一種無線傳感器網絡時間同步性能評估方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及通信技術領域，特別是指一種無線傳感器網絡時間同步性能評估方法 及系統。
【背景技術】
[0002] -般來說，一個微處理器的時鐘包括時鐘源和累加定時觸發兩個組成部分。時間 同步是一種根據節點之間的時鐘偏差去調整節點自身的系統時鐘，令系統時鐘與全局時鐘 相同，以使所有節點達到同步的方法。當微處理器作為時間同步的節點時，理論上，只有當 所有節點的時鐘源的頻率和初始相位都相同時，節點之間的系統時鐘才不存在偏差，所有 節點才能保持同步。實際上，當晶振作為微處理器的時鐘源時，由于晶振會受到生產工藝及 各種外在環境因素的影響，其頻率和相位并不是固定不變的。所以微處理器的系統時鐘必 須定期的進行同步調整，才能使所有節點保持同步。
[0003] 對于同步后的節點，與同步前不同的是，同步后的時鐘源不再是原始的晶振時鐘 源了，而是在原始晶振時鐘源的基礎上添加了一個軟件的調整，同步后節點系統時鐘的計 數值的增加等價于有一個虛擬的軟件晶振在震蕩。理論上，該虛擬晶振對所有節點都具有 相同的頻率和初始相位，然而，實際上由于原始晶振存在的不穩定性和系統時鐘偏移設置 精度的有限性，導致該虛擬晶振的頻率和初始相位是一個變化的值。所以，同步后各節點的 系統時鐘的頻率和初始相位也存在差異，節點之間存在同步誤差。
[0004] 如本專利中所述，當外部的評估單元向節點請求節點的內部時間，該內部時間是 同步后的系統時間，（所謂系統時間，是同步后，所有的節點應該具有的相互一致的共同時 間），該系統時間的相關計算參數通常存儲于節點的寄存器，無法直接獲得;節點收到請求 后，節點中的微處理器立刻計算自身的內部存儲的系統時間，并送到外部評估單元，但即使 是"立刻"處理，節點在送出內部時間時必然已經經歷了一段小的、難以測量的短延時，這段 延時會影響評估精度。本專利的目標實質上在降低這段不確定的短延時的影響。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是提供一種無線傳感器網絡時間同步性能評估方法及 系統，以解決現有時間同步評估技術所存在的難以降低所述不確定短延時的影響，而使評 估精度存在較大誤差的問題。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明實施例提供一種無線傳感器網絡時間同步性能評估 方法，包括：
[0007] 獲取不同評估時刻各節點的系統時鐘的計數值；
[0008] 根據不同評估時刻各節點的系統時鐘的計數值，利用數學規劃手段對節點同步后 的系統時鐘的振蕩周期及初始相位進行約束，得到各節點的系統同步的振蕩周期及初始相 位的最優估計；
[0009] 根據得到的系統同步的振蕩周期及初始相位的最優估計，對各節點的時間同步性 能進彳丁評估。
[0010]進一步地，所述獲取不同評估時刻各節點的系統時鐘的計數值包括：
[0011]接收讀指示信號，讀取各節點的系統時鐘的計數值；
[0012] 獲取各節點的評估時間，所述各節點的評估時間表示為：
[0013] tj = Tj ⑴+(nj⑴T⑴+Θ⑴）
[0014] 式中，i表示節點的編號，j表示通信次數的編號，表示第j次通信的評估時間， Tj(i)表示第i節點第j次從請求時刻到節點取得內部系統時間時刻之間的響應延時，11」(1)表 示第i節點第j次系統時鐘的計數值，r^ (1)是節點用于表示系統時間的整數值，T(1)表示第i 節點的系統時鐘的振蕩周期，θ(1)表示第i節點的系統時鐘的初始相位，是n取〇時節點獲 得的系統時間對應的外部基準時間。
[0015] 進一步地，所述根據不同評估時刻各節點的系統時鐘的計數值，利用數學規劃手 段對節點同步后的系統時鐘的振蕩周期及初始相位進行約束，得到各節點的系統同步的振 蕩周期及初始相位的最優估計包括：
[0016] 根據獲取到的不同評估時刻各節點的系統時鐘的計數值，確定求解各節點的系統 時鐘的振蕩周期及初始相位的最優估計的目標函數及所述目標函數的約束條件；
[0017] 在各節點的目標函數取最小值時，對每個節點的系統時鐘的振蕩周期及初始相位 不斷進行約束，將系統時鐘的振蕩周期及初始相位的變化范圍約束在預設范圍內，得到各 節點的系統時鐘的振蕩周期及初始相位的最優估計。
[0018] 進一步地，所述目標函數為：
[0019] ζ ⑴=Tj ⑴；
