CN105281884B - 一种无中心网络中的节点时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无中心网络中的节点时间同步方法，任意节点A对其同步信号来源设置同步源优先级；若监听到同步时标中的同步源优先级高于本节点的，则节点A根据同步源优先级最高的同步时标调整本地时间，并重置同步源优先级；若监听到的同步源优先级均低于本节点的，则计算各同步时标与本地时间的时间偏差，选择一个同步时标据此调整本地时间，并向各来源节点发送同步调整请求，各来源节点根据所述请求调整本地时间，节点A恢复原有本地时间；选择时间点向其他节点发送同步时标，所述同步时标携带节点本地时间信息和同步源优先级。采用本方法，各个节点之间无须中心控制节点统一协调就能达到时间同步，提升了节点间时间同步的效率。

Description

一种无中心网络中的节点时间同步方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无中心网络中的节点时间同步方法。

背景技术

无线自组织网络是一种特殊的无线移动通信网络，网络中无中心控制节点，所有节点地位平等，以分布式构成，每个节点不仅具有普通移动终端所具有的通信功能，还具有报文转发功能，通信的源节点和目标节点不在直接通信范围中时，可以通过中间节点转发报文进行通信。在此网络中，若多个节点同时有通信需求，由于缺乏中心控制点的协调，可能会出现两个或多个节点在同一时间点同时发送数据，从而发送冲突。解决此冲突，可以通过节点在数据发送前，发送探测信号进行探测是否存在冲突、发送报文通知相邻节点要预约占用时间进行数据发送等手段来解决。但要实施冲突解决手段的前提，必须是无线自组织网络中的所有节点的时间基准相同，即所有节点间时间是同步的，如此相邻节点才能在同一时间点上有效避开冲突。

但发明人发现，在无线网络初始化(网内节点统一开机入网)、节点的设备因死机或断电而重启、或者两个时间基准不一致的局域无线自组织网络因为各自网内的节点移动而相遇融合时，由于无线自组织网中无中心控制节点统一协调，各个节点之间的有可能是时间不同步的，并且两个时间基准不一致的局域无线自组织网络内的节点之间有可能时间偏差过大，节点间在监听时间内无法接收同步相关信息，导致节点根本无法同步。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出一种无中心网络中的节点时间同步方法，对于任意节点A，包括：a.对其同步信号来源设置同步源优先级；b.在静默时间内监听其它节点的同步时标，若监听到同步时标中的同步源优先级存在高于本节点的同步源优先级的，则节点A根据其中同步源优先级最高的同步时标调整本地时间，并重置节点A的同步源优先级；c.在静默时间内监听其它节点的同步时标，若监听到的各同步时标中的同步源优先级均低于本节点的同步源优先级，则计算监听到的各同步时标中的时间信息与本地时间的时间偏差，选择一个同步时标据此调整本地时间，并向各同步时标来源节点发送同步调整请求，各同步时标来源节点根据所述同步调整请求调整本地时间，节点A恢复原有本地时间；d.选择时间点向其他节点发送同步时标，所述同步时标携带节点本地时间信息和同步源优先级。

优选的，步骤a中所述同步源优先级根据节点的优先级、同步源的时间等级或者两者的结合进行设置。进一步的，所述节点A至少根据同步源时效等级设置同步源优先级，具体包括：节点A若携带外部同步源，则同步源优先级设置为最高；若不携带外部同步源，则设置为最低。所述外部同步源包括GPS或/和北斗系统。

优选的，步骤b中节点A重置同步源优先级为等于或低于据以调整本地时间的同步时标中的同步源优先级。

优选的，步骤c还包括：所述各时间偏差若均小于预定偏差门限，则不再执行步骤c其余操作，否则继续执行步骤c其余操作；

进一步的，步骤中所述选择一个同步时标包括选择来源节点同步源优先级最高的同步时标，或者与节点A时间偏差最大的同步时标；所述同步调整请求中携带所述时间偏差、同步源优先级和同步调整时间点；所述各同步时标来源节点在所述同步调整时间点调整本地时间，节点A在所述同步调整时间点恢复原有本地时间；所述同步调整请求采用广播的方式进行发送。

优选的，步骤d中节点A发送同步时标的周期为：T_txsync＝α_tx×PID×Δt，发送同步时标的时间点为:t_txsync＝t_curr+n×T_txsync(n＝1,2,3....)，其中，PID为节点的同步源优先级，α_tx>0为发送系数，Δt为设置的时间度量单位，t_cur为当前时间点。

