一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络通信技术领域，具体涉及一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法，可广泛应用于无线传感器网络的时间同步过程。

背景技术

无线传感器网络是由大量传感器节点构成的无线网络，其综合了探测传感、无线通信、分布式信息处理等技术，在环境监测、物流交通等众多领域有着广泛的应用。无线传感器网络中单个节点的能力是有限的，无线传感器网络强大的功能是通过节点间相互协作实现的。在无线传感器网络中，每个节点都有自己的时间，整个网络节点的时间同步是无线传感器节点间实现相互协作的前提。

传统的时间同步方法为基于数据包的时间同步，即传感器节点通过交换包含各自时间信息的同步数据包达成同步。如CN101977433A公开了一种无线传感器网络的平均时间同步方法，将无线传感器网络的拓扑结构抽象成图模型G，将初始时刻网络节点的时间值作为节点初始值；由切换信号控制的边同时传递数据包进行通信，边连接的节点i和j发送接受三个数据包实现节点的平均时间操作，完成各自本地时间的更新；重复执行直到网络节点间的最大差量渐进趋于一个允许范围内的误差，网络达到平均时间同步，网络节点持续工作，稳定保持时间同步状态。CN101588628A公开了一种无线传感器网络时间同步方法，首先把无线传感器网络构建成树型网络拓扑，并以根节点的时间值为基准时间，且根节点与网络的基站通过pair－wise算法同步；其后根节点沿各子树广播包含根节点时间信息的同步数据包，各子树的父节点与其子节点间通过pair－wise算法同步，并最终使各子树各层间同步；直到树型网络各节点都具有一个统一的时间信号。

然而，基于数据包的时间同步存在诸多局限性，主要包括：1）同步数据包的传输、编码、解码过程将不可避免地产生时延，导致同步精度下降；2）同步数据包中包含传感器节点的时间、身份等信息，容易造成信息泄露；3）在大规模无线传感器网络的时间同步过程中，大量数据包的传输会造成高额能量损耗并占用大量带宽，这使得基于数据包的时间同步方法难以在大规模无线传感器网络中应用。

针对上述局限性，探索具有高精度、高安全性、低能耗的时间同步方法成为了无线传感器网络的重要研究方向。受到自然界多种生物同步现象的启发，例如萤火虫同步闪烁、心肌细胞节律收缩、神经元细胞同步的放电等，基于脉冲耦合振荡器的时间同步应运而生。脉冲耦合振荡器是周期性发送脉冲信号的振荡器，每个传感器节点都可设计成为一个脉冲耦合振荡器。在基于脉冲耦合振荡器的时间同步机制下，节点间仅需通过交换不携带任何附加信息的脉冲信号，就可实现整个网络的时间同步。基于脉冲耦合振荡器的时间同步有如下优势：1）脉冲信号不携带任何附加信息，因此在发送、传输、接收、处理脉冲信号时产生的时延较小、同步精度高；2）脉冲信号不携带时间、身份等附加信息，基于脉冲耦合振荡器的时间同步有效保护了传感器节点时间、身份等信息不被泄露；3）在大规模无线传感器网络的时间同步过程中，通过交换脉冲信号达成时间同步损耗能量较少并且不占用大量带宽。由于无线传感器节点自身的能量有限、节点间通信信道带宽有限等约束的存在，上述优势使得基于脉冲耦合振荡器的时间同步天然适用于无线传感器网络。因此，对基于脉冲耦合振荡器的时间同步的研究具有重要的理论意义和应用前景。

虽然基于脉冲耦合振荡器的时间同步已得到国内外学者们的广泛关注，但是目前仍有诸多问题尚未妥善解决。由于节点间交换的脉冲信号不携带任何附加信息，每个脉冲耦合振荡器可获取的外部信息异常匮乏，这使得整个网络的时间同步难以顺利达成。为保证无线传感器网络能够实现时间同步，现有的基于脉冲耦合振荡器的时间同步机制通常要求无线传感器网络满足如下一项或多项约束条件：

