专利名称：大范围无线传感网延迟分析方法
技术领域：
本发明涉及无线自组织网络与传感器网络领域，具体涉及一种大范围无线传感网延迟分析方法。
背景技术：
无线传感网络(WSNs,Wireless SensorNetworks)在建筑结构、健康监测等很多方面均有广泛的应用；而这些应用中常需要服务质量保证来满足系统需求，例如满足实时数据传输的需求等；在影响系统服务质量的主要因素中，延迟是非常重要的一个因素。现有技术中，对于无线传感网络，有很多延迟分析和建模方面的研究工作；例如，在随机延迟模型中，用离散马尔可夫过程来把实时理论和排队理论结合起来；再例如，一些经验主义的网络延迟模型用作端到端的延迟测量；再例如，不同于端到端的延迟模型的单 跳信道访问延迟模型等；这些模型和分析均以理想的网络情况(如高通信和固定的发送通道)为基础；然而这些理想情况在实际的无线传感网络中常常不能被实现；而且，这些研究缺乏实际的大范围网络的对照和证明。现有技术中，也有很多互联网和数据中心的延迟分析和测量方面的研究工作；例如，提示包丢失的精确延迟测量方法，其采用的是有损差量聚合器，可以测量网络中每个包的延迟引起的非常有限的额外通信开销；再例如，为了测量每个流延迟的参考延迟内插法测量方法等等。虽然对于无线传感网络、互联网和数据中心已经有很多研究工作，但是，实际大范围可操作的无线传感网络中端到端延迟性能的测量和分析工作仍然是缺失的；并且，考虑到无线传感网络各种应用的需求，了解实际大范围网络中的延迟性能是很重要的。但是，大范围可操作无线传感网络中延迟性能的测量和分析，存在着很大的挑战。首先，不同于互联网和数据中心，无线传感网络中存在支持每个包的延迟测量的软件部分，延迟测量依赖于网络同步；而传统的网络同步会引起额外的开销，而且考虑到包丢失，所以是不可靠的；同时，由于节点资源是有限的，而且网络的范围比较大，所以可能不能承担网络同步这样的任务。其次，对搜集到的信息进行数据分析是具有挑战性的，单个延迟的改变可能伴随着很多性能的改变；另外，从网络中搜集所需信息也会引起很高的网络开销；并且，由于资源的局限性和包丢失，信息通常是不完整的；而且，根据协议设计，延迟本身存在随机性，自动有效地从搜集到的数据中提取有用的信息是比较困难的。综上所述，一种具有实用性的大范围无线传感网延迟分析方法是亟待提供的。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明的目的在于提供一种简便易行且不依赖于网络同步的大范围无线传感网延迟分析方法，用于对大范围无线传感网的延迟进行分析，且不引起额外的开销，为系统服务质量的提升提供数据支持。
(二)技术方案本发明技术方案如下一种大范围无线传感网延迟分析方法，包括步骤S1.计算网络节点接收包时间与包传输时间之差，得到第一延迟；S2.去除第一延迟中因不正确时间戳引起的错误，得到第二延迟；S3.去除第二延迟中因时间戳溢出引起的错误，得到第三延迟；S4.结合所述第三延迟，恢复不正确的延迟值，得到最终延迟。优选的，所述步骤S2包括结合时钟偏移构建补偿约束；去除不满足所述补偿约束的延迟值。优选的，所述步骤S3包括 去除所述第二延迟中大于时间戳最大溢出时间的延迟值。优选的，所述时间戳最大溢出时间为4294967295毫秒。优选的，所述步骤S4包括根据所述第三延迟计算不正确延迟值的偏移以及补偿；结合所述偏移以及补偿，恢复不正确的延迟值。(三)有益效果 本发明首先计算网络节点接收包时间与包传输时间之差，得到粗略的延迟结果，然后去除其中因不正确时间戳引起的错误以及因时间戳溢出引起的错误，恢复不正确的延迟值，得到最终延迟结果。本发明的延迟分析方法简便易行且不依赖于网络同步，能够对大范围无线传感网的延迟进行分析，且不引起额外的开销；同时本发明具有误差小的特点，主要表现为无数据包错误引起的误差，无数据包溢出引起的误差，且能恢复所有错误数据包；因此本发明可以为系统服务质量的提升提供数据支持，具有很强的实用性。
图1是本发明的一种大范围无线传感网延迟分析方法第一延迟计算过程示意图；图2是本发明的一种大范围无线传感网延迟分析方法应用效果示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对发明的具体实施方式
做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明主要基于数据访问控制层(MAC,Media Access Control)的时间戳技术,数据访问控制层时间戳能精确记录包发送和接收的时间。一种大范围无线传感网延迟分析方法，主要包括步骤S1.计算网络节点接收包时间与包传输时间之差，得到第一延迟；本实施例中，以图1中所示的节点3从节点I以及节点2接收包为例进行说明；假设这个事件发生在节点I的本地时间h，我们首先测量事件时间和节点2以及节点3的本地时间假设节点I在&时间发包，包里包含的事件时间是h，然后节点2收到包，时间戳是t3，假设传输时间是微不足道的，接收节点2可以根据它的本地时钟计算事件时间，将t3减去(I^t1),即t3_U2-1^),从直观的角度，即事件是在t3_U2-1^)时间发生的；类似的，节点3从节点2接收包以后以相同的方法计算事件时间。因此，假设一个包是在h时间发送的，汇聚节点(即图ι中的节点3)可以计算出包的发送时间和接收时间t5，二者都参考了节点3的时钟；然后计算出包的延迟 4-α3-α2-^)。把源节点传输包的时间记为包的源时间(SourceTime),把汇聚节点接收包的时间记为汇聚时间(SinkTime),根据汇聚节点的时钟，包的传输时间(源节点相对汇聚节点的时间)记为SourceTimeAtSink,相应的，延迟delay可以这样计算delay = SinkTime-SourceTimeAtSink.