优选的，所述方法还包括：若在静默时间内未收到其他节点的同步时标，则转至步骤d。

采用上述方法，无须中心控制节点统一协调就能达到时间同步，在同步时标中携带时间来源节点的同步源优先级，保证网内各节点最终将与同步源优先级最高的节点进行同步，这样同步源优先级低的节点后入网不会触发网内其他节点进行时间同步，并且同步源优先级高的节点在入网后，通过计算与各在网节点的时间偏差，若时间偏差超过预设偏差的门限，则先与同步源优先级低的在网节点同步，发送同步调整请求指示各在网节点需要调整的时间偏差，再在同步调整时间点全网节点统一调整同步，避免因时间偏差过大导致在网的同步源优先级低节点，在监听时间内无法收听同步源优先级高节点的同步时标的弊端，提升节点间时间同步的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的基本框图；

图2为本发明实施例1的处理流程图；

图3为本发明实施例2的处理流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照附图1，本发明提出的同步方法中，对于任意节点A，

a.对其同步信号来源设置同步源优先级；

在步骤a中，所述同步源优先级根据节点的优先级、同步源的时间等级或者两者的结合进行设置。比如节点A可以至少根据同步源时效等级设置同步源优先级：节点A若携带外部同步源，则同步源优先级设置为最高；若不携带外部同步源，则设置为最低。其中外部同步源可以是GPS或/和北斗系统。

b.在静默时间内监听其它节点的同步时标，若监听到同步时标中的同步源优先级存在高于本节点的同步源优先级的，则节点A根据其中同步源优先级最高的同步时标调整本地时间，并重置节点A的同步源优先级；重置的同步源优先级可以等于或低于据以调整本地时间的同步时标中的同步源优先级。

c.在静默时间内监听其它节点的同步时标，若监听到的各同步时标中的同步源优先级均低于本节点的同步源优先级，则计算监听到的各同步时标中的时间信息与本地时间的时间偏差，选择一个同步时标调整本地时间，并向各同步时标来源节点发送同步调整请求，各同步时标来源节点根据所述同步调整请求调整本地时间，节点A恢复原有本地时间；

在步骤c中，可以还包括如下操作：如果计算出的各时间偏差均小于预定偏差门限，则不再执行步骤c其余操作，否则继续执行步骤c其余操作；

在此步骤中，所述选择一个同步时标包括选择来源节点同步源优先级最高的同步时标，或者与节点A时间偏差最大的同步时标；所述同步调整请求中携带所述时间偏差、同步源优先级和同步调整时间点；所述各同步时标来源节点在所述同步调整时间点调整本地时间，节点A在所述同步调整时间点恢复原有本地时间；所述同步调整请求采用广播的方式进行发送。

同步源优先级高的节点在入网后，通过计算与各在网节点的时间偏差，若时间偏差超过预设偏差的门限，则先与同步源优先级低的在网节点同步，发送同步调整请求指示各在网节点需要调整的时间偏差，再在同步调整时间点全网节点统一调整同步，避免因时间偏差过大导致在网的同步源优先级低节点，在监听时间内无法收听同步源优先级高节点的同步时标的弊端。

d.选择时间点向其他节点发送同步时标，所述同步时标携带节点本地时间信息和同步源优先级。在同步时标中携带时间来源节点的同步源优先级可以保证网内各节点最终将与同步源优先级最高的节点进行同步，这样同步源优先级低的节点后入网不会触发网内其他节点进行时间同步。

在步骤d中，中节点A发送同步时标的周期为：T_txsync＝α_tx×PID×Δt，发送同步时标的时间点为:t_txsync＝t_curr+n×T_txsync(n＝1,2,3....)，其中，PID为节点的同步源优先级，α_tx>0为发送系数，Δt为设置的时间度量单位，t_cur为当前时间点。

上述方法还可以包括：节点A若在静默时间内未收到其他节点的同步时标，则转至步骤d。

采用上述方法，无须中心控制节点统一协调就能达到时间同步，并且可以提升节点间时间同步的效率。

实施例1：本实施例中，节点A在静默时间内监听到1个同步时标。

请参阅附图2，本发明的一个具体实施例如下：

步骤201，节点A在静默时间内监听其它节点发送的同步时标；

在此，节点A自身的同步源优先级可根据自身的优先级或者用户的同步源时间等级或者两者的结合进行设置，例如，节点A可根据同步源的时间等级来设置同步源优先级，若携带外部同步源诸如GPS或北斗，节点A可将自身的同步源优先级设置为最高优先级，若节点A不携带，在初入网时，可将自身的同步源优先级设置为最低优先级；