1）网络的拓扑结构必须为全连接、生成树、链式、环形等特殊结构；

2）网络节点间的耦合强度须在[0.5,1]之间选取；此外，当网络节点间的耦合强度小于1时，现有的基于脉冲耦合振荡器的时间同步机制仅能实现渐近时间同步，即当时间趋于无穷时，时间同步才最终得以达成；

3）网络中全部脉冲耦合振荡器的初始相位处于半个振荡周期之内。

上述苛刻的约束条件严重限制了现有的基于脉冲耦合振荡器的时间同步在无线传感器网络中的广泛应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种新型脉冲耦合振荡器模型及其时间同步机制，在如下三个方面显著降低了基于脉冲耦合振荡器时间同步对无线传感器网络的要求，极大拓展了基于脉冲耦合振荡器的时间同步方法在无线传感器网络中的应用范围：

1）在网络拓扑结构方面，无线传感器网络的拓扑结构仅须为一般连通结构而非必须为全连接、生成树、链式、环形等特殊结构；

2）在网络节点间耦合强度方面，节点间的耦合强度可在(0,1]之间任意选取而非限制在[0.5，1]之间；此外，当节点间的耦合强度小于1时，网络可在有限时间内达成时间同步；

3）在脉冲耦合振荡器的初始相位分布方面，网络中脉冲耦合振荡器的初始相位可以任意分布。

本发明完整的技术方案包括：

一种基于脉冲耦合振荡器模型的无线网络时间同步方法，所述无线网络包括多个脉冲耦合振荡器，所有脉冲耦合振荡器均直接或间接连接；

所述脉冲耦合振荡器模型为：每个脉冲耦合振荡器均具有一个内部时间

无线网络时间同步方法为：所有脉冲耦合振荡器在一个预设的时间段内启动时间同步机制，脉冲耦合振荡器启动时间同步机制后，首先进入空闲状态，并在空闲状态、监听状态、激发状态间轮流循环切换；

无线网络将启动时间同步机制后最早发出脉冲信号的脉冲耦合振荡器定义为初始领导者；并将其余脉冲耦合振荡器根据其与初始领导者的连接关系，划分为从1阶跟随者至M阶跟随者的多阶跟随者；

在无线网络中所有脉冲耦合振荡器的空闲状态、监听状态、激发状态间轮流循环切换过程中，从1阶跟随者至M阶跟随者依次与初始领导者达成时间同步。

进一步的，所述脉冲耦合振荡器模型中，每个脉冲耦合振荡器在空闲状态、监听状态、激发状态下的运行规则为：

当脉冲耦合振荡器处于空闲状态时，脉冲耦合振荡器不发出脉冲信号；当脉冲耦合振荡器在空闲状态收到一个外部脉冲信号时，脉冲耦合振荡器不进行相位跳变；空闲状态结束后，脉冲耦合振荡器进入监听状态；

当脉冲耦合振荡器处于监听状态时，脉冲耦合振荡器仅监听是否有脉冲信号输入而不发出脉冲信号；当脉冲耦合振荡器在监听状态收到一个脉冲信号时，脉冲耦合振荡器根据相位跳变函数与耦合强度进行相位跳变，同时结束监听状态并进入激发状态；

当脉冲耦合振荡器处于激发状态时，当脉冲耦合振荡器收到一个脉冲信号后，脉冲耦合振荡器根据相位跳变函数与耦合强度进行相位跳变；当脉冲耦合振荡器处于激发状态且相位变量运行到临界值时，脉冲耦合振荡器发出一个脉冲信号并将相位变量重置为0，同时结束激发状态并进入空闲状态。

进一步的，脉冲耦合振荡器在监听状态或激发状态收到一个外部脉冲信号时，脉冲耦合振荡器根据如下方式进行相位跳变：

式中，

进一步的，相位跳变函数

。

进一步的，将其余脉冲耦合振荡器根据其与初始领导者的连接关系，划分为从1阶跟随者至M阶跟随者的多阶跟随者，具体为：

将与初始领导者直接相连且不属于初始领导者的脉冲耦合振荡器定义为1阶跟随者；将与1阶跟随者直接相连的并且不属于初始领导者和1阶跟随者的脉冲耦合振荡器定义为2阶跟随者，并按照以上划分规则依次将无线网络中的脉冲耦合振荡器划分成总共M阶跟随者，其中M≤N-1；