(I)根据公式I计算出的第一延迟如图2中第一栏所示，可以看到延迟在很大的范围 内分布。源节点和汇聚节点的时钟同步，传感节点使用的线性模型可以为SourceTimeAtSink = a iSourceTime+oJ^fset1(2)其中α ι和Offset1是相关的偏移和补偿；根据公式2, SourceTimeAtSink 和 SourceTime 之间的差值为Offset2 = SourceTimeAtSink-SourceTime= a 2SourceTime+offset2(3)其中，α 2和Offset2是相关的偏移和补偿。S2.第一延迟中第一种类型错误由于有限接收缓冲的包溢出和包丢失，以及传感器节点底层驱动的错误，不能确保提供正确的时间戳引起的；因此，去除第一延迟中因不正确时间戳引起的错误，得到第二延迟；该步骤主要包括结合时钟偏移构建补偿约束；去除不满足所述补偿约束的延迟值。本实施例中具体为计算补偿Offset2 = SourceTimeAtSink-SourceTime,即可以根据收到的数据包中包含的SourceTimeAtSink和SourceTime来计算，如公式3 ;假设当h < t2时，Offset2U1)和Offset2 (t2)是两个在和t2时间计算的两个补偿；在时钟偏移为最大值e时，根据公式3，补偿应满足I Offset2 (t2)-Offset2 (
I( (t2-ti)e ;基于这个补偿约束，判断每一个数据包计算得到的时间戳与前面所有的数据包计算得到的时间戳是否满足补偿约束；把所有满足补偿约束的延迟值留下，并放到同一组。同时，由于不正确的延迟是随机分布的，因此错误数据都不满足于大部分数据满足的补偿约束，因此仅保留满足补偿约束的最多的一组，去除数量比这一组少的其他组，得到的第二延迟如图2中第二栏所示。S3.第二种类型的错误来自时间戳的溢出，因此需要去除第二延迟中因时间戳溢出引起的错误，得到第三延迟；该步骤主要是去除所述第二延迟中大于时间戳最大溢出时间的延迟值。例如，时间戳技术提供的SourceTimeAtSink是基于32KHz计时器的四位时间戳，因此最大的溢出时间是0Xffffffff/32ms (4294967295毫秒)，也就是说大约1. 5天；可以通过公式1，发现时间戳溢出导致的特别大的延迟值并将其去除，去除方法为在计算出来的延迟的基础上减去0Xffffffff/32ms，直至延迟比最大溢出时间小；上述处理基于大部分正常的延迟均小于最大溢出时间(4294967295毫秒)；得到的第三延迟如图2中第三栏所示。S4.结合所述第三延迟，恢复不正确的延迟值，得到最终延迟；该步骤主要包括根据所述第三延迟计算不正确延迟值的偏移以及补偿；结合所述偏移以及补偿，恢复不正确的延迟值。本实施例中具体为首先，根据公式2和正确的时间戳和计算出来的延迟，计算α I和Offset1,从而获得SourceTimeAtSink的线性模型；然后，对于在对于在t2时不正确的延迟值，我们可以首先根据公式2计算SourceTimeAtSink,然后根据公式I计算延迟，得到的最终延迟如图2中第四栏所示。该步骤的基本原理是使用正确的延迟来同步源节点和汇聚节点，然后计算两个同步节点的延迟；这样的方法引起的误差至多是error=eX U2-1^), e是相应的漂移时钟，ti是最近的一个正确延迟的SourceTime ;如果需要error ( δ ,只需要需要恢复的时间戳的源时间t2满足t2 ( δ /e。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。
权利要求
1.一种大范围无线传感网延迟分析方法，其特征在于，包括步骤51.计算网络节点接收包时间与包传输时间之差，得到第一延迟；52.去除第一延迟中因不正确时间戳引起的错误，得到第二延迟；53.去除第二延迟中因时间戳溢出引起的错误，得到第三延迟；54.结合所述第三延迟，恢复不正确的延迟值，得到最终延迟。
2.根据权利要求1所述的延迟处理方法，其特征在于，所述步骤S2包括结合时钟偏移构建补偿约束；去除不满足所述补偿约束的延迟值。
3.根据权利要求1或2所述的延迟处理方法，其特征在于，所述步骤S3包括去除所述第二延迟中大于时间戳最大溢出时间的延迟值。
4.根据权利要求3所述的延迟处理方法，其特征在于，所述时间戳最大溢出时间为 4294967295 毫秒。
5.根据权利要求1或2所述的延迟处理方法，其特征在于，所述步骤S4包括根据所述第三延迟计算不正确延迟值的偏移以及补偿；结合所述偏移以及补偿，恢复不正确的延迟值。
全文摘要
本发明涉及无线自组织网络与传感器网络领域，具体涉及一种大范围无线传感网延迟分析方法。该方法包括步骤S1.计算网络节点接收包时间与包传输时间之差，得到第一延迟；S2.去除第一延迟中因不正确时间戳引起的错误，得到第二延迟；S3.去除第二延迟中因时间戳溢出引起的错误，得到第三延迟；S4.结合所述第三延迟，恢复不正确的延迟值，得到最终延迟。本发明的延迟分析方法简便易行且不依赖于网络同步，能够对大范围无线传感网的延迟进行分析，且不引起额外的开销，可以为系统服务质量的提升提供数据支持，具有很强的实用性。
文档编号H04W24/08GK103024799SQ20121058488
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者王继良, 曹志超, 董玮, 刘云浩 申请人:清华大学