步骤202，判断是否接收到其它节点的同步时标，如果接收到，则转到步骤203，否则在静默时间结束后转到步骤209；

步骤203，比较同步时标来源节点的同步源优先级和节点A的同步源优先级，若接收到的同步时标的来源节点的同步源优先级高于节点A的同步源优先级，则转到步骤204，否则转到205；

步骤204，节点A根据接收到的同步时标调整本地时间，并重新设置自身的同步源优先级，在此，同步源的优先级可设置为等于或低于同步时标来源节点的同步源优先级，并转到步骤209；

步骤205，节点A根据自身的本地时间信息、同步时标中来源节点的本地时间信息，计算与同步时标来源节点的时间偏差，判断是否大于设置的偏差门限，若大于，转到步骤206，否则，转到步骤209；

步骤206，节点A根据接收到的同步时标调整本地时间；

步骤207，节点A向同步时标来源节点发送同步调整请求，在同步调整请求中，携带同步调整时间点、节点A的同步源优先级、节点A与同步时标来源节点的时间偏差；

步骤208，节点A在同步调整时间点，恢复为原有本地时间；

此处，同步时标的来源节点，也需在同步调整时间点，根据节点A发送的同步调整请求中携带的时间偏差，调整其自身的本地时间；

步骤209，节点A选择时间点向其它节点发送同步时标，同步时标中携带节点本地时间信息、同步源优先级。

此处，节点A向其它节点发送同步时标的周期为：T_txsync＝α_tx×PID×Δt，节点A向其它节点发送同步时标的时间点为:t_txsync＝t_curr+n×T_txsync(n＝1,2,3....)；PID为节点A当前的同步源优先级编号；α_tx>0为发送系数，Δt为设置的时间度量单位，t_cur为当前时间点。

实施例2：本实施例中，节点A在静默时间内监听到多个同步时标。

基于实施例1，本发明的一种改进处理请参阅附图3：

步骤301，节点A在静默时间内监听其它节点发送的同步时标；

步骤302，判断是否接收到其它节点的同步时标，如果接收到，则转到步骤303，否则在静默时间结束后转到步骤313；

步骤303，比较同步时标来源节点的同步源优先级和节点A的同步源优先级，若接收到的同步时标的来源节点的存在同步源优先级高于节点A的同步源优先级的，则转到步骤304，否则转到305；

步骤304，节点A根据接收到的同步时标调整本地时间，并重新设置自身的同步源优先级，在此，同步源的优先级可设置为等于或低于同步时标来源节点的同步源优先级，并转到步骤313；

步骤305，节点A根据自身的本地时间信息、同步时标中来源节点的本地时间信息，计算与同步时标来源节点的时间偏差，判断是否大于设置的偏差门限，若大于，转到步骤306，否则，转到步骤313；(此步骤可以不设置，即不设置偏差门限，一律进行如步骤306的处理。)

步骤306，节点A在设置的监听时间内，继续监听其他节点的同步时标；

步骤307，比较在监听时间内监听到同步时标的所有来源节点的同步源优先级，若存在某一同步时标的来源节点的同步源优先级高于节点A的同步源优先级，则转到步骤308，否则转到步骤309；

步骤308，节点A根据监听到同步时标的来源节点中，同步源优先级最高的节点的同步时标，来调整本地时间，并重设自身的同步源优先级。在此，节点A的同步源优先级可以设置等于或低于同步源优先级最高的节点的同步源优先级；

步骤309，节点A计算与所有监听到同步时标的来源节点之间的时间偏差；

步骤310，节点A选择监听到的同步时标某一个，可以同步源优先级最高的节点的同步时标，或者时间偏差最大的同步时标调整本地时间；

步骤311，节点A向监听到的所有同步时标来源节点广播同步调整请求，在同步调整请求中，携带同步调整时间点、节点A的同步源优先级、节点A与各个同步时标来源节点的时间偏差；

步骤312，节点A在同步调整时间点，恢复为原有本地时间；

此处，接收同步调整请求的节点，也需在同步调整时间点，根据节点A发送的同步调整请求中携带与其的时间偏差，调整其自身的本地时间；。

步骤313，节点A选择时间点向其它节点发送同步时标，同步时标中携带节点本地时间信息、同步源优先级。

此处，节点A向其它节点发送同步时标的周期为：T_txsync＝α_tx×PID×Δt，节点A向其它节点发送同步时标的时间点为:t_txsync＝t_curr+n×T_txsync(n＝1,2,3....)；PID为节点A当前的同步源优先级编号；α_tx>0为发送系数，Δt为设置的时间度量单位，t_cur为当前时间点。

