一种无线传感器网络时间同步性能评估方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信技术领域，特别是指一种无线传感器网络时间同步性能评估方法 及系统。
【背景技术】
[0002] -般来说，一个微处理器的时钟包括时钟源和累加定时触发两个组成部分。时间 同步是一种根据节点之间的时钟偏差去调整节点自身的系统时钟，令系统时钟与全局时钟 相同，以使所有节点达到同步的方法。当微处理器作为时间同步的节点时，理论上，只有当 所有节点的时钟源的频率和初始相位都相同时，节点之间的系统时钟才不存在偏差，所有 节点才能保持同步。实际上，当晶振作为微处理器的时钟源时，由于晶振会受到生产工艺及 各种外在环境因素的影响，其频率和相位并不是固定不变的。所以微处理器的系统时钟必 须定期的进行同步调整，才能使所有节点保持同步。
[0003] 对于同步后的节点，与同步前不同的是，同步后的时钟源不再是原始的晶振时钟 源了，而是在原始晶振时钟源的基础上添加了一个软件的调整，同步后节点系统时钟的计 数值的增加等价于有一个虚拟的软件晶振在震荡。理论上，该虚拟晶振对所有节点都具有 相同的频率和初始相位，然而，实际上由于原始晶振存在的不稳定性和系统时钟偏移设置 精度的有限性，导致该虚拟晶振的频率和初始相位是一个变化的值。所以，同步后各节点的 系统时钟的频率和初始相位也存在差异，节点之间存在同步误差。
[0004] 如本专利中所述，当外部的评估单元向节点请求节点的内部时间，该内部时间是 同步后的系统时间，（所谓系统时间，是同步后，所有的节点应该具有的相互一致的共同时 间），该系统时间的相关计算参数通常存储于节点的寄存器，无法直接获得;节点收到请求 后，节点中的微处理器立刻计算自身的内部存储的系统时间，并送到外部评估单元，但即使 是"立刻"处理，节点在送出内部时间时必然已经经历了一段小的、难以测量的短延时，这段 延时会影响评估精度。本专利的目标实质上在降低这段不确定的短延时的影响。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络时间同步性能评估方法及 系统，以解决现有时间同步评估技术所存在的难以降低所述不确定短延时的影响，而使评 估精度存在较大误差的问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种无线传感器网络时间同步性能评估 方法，包括：
[0007] 获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值；
[0008] 根据不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，利用数学规划手段对节点同步后 的系统时钟的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振荡周期及初始相 位的最优估计；
[0009] 根据得到的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估计，对各节点的时间同步性 能进彳丁评估。
[0010]进一步地，所述获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值包括：
[0011]接收读指示信号，读取各节点的系统时钟的计数值；
[0012] 获取各节点的评估时间，所述各节点的评估时间表示为：
[0013] tj = Tj ⑴+(nj⑴T⑴+Θ⑴）
[0014] 式中，i表示节点的编号，j表示通信次数的编号，表示第j次通信的评估时间， Tj(i)表示第i节点第j次从请求时刻到节点取得内部系统时间时刻之间的响应延时，11」(1)表 示第i节点第j次系统时钟的计数值，r^ (1)是节点用于表示系统时间的整数值，T(1)表示第i 节点的系统时钟的振荡周期，θ(1)表示第i节点的系统时钟的初始相位，是n取〇时节点获 得的系统时间对应的外部基准时间。
[0015] 进一步地，所述根据不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，利用数学规划手 段对节点同步后的系统时钟的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振 荡周期及初始相位的最优估计包括：
[0016] 根据获取到的不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，确定求解各节点的系统 时钟的振荡周期及初始相位的最优估计的目标函数及所述目标函数的约束条件；
[0017] 在各节点的目标函数取最小值时，对每个节点的系统时钟的振荡周期及初始相位 不断进行约束，将系统时钟的振荡周期及初始相位的变化范围约束在预设范围内，得到各 节点的系统时钟的振荡周期及初始相位的最优估计。