初始领导者在有限时间内首先达成时间同步；随后，从1阶跟随者至M阶跟随者依次在有限时间内与初始领导者达成时间同步。

进一步的，启动时间同步机制后，脉冲耦合振荡器在空闲状态、监听状态、激发状态间轮流循环切换过程为：

由空闲状态进入监听状态：第i个脉冲耦合振荡器i在内部时间为

由监听状态进入激发状态：第i个脉冲耦合振荡器i在内部时间为

由激发状态进入空闲状态：第i个脉冲耦合振荡器i在内部时间为

进一步的，若有多个脉冲耦合振荡器同时最早发出脉冲信号，则将同时最早发出脉冲信号的多个脉冲耦合振荡器共同定义为初始领导者。

进一步的，所述无线网络为无线传感器网络。

进一步的，所述无线传感器网络为一般连通网络结构。

进一步的，所述一般连通网络结构中，任意一个脉冲耦合振荡器均存在一条直接或间接路径到达另外一个脉冲耦合振荡器。

本发明相对于现有技术的优点在于：公开了了一种新型脉冲耦合振荡器模型：将三种状态引入脉冲耦合振荡器的收发脉冲机制中，并设计了一类新型非负相位跳变函数。基于上述新型脉冲耦合振荡器模型，提出了一种新型时间同步机制。上述新型脉冲耦合振荡器模型及时间同步机制，在如下三个方面极大拓展了基于脉冲耦合振荡器的时间同步在无线传感器网络中的应用范围：

1）在网络拓扑结构方面，无线传感器网络的拓扑结构仅为一般连通结构即可实现时间同步；

2）在网络节点间耦合强度方面，网络节点间的耦合强度可在

3）在脉冲耦合振荡器的初始相位分布方面，即使网络中脉冲耦合振荡器的初始相位任意分布，无线传感器网络时间同步依然可确定达成。

附图说明

图1为脉冲耦合振荡器的相位变量在单位圆上运行的示意图。

图2 为一种本发明的非负相位跳变函数示意图。

图3为脉冲耦合振荡器状态切换示意图。

图4为一个一般连通网络的结构示意图。

图5 为根据网络节点划分规则将图4所示网络进行节点划分的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

首先，本发明构建了一种新型的脉冲耦合振荡器模型。在该模型中，每个脉冲耦合振荡器除了具有一个内部时间

如图1所示，每个脉冲耦合振荡器都具有一个相位变量

当脉冲耦合振荡器收到一个脉冲信号时，脉冲耦合振荡器将根据脉冲耦合振荡器此时所处状态决定是否进行相位跳变。

脉冲耦合振荡器在三种状态下的运行规则如下所述：

1）当脉冲耦合振荡器处于空闲状态时，脉冲耦合振荡器不发出脉冲信号；当脉冲耦合振荡器在空闲状态收到一个外部脉冲信号时，脉冲耦合振荡器不进行相位跳变。空闲状态结束后，脉冲耦合振荡器进入监听状态。

2）当脉冲耦合振荡器处于监听状态时，脉冲耦合振荡器仅仅监听是否有脉冲信号输入而不发出脉冲信号。当脉冲耦合振荡器在监听状态收到一个脉冲信号时，该脉冲耦合振荡器根据相位跳变函数与耦合强度进行相位跳变。与此同时，脉冲耦合振荡器结束监听状态，进入激发状态。

3）当脉冲耦合振荡器处于激发状态时，如果脉冲耦合振荡器收到一个脉冲信号，则脉冲耦合振荡器根据相位跳变函数与耦合强度进行相位跳变。当脉冲耦合振荡器处于激发状态且相位变量运行到临界值2π rad时，脉冲耦合振荡器发出一个脉冲信号，将相位变量重置为0，并同时结束激发状态，进入空闲状态。

