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CN104602291B - 一种无线传感网络中时间测量的方法 - Google Patents

一种无线传感网络中时间测量的方法 Download PDF

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CN104602291B
CN104602291B CN201410808116.8A CN201410808116A CN104602291B CN 104602291 B CN104602291 B CN 104602291B CN 201410808116 A CN201410808116 A CN 201410808116A CN 104602291 B CN104602291 B CN 104602291B
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卜佳俊
陈纯
高艺
任伟
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Zhejiang University ZJU
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  • Signal Processing (AREA)
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Abstract

本发明公开一种无线传感网络中时间测量方法，步骤为：在数据包中设置记录包本地产生时间和网络中停留时间的数据段，并在其中记录相应的时间；汇聚节点接收到数据包时，通过数据段中的内容，计算出包全局产生时间；在PC端标识每一个包；根据数据包的源点进行划分；对于每个划分，以数据包为结点构建图；对于图中任意两个满足时间约束的包，添加一条有由时间上后序指向前序包的有向边；找到图中的最长路径，路径之外的包即为时间无效的包；对于每个无效包，找出本地产生时间在此包之前和之后各一个包；通过这两个包的产生时间，恢复出无效包全局产生时间。本方法能够以较高的精度和准确度恢复出数据包的全局产生时间。

Description

一种无线传感网络中时间测量的方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感网络中时间测量的方法，特别是精确测量数据包产生时间、可靠恢复所含时间信息无效数据包的时间的方法。
背景技术
无线传感网是一种基于无线通信的可以实现一定应用目的的新型网络，广泛应用于环境监测、目标定位等场合。能够获得准确的数据包的产生时间对于很多科学应用都是至关重要的。但是在实际的许多部署之中，无线传感网存在着很严重的数据不一致情况。尤其是在现在广为流行的无线传感网操作系统TinyOS中，其CC2420组件MAC层的时间戳机制在网络流量较大的时候有着严重的误读现象。基于TinyOS已经广泛部署的情况，修改它会带来很大的开销。另一方面，如果能通过在PC端分析收到的数据包来恢复时间，可以很好的降低开销。综上所述，提出一种针对现有部署的，无线传感网的时间测量方法是十分有必要的。
现有的时间测量方法主要有两种。一种是通过时间同步协议，在全网中设定全局时间。另一种是通过分析汇聚节点收到的数据包，来恢复出全局时间。前者，由于需要周期性地在网络中交换全局时间信息，有着很大的系统开销。同时时钟频率的不稳定性和传播的错误都非常难以解决。同时，在低功耗的网络中，同步协议会带来很大的能量消耗。而通过分析汇聚节点收到的数据包来测量全局时间的方法，目前又分为以下几种：一是利用环境信息，如光照信息来测量全局时间；二是通过重建数据包到达的时间序列来测量出全局的时间信息。但是这些方法存在着普遍的问题，就是所得时间的精度不高。
发明内容
本发明要克服现有技术的所得时间精度不高的缺点，提供一种无线传感网络中时间测量的方法。
为实现以上目的，本发明所采取的技术方案是：该无线传感网络中时间测量的方法，包括以下步骤：
(1)记录无线传感网络中包的时间戳，包括：
(1.1)在数据包中设置记录包本地产生时间数据段GT，和包在网络中停留时间的数据段ST；
(1.2)在节点设置程序，使其自身发送数据包时，将包本地产生时间填写到GT，将包在源点停留的时间记录到ST；
(1.3)在节点设置程序，使其转发其他节点数据包时，将记录在ST中的时间与包停留在自身节点的时间相加，并填写到ST中，转发数据包；
(1.4)在汇聚节点设置程序，使其接收到数据包时，用接收包产生中断的时间减去在ST中记录的时间得到包全局产生时间的估计；
(1.5)在PC端，用GT中记录的时间、汇聚节点收到包的时间，和步骤(1.4)中计算得到的时间来标示汇聚节点收到的数据包；
(2)检测出步骤(1.5)所标记数据包中所含时间戳无效的包，包括：
(2.1)对于步骤(1.5)中标记的数据包，以数据包的源点为依据进行划分；
(2.2)对于步骤(2.1)所得的每个划分，以数据包为结点构建图；
(2.3)在步骤(2.2)所得的图中，如果两个包符合时间上的约束关系，在包相对应的结点间建立一条有向边，由产生时间晚的包对应的结点指向产生时间早的包对应的结点；
(2.4)对于步骤(2.3)得到的图，找到图中的最长路径，最长路径中所包含结点对应的数据包即是有效数据包，剩余的为所含时间戳无效的数据包；
(3)恢复步骤(2.4)中检测出的无效包的时间，包括：
(3.1)对于(2.4)中检测出的每个无效包，找到本地产生时间在此无效包之前和之后的任意两个有效包；
(3.2)无效包与步骤(3.1)中得到两个包的全局产生时间及本地产生时间有着数值关系，通过此关系，计算恢复出无效包的产生时间估计。
进一步地，本发明在所述步骤(1.1)中，本地产生时间，是根据源点的本地时间记录。
在所述步骤(1.4)中，全局产生时间，是相对于汇聚点时间的全局时间。
