiān)聽信道一定同步周期等待接收同步包，如果在該段時間內(nèi)沒有接收到任何同步包，節(jié)點進入周期喚醒狀態(tài)，每隔較長同步周期監(jiān)聽一個同步周期，直到成功接收；節(jié)點正確接收到同步包后，提取出包中的時間戳和級數(shù)字段，獲得自己的級數(shù)值，根據(jù)其標識號計算出初始默認發(fā)送子時隙序號，并采用以上所提到的同步方法與其上一級節(jié)點同步，由于上一級節(jié)點已與根結(jié)點保持同步，所以節(jié)點同樣與根結(jié)點取得同步；(4)一旦第n級節(jié)點被成功同步，在之后的第i同步周期，它將在接收時間段即[i*Tp+(n-1)*Tc，i*Tp+n*Tc]中選定的有效接收子時隙中切換到接收狀態(tài)，等待接收同步包，從而周期性更新時鐘以保證一定的同步誤差；(5)在發(fā)送時間段即[i*Tp+n*Tc，i*Tp+(n+1)*Tc]中的默認發(fā)送子時隙中，節(jié)點還將按照分時泛洪機制發(fā)送同步包以同步其下級節(jié)點；其中，T為同步包發(fā)送時間段長度，Tp為同步周期。
全文摘要
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型高能源、帶寬利用率的全網(wǎng)時鐘同步協(xié)議。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊應用以及對能源利用率的苛刻要求，全網(wǎng)范圍的時鐘同步協(xié)議自身必須具有卓越的能源以及帶寬利用率。本發(fā)明采用基于分時的泛洪機制，通過限定節(jié)點發(fā)送和接收的時間范圍，有效地消除了“喚醒時間不確定性”問題，從而達到了更低的能源和帶寬消耗。另外由于該協(xié)議的分時特性，它可以十分方便地與許多傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的MAC協(xié)議協(xié)同工作。
文檔編號H04L29/06GK1832479SQ20061002588
公開日2006年9月13日 申請日期2006年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
發(fā)明者曾益, 胡波 申請人:復旦大學