一种基于时分空分复用的无线传感网时间同步的方法与流程

本发明涉及无线传感网络领域，更具体地，涉及一种基于时分空分复用的无线传感网时间同步的方法。

背景技术：

传统的时间同步算法基本是在理想条件下的进行空间上分层或者依托于分簇的基础上进行的同步，并未考虑“隐藏终端”引起的消息碰撞导致的通信失效的情况。实际上，在大规模节点场景下，由于隐藏终端的存在，消息碰撞，会导致时间同步失效，这大大制约了时间同步精度和时间同步方法的效率。

技术实现要素：

本发明的首要目的是提供一种基于时分空分复用的无线传感网时间同步的方法，解决上述在无线传感网络中在大规模节点场景下，由于隐藏终端的存在，消息碰撞，会导致时间同步失效的技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于时分空分复用的无线传感网时间同步的方法，所述方法包括两个阶段：s1：基于空时分思想的无碰撞同步关系建立阶段和s2：高精度点对多点时间同步算法阶段，具体过程如下：

s1：空时分思想的无碰撞同步关系建立阶段包括：s1.1：居探索、竞争订阅思想建立初步无碰撞同步关系、s1.2：点角色选择机制、s1.3：发节点优化选择策略、s1.4：隙分配及节拍控制机制、s1.5：时分优化策略；

基于空时分思想的无碰撞同步关系建立过程中包含三类节点状态：

红态节点是所有节点的初始状态，代表没有确立父子关系，等待进行同步关系建立操作的节点；

黄态节点是指进入同步关系建立的状态中，已经确认了自己的父节点，但尚未确立节点角色，即还没确认自己是否需要拥有子节点的节点；

绿态节点是指同步关系已经建立完成，并且节点角色确认完成的节点；

s1.1：居探索、竞争订阅思想建立初步无碰撞同步关系

基于邻居探索、竞争订阅思想建立初步无碰撞同步关系包括邻居探索阶段和竞争订阅阶段；

所述邻居探索阶段是黄态父节点搜索周围红色邻居节点信息的阶段；首先黄态节点开启定时器，然后发起邻居探索信息；红态邻居节点收到搜索请求后，反馈自身节点id；黄态节点存储反馈信息，并统计个数为set1；定时器时间到达后，进入节点进入下一个阶段；

所述竞争订阅阶段，是黄态节点与周围红态邻居节点进行签订父子关系的阶段；首先黄态节点在进入竞争订阅阶段后，打开定时器，向周围红态邻居节点发起签订请求，红态节点受到请求后，打开定时器，存储到父节点列表中；在定时器结束前，选择一个节点作为自己的父节点，并发送应答响应；当黄态节点收到红态邻居节点的签订响应后，存储记录，定时器到达后累积总数计为set2；

s1.2：点角色选择机制

节点角色选择机制包含三种角色：根节点、转发节点、接受节点；

所述根节点是stdm的发起节点也是全网的节拍控制节点，根节点只有一个，直接指定；根节点是全网的起始节点，负责启动同步关系建立算法，启动全网的时间同步算法，并作为节拍器，负责全网同步关系建立阶段的节拍控制，和时间同步阶段的节拍控制；

转发节点，是在全网时间同步中既作为子节点又担任下一层节点的父节点，每个转发节点会分配一个时间片；在全网时间同步阶段，转发节点承担对下一层节点的同步发起工作，还承担全网节拍控制信息的传递；

接收节点是在全网时间同步中仅作为子节点，与父节点进行时间同步即可，不参与下层节点的时间同步，不进行节拍控制信息的传递，也不被分配时间片；

将无碰撞同步关系建立的结果作为角色的划分的标准，当节点订阅成功后，当前节点有自己的子节点即为转发节点，若没有红态邻居节点与当前节点订阅，则作为接收节点；

s1.3：发节点优化选择策略

所述转发节点优化选择策略采用延迟技术实现，具体过程如下：

当黄态节点统计到set1后，当收到全网进入订阅阶段的控制信号后，进行时间延迟，记做td；set1越大，td越小，优先发送订阅信号；共有节点收到订阅信号时，优先选择先收到的订阅请求信号，

td＝a/set1+b*random(0,1)

公式中a、b是系统常量，通过调整a、b可以调整模型，而random(0,1)是随机变量；td模型中，b*random(0，1)的数量级小于a/set1点数量级；

s1.4：隙分配及节拍控制机制

时隙分配及节拍控制机制是将所述方法分为基于空时分思想的无碰撞同步关系建立阶段和高精度点对多点时间同步算法阶段同步；基于空时分思想的无碰撞同步关系建立阶段中以邻居探索和竞争订阅两个节拍为一个时隙，通过节拍控制器，控制全网进行n个节拍后，完成全网空时分复用时间同步关系后，进入时间同步阶段；在时间同步阶段，分为两层节拍器，首层节拍器，一拍，控制一个时间同步周期，称为时间同步节拍器；二层节拍器，嵌套在一层节拍器中，称为时隙控制节拍器，每一个节拍控制一个工作时间片的运行；

