一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步性能評(píng)估方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步性能評(píng)估方法 及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] -般來說，一個(gè)微處理器的時(shí)鐘包括時(shí)鐘源和累加定時(shí)觸發(fā)兩個(gè)組成部分。時(shí)間 同步是一種根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏差去調(diào)整節(jié)點(diǎn)自身的系統(tǒng)時(shí)鐘，令系統(tǒng)時(shí)鐘與全局時(shí)鐘 相同，以使所有節(jié)點(diǎn)達(dá)到同步的方法。當(dāng)微處理器作為時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)時(shí)，理論上，只有當(dāng) 所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘源的頻率和初始相位都相同時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的系統(tǒng)時(shí)鐘才不存在偏差，所有 節(jié)點(diǎn)才能保持同步。實(shí)際上，當(dāng)晶振作為微處理器的時(shí)鐘源時(shí)，由于晶振會(huì)受到生產(chǎn)工藝及 各種外在環(huán)境因素的影響，其頻率和相位并不是固定不變的。所以微處理器的系統(tǒng)時(shí)鐘必 須定期的進(jìn)行同步調(diào)整，才能使所有節(jié)點(diǎn)保持同步。
[0003] 對(duì)于同步后的節(jié)點(diǎn)，與同步前不同的是，同步后的時(shí)鐘源不再是原始的晶振時(shí)鐘 源了，而是在原始晶振時(shí)鐘源的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)軟件的調(diào)整，同步后節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì) 數(shù)值的增加等價(jià)于有一個(gè)虛擬的軟件晶振在震蕩。理論上，該虛擬晶振對(duì)所有節(jié)點(diǎn)都具有 相同的頻率和初始相位，然而，實(shí)際上由于原始晶振存在的不穩(wěn)定性和系統(tǒng)時(shí)鐘偏移設(shè)置 精度的有限性，導(dǎo)致該虛擬晶振的頻率和初始相位是一個(gè)變化的值。所以，同步后各節(jié)點(diǎn)的 系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率和初始相位也存在差異，節(jié)點(diǎn)之間存在同步誤差。
[0004] 如本專利中所述，當(dāng)外部的評(píng)估單元向節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部時(shí)間，該內(nèi)部時(shí)間是 同步后的系統(tǒng)時(shí)間，（所謂系統(tǒng)時(shí)間，是同步后，所有的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有的相互一致的共同時(shí) 間），該系統(tǒng)時(shí)間的相關(guān)計(jì)算參數(shù)通常存儲(chǔ)于節(jié)點(diǎn)的寄存器，無法直接獲得;節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求 后，節(jié)點(diǎn)中的微處理器立刻計(jì)算自身的內(nèi)部存儲(chǔ)的系統(tǒng)時(shí)間，并送到外部評(píng)估單元，但即使 是"立刻"處理，節(jié)點(diǎn)在送出內(nèi)部時(shí)間時(shí)必然已經(jīng)經(jīng)歷了一段小的、難以測(cè)量的短延時(shí)，這段 延時(shí)會(huì)影響評(píng)估精度。本專利的目標(biāo)實(shí)質(zhì)上在降低這段不確定的短延時(shí)的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步性能評(píng)估方法及 系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有時(shí)間同步評(píng)估技術(shù)所存在的難以降低所述不確定短延時(shí)的影響，而使評(píng) 估精度存在較大誤差的問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步性能評(píng)估 方法，包括：
[0007] 獲取不同評(píng)估時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值；
[0008] 根據(jù)不同評(píng)估時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃手段對(duì)節(jié)點(diǎn)同步后 的系統(tǒng)時(shí)鐘的振蕩周期及初始相位進(jìn)行約束，得到各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)同步的振蕩周期及初始相 位的最優(yōu)估計(jì)；
[0009] 根據(jù)得到的系統(tǒng)同步的振蕩周期及初始相位的最優(yōu)估計(jì)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步性 能進(jìn)彳丁評(píng)估。
[0010]進(jìn)一步地，所述獲取不同評(píng)估時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值包括：
[0011]接收讀指示信號(hào)，讀取各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值；
[0012] 獲取各節(jié)點(diǎn)的評(píng)估時(shí)間，所述各節(jié)點(diǎn)的評(píng)估時(shí)間表示為：