上述方法中，若节点A在通信过程中接收到其它节点发送的同步时标，则可以从所述步骤203或303开始进行同步。节点A若在选择了向其它节点发送同步时标的时间点但该时间点未到达之前，又接收到其它节点发送的同步时标，则可以转到步骤303或303继续进行同步。

在本实施例中，节点A也可以在静默时间内监听同步时标，监听结束后再根据各同步时标的同步源优先级统一处理，即参照附图1进行处理。

实施例3：

在无中心网络例如无线自组织网中，通常采用帧来作为节点的时间度量单位，即时间轴上分为等长度的帧，而每帧内又会划分若干时隙，某些时隙发送数据，某些时隙发送控制信令。本实施例中也基于采用帧为时间度量单位的自组织网络，在此类自组织网络中，节点间只需保证每帧起始时间相同即可达到时间同步。

在本实施例中，网内每个节点都会对其时间同步的同步源设置同步源优先级，每个节点会选择某帧的某个时隙向相邻设备发送同步时标，同步时标中携带节点的本地时间信息、来源节点的同步源优先级，或者发送同步调整请求，同步调整请求中携带节点的同步源优先级，与接收同步调整请求的节点的时间偏差，其中由于本实施例中，节点间只需保证每帧起始时间相同即可达到时间同步，并且每个节点基于的时间帧结构都相同，所以同步时标中携带节点的本地时间信息，可以为该节点发送同步时标的时隙的编号，与接收同步调整请求节点的时间偏差，也可以用对应节点需要调整时隙的数目代替；

对网内任意节点A，设置节点A的静默时间为T帧，同步源优先级设置为PID_A，假设同步源优先级共分为16级，数值0～15，数值越小优先级越高，假设在某一时间点，设备开机入网或设备重启，节点A若携带外部同步源例如GPS或北斗，设置同步源优先级PID_A＝0，若不携带任何外部同步源，仅以本地时间进行同步，可设置同步源优先级PID_A＝15，同步过程步骤为：

步骤1，节点A在T帧内不发送同步时标或通信信号，只监听相邻节点发送的同步时标。

1)若节点A在T帧内接收相邻节点B发送的同步时标，则转到步骤2；

2)若节点A在T帧内未接收任何相邻节点发送的同步时标，在T帧结束后下一帧，转到步骤3；

步骤2，节点A判断是否根据接收的同步时标调整本地时间。

假设节点A在第i个时隙接收到相邻节点B发送同步时标，若同同步时标中携带的时间来源节点的同步源优先级为PID_B，(假设PID_B＝3)并在同步时标中标记第k_B个时隙发送，则：

1)若PID_A＝15，则PID_B优先级高于PID_A，节点A根据第i个时隙和第k_B个时隙的时间偏差，调整自身帧起始时间，与时间来源节点的帧起始时间完全对齐，即假如i＝5，k_B＝3，则将节点A的帧起始时间提前2个时隙，使得原来第5个时隙成为第3个时隙，并将同步源优先级重新设置，可设置为PID_A>＝3，再转到步骤3；

2)若PID_A＝0，则PID_B优先级低于PID_A，则节点A不调整自身帧起始时间，并计算本地时间与节点B的时间偏差，即第i个时隙和第k_B个时隙的时间偏差，并预设偏差门限为5个时隙：

a.假设i＝7，k_B＝3，则节点A的帧起始时间比节点B滞后4个时隙，未大于偏差门限，则转到步骤3；

b.假设i＝9，k_B＝3，节点A的帧起始时间比节点B滞后6个时隙，已大于偏差门限：

b.1节点A可以将本地时间调整与节点B同步，即将帧节点A的帧起始时间提前6个时隙，使得原来第9个时隙成为第3个时隙，并且，节点A向节点B发送同步调整请求，同步调整请求中携带PID_A＝0、以及与节点B的时间偏差(滞后6个时隙)以及同步调整时间点(间隔T2帧后调整)，转到b.2；

或者节点A在T1帧内不发送同步时标或通信信号，继续监听相邻节点发送的同步时标，假设还接收到节点C、节点D发送的同步时标，节点C的同步时标中携带节点C的同步源优先级为PID_c、同步时标中标记第k_c个时隙发送，节点D的同步时标中携带节点D的同步源优先级为PID_D、同步时标中标记第k_D个时隙发送：

