专利名称：一种低能耗的无线传感网的时间同步方法
技术领域：
本发明涉及ー种低能耗的无线传感网的时间同步方法，属于无线传感器网络领域。
背景技术：
1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了 WSN的科学意义。美国从20世纪90年代开始，就陆续展开分布式传感器网络(DSN)、集成的无线网络传感器(WINS)、智能尘埃(Smart Dust)、无线嵌入式系统(WEBS)、分布式系统可升级协调体系结构研究(SCADDS)、嵌入式网络传感(CENS)等一系列重要的WSN网络研究项目。自2001年起，美国国防部远景研究计划局(DARPA)每年都投入千万美元进行WSN网络技术研究，并在C4ISR基础上提出了 C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力。在美国自然科学基金委员会的推动下，美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多著名高校也进行了大量WSN网络的基础理论和关键技术的研究。美国的ー些大型IT公司通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作，并纷纷设立或启动相应的研发计划，在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及WSN网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项；国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目；国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。最值得ー提的是，中国エ业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。在无线传感网领域，针对时间同步问题，加州大学伯克利分校和网络嵌入式系统实验室做了相关的研究，提出了基于Receive-Receive同步算法、TPSN算法、LTS算法。基于Receive-Receive同步算法是实现了接收节点的同步,但不能保证全局同步。TPSN算法，是基于Pair-Wise同步算法,过分依赖根节点，但精度近似是Receive-Receive同步算法的两倍。LTS算法，g在牺牲一定精度来減少能量开销，用于全局同歩。关于由Vanderbilt大学提出的FTSP算法以广播的方式实现全局同歩。在无线传感网领域，经典的RBS、TPSN算法在单跳传输中有很好的精度，但在广覆盖的无线传感网中应用时能耗过大的问题很突出。RBS的运算量随着节点数的増加而急剧扩大，TPSN的能耗随着网络拓扑结构的跳数增加而増大，所以在广覆盖的无线传感器网络中能耗过大
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了ー种低能耗的无线传感网的时间同步方法。本方法采用的LEACH算法使的网络中每个节点都会在一轮信息传输过程中担当一次簇头节点，平衡了节点的能量消耗；采用TPSN算法和RBS算法结合的方式实现的同步过程，既保证了传输精度，也降低了能耗。本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案ー种低能耗的无线传感网的时间同步方法，包括如下步骤步骤I :建立带移动节点的网络拓扑结构；步骤2 :利用LEACH算法选择簇头；步骤3 :选择TPSN算法和RBS算法结合的方式实现同步过程。所述低能耗的无线传感网的时间同步方法，其步骤3的实现包括如下步骤步骤3-1 :利用TPSN算法实现移动节点与簇头节点的同步；步骤3-2 :选择TPSN算法与RBS算法结合的方式实现簇头节点与簇内节点的同
止/J/ o所述低能耗的无线传感网的时间同步方法，其步骤3-1的实现包括如下步骤步骤3-1-1 :移动节点广播数据包，启动时间同步；步骤3-1-2 :簇头节点发送同步请求，移动节点接收并发送应答信号ACK ；步骤3-1-3 :簇头节点接收并计算时间偏移offset ；步骤3-1-4 :簇头节点修改自身时间，与移动节点同步。所述低能耗的无线传感网的时间同步方法，其步骤3-2的实现包括如下步骤步骤3-2-1 :随机选择ー个应答节点与簇头节点做TPSN成对同步；步骤3-2-2 :簇头节点广播数据包,其余簇内节点记录接收时间；步骤3-2-3 :簇内节点各自交换数据包，进行RBS接受者之间的同步；步骤3-2-4 :簇头节点再广播数据包，包含成对同步应答节点同步时间，其余节点计算时间差，达到族内同步。本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果(I)该法采用LEACH算法选择簇头结点，网络中每个节点都会担当一次簇头节点，平衡了节点的能量消耗；(2)簇头结点采用TPSN+RBS算法同歩，既避免了只使用TPSN算法时能耗大的缺点，也避免了只使用RBS算法时精确度不够的缺点。
图I为带移动节点的网络拓扑结构图。 图2为LEACH算法的流程图。 图3为移动节点以簇头节点同步过程的示意图。
