專利名稱：大范圍無線傳感網(wǎng)延遲分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線自組織網(wǎng)絡與傳感器網(wǎng)絡領域，具體涉及一種大范圍無線傳感網(wǎng)延遲分析方法。
背景技術：
無線傳感網(wǎng)絡(WSNs,Wireless SensorNetworks)在建筑結構、健康監(jiān)測等很多方面均有廣泛的應用；而這些應用中常需要服務質量保證來滿足系統(tǒng)需求，例如滿足實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟮?；在影響系統(tǒng)服務質量的主要因素中，延遲是非常重要的一個因素?，F(xiàn)有技術中，對于無線傳感網(wǎng)絡，有很多延遲分析和建模方面的研究工作；例如，在隨機延遲模型中，用離散馬爾可夫過程來把實時理論和排隊理論結合起來；再例如，一些經(jīng)驗主義的網(wǎng)絡延遲模型用作端到端的延遲測量；再例如，不同于端到端的延遲模型的單 跳信道訪問延遲模型等；這些模型和分析均以理想的網(wǎng)絡情況(如高通信和固定的發(fā)送通道)為基礎；然而這些理想情況在實際的無線傳感網(wǎng)絡中常常不能被實現(xiàn)；而且，這些研究缺乏實際的大范圍網(wǎng)絡的對照和證明。現(xiàn)有技術中，也有很多互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心的延遲分析和測量方面的研究工作；例如，提示包丟失的精確延遲測量方法，其采用的是有損差量聚合器，可以測量網(wǎng)絡中每個包的延遲引起的非常有限的額外通信開銷；再例如，為了測量每個流延遲的參考延遲內(nèi)插法測量方法等等。雖然對于無線傳感網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心已經(jīng)有很多研究工作，但是，實際大范圍可操作的無線傳感網(wǎng)絡中端到端延遲性能的測量和分析工作仍然是缺失的；并且，考慮到無線傳感網(wǎng)絡各種應用的需求，了解實際大范圍網(wǎng)絡中的延遲性能是很重要的。但是，大范圍可操作無線傳感網(wǎng)絡中延遲性能的測量和分析，存在著很大的挑戰(zhàn)。首先，不同于互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心，無線傳感網(wǎng)絡中存在支持每個包的延遲測量的軟件部分，延遲測量依賴于網(wǎng)絡同步；而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡同步會引起額外的開銷，而且考慮到包丟失，所以是不可靠的；同時，由于節(jié)點資源是有限的，而且網(wǎng)絡的范圍比較大，所以可能不能承擔網(wǎng)絡同步這樣的任務。其次，對搜集到的信息進行數(shù)據(jù)分析是具有挑戰(zhàn)性的，單個延遲的改變可能伴隨著很多性能的改變；另外，從網(wǎng)絡中搜集所需信息也會引起很高的網(wǎng)絡開銷；并且，由于資源的局限性和包丟失，信息通常是不完整的；而且，根據(jù)協(xié)議設計，延遲本身存在隨機性，自動有效地從搜集到的數(shù)據(jù)中提取有用的信息是比較困難的。綜上所述，一種具有實用性的大范圍無線傳感網(wǎng)延遲分析方法是亟待提供的。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術問題本發(fā)明的目的在于提供一種簡便易行且不依賴于網(wǎng)絡同步的大范圍無線傳感網(wǎng)延遲分析方法，用于對大范圍無線傳感網(wǎng)的延遲進行分析，且不引起額外的開銷，為系統(tǒng)服務質量的提升提供數(shù)據(jù)支持。
(二)技術方案本發(fā)明技術方案如下一種大范圍無線傳感網(wǎng)延遲分析方法，包括步驟S1.計算網(wǎng)絡節(jié)點接收包時間與包傳輸時間之差，得到第一延遲；S2.去除第一延遲中因不正確時間戳引起的錯誤，得到第二延遲；S3.去除第二延遲中因時間戳溢出引起的錯誤，得到第三延遲；S4.結合所述第三延遲，恢復不正確的延遲值，得到最終延遲。優(yōu)選的，所述步驟S2包括結合時鐘偏移構建補償約束；去除不滿足所述補償約束的延遲值。優(yōu)選的，所述步驟S3包括 去除所述第二延遲中大于時間戳最大溢出時間的延遲值。優(yōu)選的，所述時間戳最大溢出時間為4294967295毫秒。優(yōu)選的，所述步驟S4包括根據(jù)所述第三延遲計算不正確延遲值的偏移以及補償；結合所述偏移以及補償，恢復不正確的延遲值。(三)有益效果 本發(fā)明首先計算網(wǎng)絡節(jié)點接收包時間與包傳輸時間之差，得到粗略的延遲結果，然后去除其中因不正確時間戳引起的錯誤以及因時間戳溢出引起的錯誤，恢復不正確的延遲值，得到最終延遲結果。本發(fā)明的延遲分析方法簡便易行且不依賴于網(wǎng)絡同步，能夠對大范圍無線傳感網(wǎng)的延遲進行分析，且不引起額外的開銷；同時本發(fā)明具有誤差小的特點，主要表現(xiàn)為無數(shù)據(jù)包錯誤引起的誤差，無數(shù)據(jù)包溢出引起的誤差，且能恢復所有錯誤數(shù)據(jù)包；因此本發(fā)明可以為系統(tǒng)服務質量的提升提供數(shù)據(jù)支持，具有很強的實用性。