[0020] 所述目標函數的約束條件為： ir(0 J 1 J
[0021] < r，⑴ < 〇 ⑴ +1)Γ(;) + 6*(0 Tr{i) > 0
[0022] 式中，i表示節點的編號，j表示通信次數的編號，k表示第j次通信的評估時間， Tj(i)表示第i節點第j次從請求時刻到節點取得內部系統時間時刻之間的響應延時，11」(1)表 示第i節點第j次系統時鐘的計數值，r^ (1)是節點用于表示系統時間的整數值，T(1)表示第i 節點的系統時鐘的振蕩周期，θ(1)表示第i節點的系統時鐘的初始相位，是n取〇時節點獲 得的系統時間對應的外部基準時間。
[0023] 進一步地，所述根據得到的各節點的系統同步的振蕩周期及初始相位的最優估 計，對各節點的時間同步性能進行評估包括：
[0024] 若得到的各節點的系統同步的振蕩周期及初始相位均相同，則表明所有節點達到 完全同步；
[0025] 若得到的各節點的系統同步的振蕩周期及初始相位之間存在偏差，則對該偏差進 行分析，對各節點的時間同步性能進行評估。
[0026] 本發明實施例還提供一種無線傳感器網絡時間同步性能評估系統，包括：多個節 點和外部評估單元，其中，各節點分別與所述外部評估單元相連；
[0027] 節點，用于在收到外部評估單元的請求后，節點中的微處理器立刻計算自身的內 部存儲的系統時間，并送到外部評估單元；
[0028]外部評估單元，用于向節點發送請求，請求節點的內部系統時間，該內部時間是同 步后的系統時間。
[0029]進一步地，所述節點包括：
[0030] 射頻模塊，用于發送與接收無線射頻信號；
[0031] 主控模塊，用于控制射頻信號的收發、內部系統時間的讀取以及控制數據的傳輸；
[0032] 擴展模塊，用于將節點的測試信號通過擴展插槽外接出來，以與外部評估單元進 行連接。
[0033] 進一步地，所述外部評估單元包括：
[0034]可編程模塊，用于對節點的測試數據進行實時采集處理；
[0035]傳輸模塊，用于將可編程模塊采集到的數據傳輸到PC機；
[0036] 擴展模塊，用于將外部評估單元的請求信號接口及數據采集接口通過擴展插槽外 接出來，以與節點進行連接。
[0037] 本發明的上述技術方案的有益效果如下：
[0038] 上述方案中，通過獲取不同評估時刻各節點的系統時鐘的計數值，在獲取系統時 鐘計數值的過程中，會經歷一段較短且無法避免和難以準確測量的短延時;并根據獲取到 的不同評估時刻各節點的系統時鐘的計數值，利用數學規劃手段對節點同步后的系統時鐘 的振蕩周期及初始相位進行約束，得到各節點的系統同步的振蕩周期及初始相位的最優估 計;并根據得到的同步后的各節點的系統時鐘的振蕩周期及初始相位的最優估計，對各節 點的時間同步性能進行精確評估。這樣，根據同步性能評估能夠解決現有時間同步評估技 術所存在的難以降低所述不確定短延時的影響，而使評估精度存在較大誤差的問題;能夠 對同步方法進行優化與改進;并且能夠對同步標準進行符合性測試。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發明實施例提供的系統時鐘的計數值的變化時序示意圖；
[0040] 圖2為本發明實施例提供的無線傳感器網絡時間同步性能評估方法的方法流程 圖；
[0041] 圖3為本發明實施例提供的單個節點的系統時鐘的計數值η和評估時間t獲取原理 示意圖；
[0042]圖4為本發明實施例提供的多個節點的系統時鐘的計數值η和評估時間t獲取原理 示意圖；
[0043] 圖5為本發明實施例提供的無線傳感器網絡時間同步性能評估系統的結構示意 圖。
【具體實施方式】
[0044] 為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具 體實施例進行詳細描述。
[0045] 本發明針對現有時間同步評估技術所存在的難以降低所述不確定短延時的影響， 而使評估精度存在較大誤差的問題，提供一種無線傳感器網絡時間同步性能評估方法及系 統。
[0046]為了更好的理解本發明，首先對節點系統時鐘的計數值的變化時序進行分析： [0047] 如圖1所示，在to = 0時刻，虛擬晶振脈沖的上升沿到達；
[0048] 在^ = Θ時刻，系統時鐘的計數值加1，Θ是系統時鐘的初始相位，Θ是一個變化的 值。
[0049] 對于時間間隔?2 ，T表示系統時鐘的振蕩周期，振蕩周期T是一個變化的值， 系統時鐘的計數值η是虛擬晶振最小周期的整數倍，所以t