当脉冲耦合振荡器在监听状态或激发状态收到一个脉冲信号时，脉冲耦合振荡器将根据下式进行相位跳变：

为脉冲耦合振荡器在t时刻收到脉冲信号时的相位，/>

本发明同时设计了一类非负相位跳变函数

本发明考虑一般连通网络结构。在一般连通网络结构中，任意一个节点都存在一条直接或间接路径到达另外一个节点，在本发明中，每个节点即代表一个脉冲耦合振荡器。基于上述一般连通网络结构的定义可知，全连接、生成树、链式、环形等结构均是一般连通网络结构的一种特例。

时间同步定义：当网络中全部脉冲耦合振荡器的相位与内部时间保持相同，则整个网络达成时间同步。

基于上述脉冲耦合振荡器模型，本发明提出了一种时间同步机制，主要包括如下四个步骤：

步骤一：启动时间同步机制

由于传感器网络的时间同步尚未达成，所以网络中各个脉冲耦合振荡器不能保证同时启动时间同步机制。因此，在本发明中允许网络中各个脉冲耦合振荡器在一个长度为

步骤二：设定脉冲耦合振荡器状态切换规则

脉冲耦合振荡器启动时间同步机制后，首先进入空闲状态，并按如下状态切换规则在空闲状态、监听状态、激发状态间按顺序轮流循环切换。

a)由空闲状态进入监听状态：脉冲耦合振荡器

b)由监听状态进入激发状态：脉冲耦合振荡器

c)由激发状态进入空闲状态：脉冲耦合振荡器

图3给出了脉冲耦合振荡器

步骤三：设定网络节点划分规则

传感器网络启动时间同步机制后，将最早发出脉冲信号的脉冲耦合振荡器称为初始领导者。如果有多个脉冲耦合振荡器同时最早发出脉冲信号，则它们共同称为初始领导者。将与初始领导者直接相连的且不属于初始领导者的脉冲耦合振荡器称为1阶跟随者；将与1阶跟随者直接相连的并且不属于初始领导者和1阶跟随者的脉冲耦合振荡器称为2阶跟随者；以此类推，至多定义

随后，若一个

以图4所示一般连通网络为例，网络中节点数量为

以下对本发明的时间同步过程的可实现性进行分析：

首先分析网络在新型脉冲耦合振荡器模型与时间同步机制下的特性。

令脉冲耦合振荡器

1）全部脉冲耦合振荡器已经启动时间同步机制；

2）部分脉冲耦合振荡器尚未启动时间同步机制，部分脉冲耦合振荡器已经启动时间同步机制；

经历

已知初始领导者在启动时间同步机制后，同时最先发出脉冲信号。根据状态切换规则可知，初始领导者在其第一轮监听状态期间未收到脉冲信号。因此，脉冲耦合振荡器

由于脉冲耦合振荡器

由于网络中全部跟随者在

令脉冲耦合振荡器

根据上式可知

若

令脉冲耦合振荡器

归纳总结上述分析过程，可知：由于传感器网络至多存在M≤N-1阶跟随者，因此全部跟随者将在

领导者在

由于领导者的相位在

基于上述分析，可知领导者脉冲耦合振荡器率先进入第二轮激发状态，并在进入激发状态的同时发出脉冲信号，进入第三轮空闲状态。重复上述分析过程，可知在新型脉冲耦合振荡器模型及时间同步机制下，此网络具有如下性质：

i.领导者在每一轮状态循环过程中，总是最先发出脉冲信号，进入下一轮空闲状态；

ii.当领导者发出脉冲信号时，跟随者处于监听状态或激发状态；

iii.领导者达成时间同步后，将一直保持时间同步。

接下来对领导者与跟随者的同步过程进行数学描述。本发明将证明无线传感器网络将在有限时间内达成时间同步。

基于之前的分析过程可知，初始领导者在

在

根据上式可知

若

由于领导者与1阶跟随者在

在第二轮状态切换过程中，初始领导者在

若脉冲耦合振荡器

根据上式可知

若

基于上述分析可得出：初始领导者发出至多

由于ε∈(0,1]，可知

在

根据上式可知

若

归纳总结上述分析可得出：从

由于网络中至多存在M≤N-1阶跟随者，可知最晚在

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。