[0018] 进一步地，所述目标函数为：
[0019] ζ ⑴=Tj ⑴；
[0020] 所述目标函数的约束条件为： ir(0 J 1 J
[0021] < r，⑴ < 〇 ⑴ +1)Γ(;) + 6*(0 Tr{i) > 0
[0022] 式中，i表示节点的编号，j表示通信次数的编号，k表示第j次通信的评估时间， Tj(i)表示第i节点第j次从请求时刻到节点取得内部系统时间时刻之间的响应延时，11」(1)表 示第i节点第j次系统时钟的计数值，r^ (1)是节点用于表示系统时间的整数值，T(1)表示第i 节点的系统时钟的振荡周期，θ(1)表示第i节点的系统时钟的初始相位，是n取〇时节点获 得的系统时间对应的外部基准时间。
[0023] 进一步地，所述根据得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估 计，对各节点的时间同步性能进行评估包括：
[0024] 若得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位均相同，则表明所有节点达到 完全同步；
[0025] 若得到的各节点的系统同步的振荡周期及初始相位之间存在偏差，则对该偏差进 行分析，对各节点的时间同步性能进行评估。
[0026] 本发明实施例还提供一种无线传感器网络时间同步性能评估系统，包括：多个节 点和外部评估单元，其中，各节点分别与所述外部评估单元相连；
[0027] 节点，用于在收到外部评估单元的请求后，节点中的微处理器立刻计算自身的内 部存储的系统时间，并送到外部评估单元；
[0028]外部评估单元，用于向节点发送请求，请求节点的内部系统时间，该内部时间是同 步后的系统时间。
[0029]进一步地，所述节点包括：
[0030] 射频模块，用于发送与接收无线射频信号；
[0031] 主控模块，用于控制射频信号的收发、内部系统时间的读取以及控制数据的传输；
[0032] 扩展模块，用于将节点的测试信号通过扩展插槽外接出来，以与外部评估单元进 行连接。
[0033] 进一步地，所述外部评估单元包括：
[0034]可编程模块，用于对节点的测试数据进行实时采集处理；
[0035]传输模块，用于将可编程模块采集到的数据传输到PC机；
[0036] 扩展模块，用于将外部评估单元的请求信号接口及数据采集接口通过扩展插槽外 接出来，以与节点进行连接。
[0037] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0038] 上述方案中，通过获取不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，在获取系统时 钟计数值的过程中，会经历一段较短且无法避免和难以准确测量的短延时;并根据获取到 的不同评估时刻各节点的系统时钟的计数值，利用数学规划手段对节点同步后的系统时钟 的振荡周期及初始相位进行约束，得到各节点的系统同步的振荡周期及初始相位的最优估 计;并根据得到的同步后的各节点的系统时钟的振荡周期及初始相位的最优估计，对各节 点的时间同步性能进行精确评估。这样，根据同步性能评估能够解决现有时间同步评估技 术所存在的难以降低所述不确定短延时的影响，而使评估精度存在较大误差的问题;能够 对同步方法进行优化与改进;并且能够对同步标准进行符合性测试。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明实施例提供的系统时钟的计数值的变化时序示意图；
[0040] 图2为本发明实施例提供的无线传感器网络时间同步性能评估方法的方法流程 图；
[0041] 图3为本发明实施例提供的单个节点的系统时钟的计数值η和评估时间t获取原理 示意图；
[0042]图4为本发明实施例提供的多个节点的系统时钟的计数值η和评估时间t获取原理 示意图；
[0043] 图5为本发明实施例提供的无线传感器网络时间同步性能评估系统的结构示意 图。
【具体实施方式】
[0044] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。
[0045] 本发明针对现有时间同步评估技术所存在的难以降低所述不确定短延时的影响， 而使评估精度存在较大误差的问题，提供一种无线传感器网络时间同步性能评估方法及系 统。
[0046]为了更好的理解本发明，首先对节点系统时钟的计数值的变化时序进行分析： [0047] 如图1所示，在to = 0时刻，虚拟晶振脉冲的上升沿到达；
[0048] 在^ = Θ时刻，系统时钟的计数值加1，Θ是系统时钟的初始相位，Θ是一个变化的 值。
[0049] 对于时间间隔?2 ，T表示系统时钟的振荡周期，振荡周期T是一个变化的值， 系统时钟的计数值η是虚拟晶振最小周期的整数倍，所以t