s1.5：时分优化策略

所述时分优化策略包括：

s1.5.1：黄态节点在进行邻居探索阶段后统计到红态邻居节点总数set1；

s1.5.2：黄态邻居节点采用同层局部通信方式，交换set1值；

s1.5.3：黄态邻居节点进行初步碰撞检测，若无碰撞隐患，准许进入竞争订阅阶段；

s1.5.4：有碰撞隐患，则进行自主最优选择，满足最优选择的节点，准许进入竞争订阅阶段；

s1.5.5：当完成步骤s1.5.1-s1.5.4后，不具备优先选择的节点将被抑制通信，不准许进入竞争订阅阶段，与红态邻居节点通信；

s2：高精度点对多点时间同步算法阶段

所述高精度点对多点时间同步算法步骤如下：

s2.1：通过时间同步节拍器，控制全网时间同步周期，每一个节拍控制全网节点进行一次时间同步操作，采用定时器的方式对节拍器进行计时控制；

s2.2：根节点进行首层节点的时间同步；

s2.3：根节点完成首层时间同步后，开启时隙工作节拍器，广播控制信号并计数，对每一个工作时隙进行控制，进而确保全网转发节点在统一的时隙内按照每个节点分配到的工作时间片进行时间同步；转发节点受到时隙控制节拍器后，通过比对标识符，判别是否轮到本节点进行时间同步操作；若已经操作过了，转发节拍信息；

s2.4：当转发节点确认是自身的工作时隙后，进行单跳时间同步算法，与本层节点进行同步操作。

进一步地，步骤s2.4单跳时间同步算法采用点对多点时间同步算法。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过空时分复用的方式，为时间同步算法形成一个空时分复用的无碰撞同步关系，保证了同步算法在大规模无线传感网络中，可以高效、高质量的进行，同时解决了隐藏终端问题，适合应用于大规模无线网络的时间同步。

附图说明

图1为stdm整体思想框图。

图2为公有节点订阅图。

图3为时隙划分图。

图4为空时分优化策略框图。

图5为未优化结果图。

图6为优化结果图。

图7为时间同步阶段框图。

图8为节点状态跳转图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种基于时分空分复用的无线传感网时间同步的方法主要分为两个阶段，分别为基于“空时分”思想的无碰撞同步关系建立阶段和高精度点对多点时间同步算法阶段。如图1。下面将作阐述。

首先，“空时分”思想的无碰撞传输关系阶段。

“空时分思想的无碰撞传输关系阶段的实现的过程划分为三个阶段七个状态。

1.三个阶段就是将节点从初始状态到最终的角色确认设计成红、黄、绿三个阶段。

其中节点的初始阶段为红色，当节点拥有了自己的父节点后，变为黄态，当节点确认后自己的角色后变为绿态。绿态节点包括根节点、转发节点、接收节点。黄态节点涵盖整个签订订阅、时间分配等同步关系建立的中间态。红态节点是节点的初始状态，等待消息即可。

2.七个状态

下面以单个节点的七个状态视角，讲述此方法的实现思想。

首先简单介绍一下接下来需要用到的函数，采用searchson、searchson_ack两条消息完成首层关系建立的通信；通过neighbor_find_start、sub_start两条消息完成同步关系建立阶段的节拍控制通信；通过neighbor_find、neighbor_ack两条消息完成邻居探索的通信；通过neighor_exchange完成空时分优化策略的消息通信；通过sub、sub_ack、sub_done、sub_failure四条消息完成竞争订阅的通信。

如图8，我们将单个节点经历stdm同步关系建立的过程划分为七个状态，分别标注为状态a-g。

其中a是初始态为红态阶段，b、c、d、e是中间态为黄态阶段，f、g是最终态为绿态，其寸中黄态节点的b态是邻居探索阶段，c态是空时分优化态，d态是竞争订阅阶段，e态是时间片划分态,f态是确定为接收节点，g态是确定为转发节点。

a态节点，是节点还未确立同步关系时的状态，包括收到neighbor_find后应答neighbor_ack；收到sub后应答sub_ack；收到sub_failure后，清空父节点列表，保持红态，直到确定父亲节点后。

跳转1:

1)当a态节点收到sub_done消息后，确认是自己的签订信息后，完成订阅，变为黄态。

2)当a态节点收到searchson消息后，存储父节点信息，更新自己层级，

应答searchson_ack消息，变为黄态。

黄态节点是已经完成与上层订阅的操作，拥有了自己的父节点，还未确认自己角色，还未确认是否存在下层节点与自己订阅状态的节点。包括b、c、d、e四个状态。

b态节点是邻居探索阶段，当节点收到neighbor_find_start，打开定时器，进入半连接状态，发送neighbor_find消息，等待neighbor_ack消息；在半连接状态中，收到neighbor_ack后，存储子节点信息。

跳转2:当节点定时器到时，退出半连接状态，计算set1值，若不等于0，即存在红态邻居节点，进入c态。

跳转3:当节点定时器到时，退出半连接状态，计算set1值，若等于0，即不存在红态邻居节点，清空时间片，子节点列表，进入f态。

跳转5:c态是空时分优化阶段，节点打开定时器，进入半连接状态，并广播携带set1值信息的neighbor_exchange，并等待黄态邻居节点的neighbor_exchange处理；收到黄态邻居节点的neighbor_exchange后，对比收到的set1与自己的set1值，若大于自己的set1值，则订阅标识符为0，取消订阅资格，跳转5到e态。

跳转4:若定时器到，节点仍在c态未进行跳转5，则跳转到d态。

d态是订阅阶段，节点打开定时器，进入半连接状态，发送sub消息，等待sub_ack消息，直到定时器结束，在半连接状态中收到sub_ack，存储子订阅信息。

跳转6:节点定时器到后，计算set2值，即子节点订阅应答总数，判断set1是否等于set2；若不等于，即订阅失败，广播sub_failure消息，进入e态。

跳转8:节点定时器到后，计算set2值，判断set1是否等于set2。若等于，即订阅成功，广播sub_done消息，进入g态。

跳转7:e态是时间片分配阶段，节点清空子节点列表，时间片加1，随后跳转7回归b态。

绿态节点中，f确定为接收节点，g确认为转发节点。

至此，全网保证无消息碰撞的时间同步传输关系已建立完成。随后可采用现有的各点对点或点对多点的时间同步算法，按时间片和订阅关系进行空时分复用时间同步。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。