[0013] tj = Tj ⑴+(nj⑴T⑴+Θ⑴）
[0014] 式中，i表示節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，j表示通信次數(shù)的編號(hào)，表示第j次通信的評(píng)估時(shí)間， Tj(i)表示第i節(jié)點(diǎn)第j次從請(qǐng)求時(shí)刻到節(jié)點(diǎn)取得內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)間時(shí)刻之間的響應(yīng)延時(shí)，11」(1)表 示第i節(jié)點(diǎn)第j次系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值，r^ (1)是節(jié)點(diǎn)用于表示系統(tǒng)時(shí)間的整數(shù)值，T(1)表示第i 節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的振蕩周期，θ(1)表示第i節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的初始相位，是n取〇時(shí)節(jié)點(diǎn)獲 得的系統(tǒng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的外部基準(zhǔn)時(shí)間。
[0015] 進(jìn)一步地，所述根據(jù)不同評(píng)估時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃手 段對(duì)節(jié)點(diǎn)同步后的系統(tǒng)時(shí)鐘的振蕩周期及初始相位進(jìn)行約束，得到各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)同步的振 蕩周期及初始相位的最優(yōu)估計(jì)包括：
[0016] 根據(jù)獲取到的不同評(píng)估時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值，確定求解各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng) 時(shí)鐘的振蕩周期及初始相位的最優(yōu)估計(jì)的目標(biāo)函數(shù)及所述目標(biāo)函數(shù)的約束條件；
[0017] 在各節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)取最小值時(shí)，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的振蕩周期及初始相位 不斷進(jìn)行約束，將系統(tǒng)時(shí)鐘的振蕩周期及初始相位的變化范圍約束在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，得到各 節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的振蕩周期及初始相位的最優(yōu)估計(jì)。
[0018] 進(jìn)一步地，所述目標(biāo)函數(shù)為：
[0019] ζ ⑴=Tj ⑴；
[0020] 所述目標(biāo)函數(shù)的約束條件為： ir(0 J 1 J
[0021] < r，⑴ < 〇 ⑴ +1)Γ(;) + 6*(0 Tr{i) > 0
[0022] 式中，i表示節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，j表示通信次數(shù)的編號(hào)，k表示第j次通信的評(píng)估時(shí)間， Tj(i)表示第i節(jié)點(diǎn)第j次從請(qǐng)求時(shí)刻到節(jié)點(diǎn)取得內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)間時(shí)刻之間的響應(yīng)延時(shí)，11」(1)表 示第i節(jié)點(diǎn)第j次系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值，r^ (1)是節(jié)點(diǎn)用于表示系統(tǒng)時(shí)間的整數(shù)值，T(1)表示第i 節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的振蕩周期，θ(1)表示第i節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的初始相位，是n取〇時(shí)節(jié)點(diǎn)獲 得的系統(tǒng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的外部基準(zhǔn)時(shí)間。
[0023] 進(jìn)一步地，所述根據(jù)得到的各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)同步的振蕩周期及初始相位的最優(yōu)估 計(jì)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步性能進(jìn)行評(píng)估包括：
[0024] 若得到的各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)同步的振蕩周期及初始相位均相同，則表明所有節(jié)點(diǎn)達(dá)到 完全同步；
[0025] 若得到的各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)同步的振蕩周期及初始相位之間存在偏差，則對(duì)該偏差進(jìn) 行分析，對(duì)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步性能進(jìn)行評(píng)估。
[0026] 本發(fā)明實(shí)施例還提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步性能評(píng)估系統(tǒng)，包括：多個(gè)節(jié) 點(diǎn)和外部評(píng)估單元，其中，各節(jié)點(diǎn)分別與所述外部評(píng)估單元相連；
