无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法，该技术是基于无线传 感器网络或物联网的高精度监测应用的重要基础。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器W自组织和多跳的方式构成的 无线网络，W协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最 终把运些信息发送给网络的所有者。近年来，无线传感器网络应用广泛，其相关技术也飞速 发展。
[0003] 但由于物理上的分散性，网络无法为彼此间相互独立的节点提供一个统一的全局 时钟，每个节点各自维护它们的本地时钟。为了解决运些本地时钟的失步现象，必须进行时 间同步操作。现今较成熟的算法有：网络时间同步协议（NTP，化tworkTimeProtocol)、 参考广播同步算法（RBS，ReferenceBroadcastSync虹onization)、传感器网络的时间同 步协议（TPSN，Timing-syncProtocolforSensor化tworks)、泛洪时间同步协议（FTSP， FloodingTimeSync虹onizationProtocol)、扩散时间同步协议（TDP，Time-diffusion Sync虹onizationProtocol)等。运些算法在收敛快速性、传播延时的补偿W及数据交换大 小等方面有待提出更高的要求。
【发明内容】
[0004] 针对因晶振误差、运行环境存在不一致所导致的无线传感器网络中各节点本地时 钟的失步现象，本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络的邻域平均时钟同 步算法，其对出现失步现象的各个本地时钟进行时钟偏移补偿和速率补偿，W确保时钟克 服因各种原因出现的误差并使它们W相同的速度在网络中运行。该算法达到较快的收敛速 率，对传播延时进行有效补偿，并使数据交换达到最小。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无线传感器网络的邻域平均时 钟同步算法，其特征在于，所述无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法通过无线传感器 节点间的信息交换对无线传感器节点的时钟偏移与时钟速率进行补偿。
[0006] 优选地，述无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法通过无线传感器节点间的信 息交换对无线传感器节点的时钟偏移进行的补偿包括W下步骤：
[0007] 步骤一：无线传感器节点上电，设置自身的置信参数为1 ;
[0008] 步骤二：周期地运行时间同步算法；每次执行同步算法时，无线传感器节点通过 CSMA/CAKarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,载波侦听多路访 问/冲突避免）方案，向其发送功率范围内的节点广播一个包含了该节点的补偿时钟值的 同步数据包；
[0009] 步骤=:无线传感器节点收到其它节点的同步广播数据包后，W置信参数为权重 进行加权平均，来更新自己的时钟，然后将自己的置信参数增加1 ;
[0010] 步骤四：周期地重复W上步骤。
[0011] 优选地，所述无线传感器网络的邻域平均时钟同步算法通过无线传感器节点间的 信息交换对无线传感器节点的时钟速率进行的补偿包括W下步骤：
[0012] 步骤十一：无线传感器节点周期地进行时钟速率补偿；无线传感器节点检测信 道，若信道空闲，则广播询问传输范围内的邻近无线传感器节点的时钟速率；
[001引步骤十二：无线传感器节点收到邻近无线传感器节点的广播询问信息后，将自己 的时钟速率信息发送回去；
[0014] 步骤十无线传感器节点收到邻近无线传感器节点返回的时钟速率信息后，首 先补偿传播延迟；
[0015] 步骤十四：无线传感器节点根据其收到的邻近无线传感器节点的时钟速率信息， 计算邻近无线传感器节点及其本身的平均速率；
[0016] 步骤十五：无线传感器节点W平均时钟速率更新其速率补偿值；
[0017] 步骤十六：补偿完成后，无线传感器节点向其发送功率范围内的节点广播补偿表， 该广播补偿表包括无线传感器节点ID和补偿速率；
[001引步骤十屯：传感器节点收到其它邻近无线传感器节点的补偿表，依据补偿表更新 自己的时钟速率补偿值；
[0019] 步骤十八：周期地重复W上步骤。
[0020] 本发明的有益效果如下：本发明通过对出现失步现象的各个本地时钟进行时钟偏 移补偿和时钟速率补偿，完成高精度时间同步，算法收敛速度快，传播延时得到有效补偿， 同步过程中实现数据交换最小化。
【附图说明】
[0021] 图1为邻域平均时钟同步算法主要思路流程图。
[0022] 图2为时钟偏移补偿算法流程图。
[0023] 图3为时钟偏移补偿算法的效果示意图。
[0024] 图4为时钟速率补偿算法流程图。
[00巧]图5为时钟速率补偿算法的效果示例图。
【具体实施方式】
[0026] 本发明采用邻域平均时钟同步算法通过无线传感器节点间的信息交换对无线传 感器节点的时钟偏移与时钟速率进行补偿。对于时钟偏移补偿，邻域平均时钟同步算法先 将所有本地时钟的置信参数置1，每进行一次操作，参与操作的本地时钟W置信参数作为权 重，对各个本地时钟的时间进行加权平均，再将置信参数加1，从而完成对本地时钟的偏移 补偿。对于时钟速率补偿，邻域平均时钟同步算法定期检测信道，若信道是空闲的，则广播 询问传输范围内的邻近节点的时钟速率，邻近节点返回时钟速率，补偿传播延迟，无线传感 器节点计算邻近节点及其本身的平均时钟速率，更新其速率值，广播补偿表（该表包括节 点ID和补偿时钟速率），接收邻近的补偿表，并更新自己的时钟速率补偿值，如此循环进行 下去，达到时钟斜率补偿的目的。
[0027] 对于每一个无线传感器节点，本发明定义时钟模型为式（1)。C(t)为时钟在t时 刻的读数，a为斜率，e为偏移量。在理想状态下，a等于1，e等于0。
[0028] C(t)=曰 *t+0 (1)
[0029] 则节点i的时钟读数满足式似：
[0030] Ci(t)=曰i*t+ 0 1 似
[0031] 本算法旨在找到补偿值％和襄，使补偿时钟4C婷收敛于。似（其中，运嫉为节点 Il的时钟补偿值，(Ut)是最终收敛值，为一常量），如式（3)和式（4):
[0032] 口）
[0033]
[0034] (4)
[003引其中，a1为晶振脉冲周期韓。.k与溢出值Ni的乘积，如式妨：
[003引父蠕城 (5)
[0037] 如图2所示，时钟偏移补偿的具体内容如下：
[003引偏移补偿的目标是从在网络中所有的时钟去除偏移误差。即找到^喉其满足式 (4)，在此将其扩展为式化）：
[0040] 由此可得式（7):[00川获心装…裝' （7)
[0039] (6)
[0042] 对于每一轮的偏移补偿，节点执行下面的算法，收敛时钟到如下运个共同的值。
[004引
满
[0044] 时钟偏移补偿包括W下步骤：
[004引步骤1巧线传感器节点上电后，设置自身的置信参数为1(中性值）。
[0046] 步骤2 :周期地运行时间同步算法。每次执行同步算法时，无线传感器节点通过 CSMA/CA(CarrierSen