本文提出了无限传感网络中时间测量方法，本发明的有益效果是：该方法针对通过在PC端分析数据包来进行无线传感网中时间的测量，有效地降低了时间测量的开销；该方法利用MAC层的时间信息，达到了平均2ms的时间测量精度；该方法能够准确的检测时间信息无效的包，并进行时间恢复。
附图说明
图1是本发明方法的工作流程图。
图2a是本发明以数据包为结点建立图的实例图。
图2b是在图2a上添加有向边后的实例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。本发明的具体步骤如下：
(1)记录无线传感网络中包的时间戳，包括：
(1.1)在数据包中设置记录包本地产生时间数据段GT，和包在网络中停留时间的数据段ST；
(1.2)在节点设置程序，使其自身发送数据包时，将包本地产生时间s填写到GT，并按公式(1)计算出包在源点停留的时间t，将t记录到ST,其中tsend为发包产生中断时记录的时间；
t＝tsend-s 公式(1)
(1.3)在节点设置程序，使其转发其他节点数据包时，将记录在ST中的时间与包停留在自身节点停留的时间tsojourn相加，并填写到ST中，转发数据包，其中tsojourn的计算方法如公式(2)，公式(2)中，tsend和公式(1)的意义相同，trec为接收包产生中断时记录的时间；
tsojourn＝tsend-trec 公式(2)
(1.4)在汇聚节点设置程序，使其接收到数据包时，用接收包产生中断的时间减去在ST中记录的时间得到包全局产生时间的估计sk；
(1.5)在PC端，用GT中记录的时间s、汇聚节点收到包的时间k，和步骤4)中计算得到的时间sk来标示汇聚节点收到的数据包；
(2)检测出步骤(1.5)所标记数据包中所含时间戳无效的包，包括：
(2.1)对于步骤(1.5)中标记的数据包，以数据包的源点为依据进行划分，所得划分即为同一源点所产生的数据包；
(2.2)对于步骤(2.1)所得的每个划分，以数据包为结点构建图，为了进一步说明，这里以下述情况为例，设汇聚节点收到3号节点的5个包，根据其产生时间排序由先到后排列为p1、p2、p3、p4、p5，则以这五个包为节点建立图,如图2a；
(2.3)在步骤(2.2)所得的图中，如果两个包符合时间上的约束关系，在包相对应的结点间建立一条有向边，由产生时间晚的包对应的结点指向产生时间早的包对应的结点，根据p1、p2、p3、p4、p5，满足约束关系情况，在图中添加有向边，如图2b；
(2.4)对于步骤(2.3)得到的图，找到图中的最长路径，最长路径中所包含结点对应的数据包即是有效数据包，剩余的为所含时间戳无效的数据包，在我们所举的实例中路径(p5，p4，p2，p1)即为最长路径，也就是说p1、p2、p4、p5为有效包，p3为时间信息无效的包；
(3)恢复步骤(2.4)中检测出的无效包的时间，包括：
(3.1)对于(2.4)中检测出的每个无效包，找到本地产生时间在此无效包之前和之后的任意两个有效包，针对实例中的p3,即可找出p2,p4；
(3.2)无效包与步骤(3.1)中得到两个包的全局产生时间及本地产生时间有着数值关系，通过此关系，按照公式(3)计算恢复出无效包p3的产生时间估计sk3，其中，s3代表p3包的本地产生时间，s2、sk2代表p2包的本地产生时间和全局产生时间的估计，s4、sk4代表p4包的本地产生时间和全局产生时间的估计，
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种无线传感网络中时间测量的方法，其特征在于以下步骤：
(1)记录无线传感网络中包的时间戳，包括：
(1.1)在数据包中设置记录包本地产生时间数据段GT，和包在网络中停留时间的数据段ST；
(1.2)在节点设置程序，使其自身发送数据包时，将包本地产生时间填写到GT，将包在源点停留的时间记录到ST；
(1.3)在节点设置程序，使其转发其他节点数据包时，将记录在ST中的时间与包停留在自身节点的时间相加，并填写到ST中，转发数据包；
(1.4)在汇聚节点设置程序，使其接收到数据包时，用接收时间减去在ST中记录的时间得到包全局产生时间的估计；
(1.5)在PC端，用GT中记录的时间、汇聚节点收到包的时间，和步骤(1.4)中计算得到的时间来标示汇聚节点收到的数据包；
(2)检测出步骤(1.5)所标记数据包中所含时间戳无效的包，包括：
(2.1)对于步骤(1.5)中标记的数据包，以数据包的源点为依据进行划分，所得划分为同一源点所产生的数据包；
(2.2)对于步骤(2.1)所得的每个划分，以数据包为结点构建图；
(2.3)在步骤(2.2)所得的图中，如果两个包符合时间上的约束关系，在与包相对应的结点间建立一条有向边，由产生时间晚的包对应的结点指向产生时间早的包对应的结点；
(2.4)对于步骤(2.3)得到的图，找到图中的最长路径，最长路径中所包含结点对应的数据包即是有效数据包，剩余的为所含时间戳无效的数据包；
(3)恢复步骤(2.4)中检测出的无效包的时间，包括：
(3.1)对于(2.4)中检测出的每个无效包，找到本地产生时间在此无效包之前和之后的任意两个有效包；
(3.2)无效包与步骤(3.1)中得到两个包的全局产生时间及本地产生时间有着数值关系计算恢复出无效包p3的产生时间估计sk3，其中，s3代表p3包的本地产生时间，s2、sk2分别代表p2包的本地产生时间和全局产生时间的估计，s4、sk4分别代表p4包的本地产生时间和全局产生时间的估计。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感网络中时间测量的方法，其特征在于在所述步骤(1.1)中，本地产生时间，是根据源点的本地时间记录。
3.根据权利要求1所述的一种无线传感网络中时间测量的方法，其特征在于在所述步骤(1.4)中，全局产生时间，是相对于汇聚点时间的全局时间。
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