[0027] 節(jié)點(diǎn)，用于在收到外部評(píng)估單元的請(qǐng)求后，節(jié)點(diǎn)中的微處理器立刻計(jì)算自身的內(nèi) 部存儲(chǔ)的系統(tǒng)時(shí)間，并送到外部評(píng)估單元；
[0028]外部評(píng)估單元，用于向節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)間，該內(nèi)部時(shí)間是同 步后的系統(tǒng)時(shí)間。
[0029]進(jìn)一步地，所述節(jié)點(diǎn)包括：
[0030] 射頻模塊，用于發(fā)送與接收無線射頻信號(hào)；
[0031] 主控模塊，用于控制射頻信號(hào)的收發(fā)、內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)間的讀取以及控制數(shù)據(jù)的傳輸；
[0032] 擴(kuò)展模塊，用于將節(jié)點(diǎn)的測(cè)試信號(hào)通過擴(kuò)展插槽外接出來，以與外部評(píng)估單元進(jìn) 行連接。
[0033] 進(jìn)一步地，所述外部評(píng)估單元包括：
[0034]可編程模塊，用于對(duì)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理；
[0035]傳輸模塊，用于將可編程模塊采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)；
[0036] 擴(kuò)展模塊，用于將外部評(píng)估單元的請(qǐng)求信號(hào)接口及數(shù)據(jù)采集接口通過擴(kuò)展插槽外 接出來，以與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。
[0037] 本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：
[0038] 上述方案中，通過獲取不同評(píng)估時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值，在獲取系統(tǒng)時(shí) 鐘計(jì)數(shù)值的過程中，會(huì)經(jīng)歷一段較短且無法避免和難以準(zhǔn)確測(cè)量的短延時(shí);并根據(jù)獲取到 的不同評(píng)估時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃手段對(duì)節(jié)點(diǎn)同步后的系統(tǒng)時(shí)鐘 的振蕩周期及初始相位進(jìn)行約束，得到各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)同步的振蕩周期及初始相位的最優(yōu)估 計(jì);并根據(jù)得到的同步后的各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的振蕩周期及初始相位的最優(yōu)估計(jì)，對(duì)各節(jié) 點(diǎn)的時(shí)間同步性能進(jìn)行精確評(píng)估。這樣，根據(jù)同步性能評(píng)估能夠解決現(xiàn)有時(shí)間同步評(píng)估技 術(shù)所存在的難以降低所述不確定短延時(shí)的影響，而使評(píng)估精度存在較大誤差的問題;能夠 對(duì)同步方法進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn);并且能夠?qū)ν綐?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行符合性測(cè)試。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值的變化時(shí)序示意圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步性能評(píng)估方法的方法流程 圖；
[0041] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的單個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值η和評(píng)估時(shí)間t獲取原理 示意圖；
[0042]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值η和評(píng)估時(shí)間t獲取原理 示意圖；
[0043] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步性能評(píng)估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具 體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0045] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有時(shí)間同步評(píng)估技術(shù)所存在的難以降低所述不確定短延時(shí)的影響， 而使評(píng)估精度存在較大誤差的問題，提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步性能評(píng)估方法及系 統(tǒng)。
[0046]為了更好的理解本發(fā)明，首先對(duì)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值的變化時(shí)序進(jìn)行分析： [0047] 如圖1所示，在to = 0時(shí)刻，虛擬晶振脈沖的上升沿到達(dá)；
[0048] 在^ = Θ時(shí)刻，系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值加1，Θ是系統(tǒng)時(shí)鐘的初始相位，Θ是一個(gè)變化的 值。
[0049] 對(duì)于時(shí)間間隔?2 ，T表示系統(tǒng)時(shí)鐘的振蕩周期，振蕩周期T是一個(gè)變化的值， 系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值η是虛擬晶振最小周期的整數(shù)倍，所以t