假设PID_C＝2,PID_D＝5,k_C＝2,k_D＝1，则节点A需要分别计算与节点B、C、D的时间偏差，记录与B滞后6个时隙，与C滞后7个时隙，与D滞后8个时隙，可以选同步源优先级最高的节点C的同步时标调整本地时间，或者选择时间偏差最大的节点D的同步时标调整本地时间，本例中选择后者，节点A将本地时间调整与节点D同步，即即将帧节点A的帧起始时间提前8个时隙，使得原来第9个时隙成为第1个时隙，并且，节点A向节点B、C、D发送同步调整请求，同步调整请求中携带PID_A＝0、以及与节点B的时间偏差(滞后6个时隙)、与节点C的时间偏差(滞后7个时隙)，与节点D的时间偏差(滞后8个时隙)以及同步调整时间点(间隔T2帧后调整)，转到b.2；

b.2在间隔T2帧后，节点A原有恢复本地时间，若同步节点B，使得第3个时隙调整为第9个时隙，若同步节点D，使得第1个时隙调整为第9个时隙，并且各个收到同步调整请求的节点，例如节点B，根据时间偏差调整与节点A同步，使得自身第3个时隙调整为第9个时隙，例如节点C，根据时间偏差调整与节点A同步，使得自身第2个时隙调整为第9个时隙，例如节点D，根据时间偏差调整与节点A同步，使得自身第1个时隙调整为第9个时隙，。

步骤3，节点A选择时间点向相邻节点发送同步时标。

设置发送系数为α_tx，α_tx必须为大于0小于等于1的数值，本例中α_tx＝1，则：节点A发送同步时标的周期T_txsync＝round(α_tx×PID_A)，假设PID_A＝0，则节点A每帧都发送同步时标，若PID_A＝3，若即为3帧，即节点A每隔3帧，选择当帧中某一时隙，发送一次同步时标，同步时标中，指示来源节点的同步源优先级为PID_A(本例中为3)，并指示其在第几个时隙发送同步时标，而若在某个周期5帧内，节点A又接收到相邻节点的同步时标，则不再按5帧周期向相邻节点发送同步时标，而是从步骤2开始继续进行时间同步过程。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无中心网络中的节点时间同步方法，其特征在于，对于任意节点A，包括：

a.对其同步信号来源设置同步源优先级；

b.在静默时间内监听其它节点的同步时标，若监听到同步时标中的同步源优先级存在高于本节点的同步源优先级的，则节点A根据其中同步源优先级最高的同步时标调整本地时间，并重置节点A的同步源优先级；

c.在静默时间内监听其它节点的同步时标，若监听到的各同步时标中的同步源优先级均低于本节点的同步源优先级，则计算监听到的各同步时标中的时间信息与本地时间的时间偏差，选择一个同步时标据此调整本地时间，并向各同步时标来源节点发送同步调整请求，各同步时标来源节点根据所述同步调整请求调整本地时间，节点A恢复原有本地时间；

d.选择时间点向其他节点发送同步时标，所述同步时标携带节点本地时间信息和同步源优先级；节点A向其它节点发送同步时标的周期为：T_txsync＝α_tx×PID×Δt，节点A向其它节点发送同步时标的时间点为:t_txsync＝t_curr+n×T_txsync，其中，n＝1,2,3....，PID为节点的同步源优先级，α_tx＞0为发送系数，Δt为设置的时间度量单位，t_curr为当前时间点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，所述同步源优先级根据节点的优先级、同步源的时间等级或者两者的结合进行设置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述节点A至少根据同步源时效等级设置同步源优先级，具体包括：节点A若携带外部同步源，则同步源优先级设置为最高；若不携带外部同步源，则设置为最低。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述外部同步源包括GPS或/和北斗系统。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b，节点A重置同步源优先级为等于或低于据以调整本地时间的同步时标中的同步源优先级。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c还包括：所述各时间偏差若均小于预定偏差门限，则不再执行步骤c其余操作，否则继续执行步骤c其余操作。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于步骤c，所述选择一个同步时标包括选择来源节点同步源优先级最高的同步时标，或者与节点A时间偏差最大的同步时标。

8.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于步骤c，所述同步调整请求中携带所述时间偏差、同步源优先级和同步调整时间点；所述各同步时标来源节点在所述同步调整时间点调整本地时间，节点A在所述同步调整时间点恢复原有本地时间。

9.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于步骤c，所述同步调整请求采用广播的方式进行发送。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：若在静默时间内未收到其他节点的同步时标，则转至步骤d。