图4为簇头节点与簇内节点同步过程的示意图。图5为时间同步过程轮数变化时，本方法、TPSN、RBS三种能量方案的比较图。图6为节点数在50到500之间变化时，本方法、TPSN、RBS三种能量方案的比较图。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明一种低能耗的无线传感网的时间同步方法，包括如下步骤步骤I :建立如图I所示的带移动节点的网络拓扑结构，其中，第一层为移动节点，获取标准时间；第二层为簇头节点，与移动节点直接通信；第三层为簇内节点，与簇头节点通信，其中，Mobile node 是移动节点，cluster Heads nodes 是族头节点，Normal Sensor nodes是簇内节点；步骤2 :利用LEACH算法选择簇头，簇头节点相比簇内节点需要消耗大量的能量，在此阶段，每个节点都要决定是否要充当本轮的簇头节点。这个决定主要取决于整个网络中簇头节点占所有节点数目的百分比，并且取决于此节点已担当簇头节点的次数。LEACH算法的流程图如图2所示，该算法的具体实现如下一个传感器节点随机选择0和I之间的一个值，如果这个值小于阈值T (n)，则此节点成为簇头节点。T(n)的定义如下
-—-j—— if ne GI-Mrmod7)
V / I 0 otherw ise(I)其中p为网络中簇头节点所占总节点数目的百分比，!■为当前的轮数，G是在前I/P轮中没有担当过簇头节点的节点集。通过这个阈值的设置，网络中每个节点都会在1/P轮中担当一次簇头节点，平衡了节点的能量消耗。步骤3 :选择TPSN算法和RBS算法结合的方式实现同步过程，步骤3-1 :利用TPSN算法实现移动节点与簇头节点的同步，步骤3-1-1 :网络以移动节点为根节点沿着全网广播一个同步请求信号ch-request,分组启动该阶段；步骤3-1-2 :簇头节点i接收到同步请求信号ch-request这个广播分组后，就会发送应答信号ACK，分组给移动节点，该分组包含发送相应分组的时间；步骤3-1-3 :根节点接收到响应分组后，发出一个包含自己本地时间戳的确认分组信号ch-assign,任命节点i为I级簇头节点；步骤3-1-4 :节点i接收到ch-assign分组后，成为I级簇头节点。并利用pair-wise同步算法计算出于移动节点的时钟偏差,最后调整自己的时钟与移动节点同步，
fW+d\T T A+d
6 5 (2)rnn_n1 [(T4-T3)HT6-T5)d-----⑶
2(4)
其中，d表示分组的传播延迟，A表示两个节点之间的时间偏差。然后簇头节点在T4时刻将本地时间改为T4+△，就与移动节点在这一时刻达到时间同步，移动节点与簇头节点的同步过程示意图如图3所示；步骤3-2-1 :对于某个簇,簇头节点在时刻T1广播时间同步信息time-sync,所有簇内节点用本地时间记录接收到这个数据包的时间，并随即指定其中一个节点j为响应节占.步骤3-2-2 :响应节点记录下时间同步信息time-sync到达的时刻T2j,并在T3时刻返回应答消息。簇头节点在T4时刻收到应答消息后,利用传统的pair-wise算法算出响应节点与簇头节点的时间偏差S ；步骤3-2-3 :非响应节点相互交换各自对于时间同步time-sync广播信息的本地记录时间T2,k，采用RBS算法，达到非响应节点之间的同步。^
权利要求
1.ー种低能耗的无线传感网的时间同步方法，其特征在于包括如下步骤 步骤I:建立带移动节点的网络拓扑结构； 步骤2 :利用LEACH算法选择簇头； 步骤3 :选择TPSN算法和RBS算法结合的方式实现同步过程。
2.如权利要求I所述的低能耗的无线传感网的时间同步方法，其特征在干步骤3的实现包括如下步骤 步骤3-1 :利用TPSN算法实现移动节点与簇头节点的同步； 步骤3-2 :选择TPSN算法与RBS算法结合的方式实现簇头节点与簇内节点的同步。
3.如权利要求2所述的低能耗的无线传感网的时间同步方法，其特征在干步骤3-1的实现包括如下步骤 步骤3-1-1 :移动节点广播数据包，启动时间同步； 步骤3-1-2 :簇头节点发送同步请求，移动节点接收并发送应答信号ACK ； 步骤3-1-3 :簇头节点接收并计算时间偏移offset ； 步骤3-1-4 :簇头节点修改自身时间，与移动节点同步。
4.如权利要求2所述的低能耗的无线传感网的时间同步方法，其特征在干步骤3-2的实现包括如下步骤 步骤3-2-1 :随机选择ー个应答节点与簇头节点做TPSN成对同步； 步骤3-2-2 :簇头节点广播数据包，其余簇内节点记录接收时间； 步骤3-2-3 :簇内节点各自交换数据包，进行RBS接受者之间的同步； 步骤3-2-4 :簇头节点再广播数据包,包含成对同步应答节点同步时间,其余节点计算时间差,达到簇内同步。
全文摘要
本发明设计一种低能耗的无线传感网的时间同步方法，属于无线传感器网络领域。本发明利用LEACH算法选择簇头，TPSN算法实现移动节点与簇头节点的同步，RBS算法实现簇头节点与簇内节点的同步。本发明采用的LEACH算法使的网络中每个节点都会在一轮信息传输过程中担当一次簇头节点，平衡了节点的能量消耗；采用TPSN算法和RBS算法结合的方式实现的同步过程，既保证了传输精度，也降低了能耗。
文档编号H04W56/00GK102769870SQ20111011553
公开日2012年11月7日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者张有杰, 陈国庆 申请人:苏州两江科技有限公司