圖1是本發(fā)明的一種大范圍無線傳感網(wǎng)延遲分析方法第一延遲計算過程示意圖；圖2是本發(fā)明的一種大范圍無線傳感網(wǎng)延遲分析方法應用效果示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對發(fā)明的具體實施方式
做進一步描述。以下實施例僅用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明主要基于數(shù)據(jù)訪問控制層(MAC,Media Access Control)的時間戳技術,數(shù)據(jù)訪問控制層時間戳能精確記錄包發(fā)送和接收的時間。一種大范圍無線傳感網(wǎng)延遲分析方法，主要包括步驟S1.計算網(wǎng)絡節(jié)點接收包時間與包傳輸時間之差，得到第一延遲；本實施例中，以圖1中所示的節(jié)點3從節(jié)點I以及節(jié)點2接收包為例進行說明；假設這個事件發(fā)生在節(jié)點I的本地時間h，我們首先測量事件時間和節(jié)點2以及節(jié)點3的本地時間假設節(jié)點I在&時間發(fā)包，包里包含的事件時間是h，然后節(jié)點2收到包，時間戳是t3，假設傳輸時間是微不足道的，接收節(jié)點2可以根據(jù)它的本地時鐘計算事件時間，將t3減去(I^t1),即t3_U2-1^),從直觀的角度，即事件是在t3_U2-1^)時間發(fā)生的；類似的，節(jié)點3從節(jié)點2接收包以后以相同的方法計算事件時間。因此，假設一個包是在h時間發(fā)送的，匯聚節(jié)點(即圖ι中的節(jié)點3)可以計算出包的發(fā)送時間和接收時間t5，二者都參考了節(jié)點3的時鐘；然后計算出包的延遲 4-α3-α2-^)。把源節(jié)點傳輸包的時間記為包的源時間(SourceTime),把匯聚節(jié)點接收包的時間記為匯聚時間(SinkTime),根據(jù)匯聚節(jié)點的時鐘，包的傳輸時間(源節(jié)點相對匯聚節(jié)點的時間)記為SourceTimeAtSink,相應的，延遲delay可以這樣計算delay = SinkTime-SourceTimeAtSink.(I)根據(jù)公式I計算出的第一延遲如圖2中第一欄所示，可以看到延遲在很大的范圍 內(nèi)分布。源節(jié)點和匯聚節(jié)點的時鐘同步，傳感節(jié)點使用的線性模型可以為SourceTimeAtSink = a iSourceTime+oJ^fset1(2)其中α ι和Offset1是相關的偏移和補償；根據(jù)公式2, SourceTimeAtSink 和 SourceTime 之間的差值為Offset2 = SourceTimeAtSink-SourceTime= a 2SourceTime+offset2(3)其中，α 2和Offset2是相關的偏移和補償。S2.第一延遲中第一種類型錯誤由于有限接收緩沖的包溢出和包丟失，以及傳感器節(jié)點底層驅動的錯誤，不能確保提供正確的時間戳引起的；因此，去除第一延遲中因不正確時間戳引起的錯誤，得到第二延遲；該步驟主要包括結合時鐘偏移構建補償約束；去除不滿足所述補償約束的延遲值。本實施例中具體為計算補償Offset2 = SourceTimeAtSink-SourceTime,即可以根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包中包含的SourceTimeAtSink和SourceTime來計算，如公式3 ;假設當h < t2時，Offset2U1)和Offset2 (t2)是兩個在和t2時間計算的兩個補償；在時鐘偏移為最大值e時，根據(jù)公式3，補償應滿足I Offset2 (t2)-Offset2 (
I( (t2-ti)e ;基于這個補償約束，判斷每一個數(shù)據(jù)包計算得到的時間戳與前面所有的數(shù)據(jù)包計算得到的時間戳是否滿足補償約束；把所有滿足補償約束的延遲值留下，并放到同一組。同時，由于不正確的延遲是隨機分布的，因此錯誤數(shù)據(jù)都不滿足于大部分數(shù)據(jù)滿足的補償約束，因此僅保留滿足補償約束的最多的一組，去除數(shù)量比這一組少的其他組，得到的第二延遲如圖2中第二欄所示。S3.第二種類型的錯誤來自時間戳的溢出，因此需要去除第二延遲中因時間戳溢出引起的錯誤，得到第三延遲；該步驟主要是去除所述第二延遲中大于時間戳最大溢出時間的延遲值。例如，時間戳技術提供的SourceTimeAtSink是基于32KHz計時器的四位時間戳，因此最大的溢出時間是0Xffffffff/32ms (4294967295毫秒)，也就是說大約1. 5天；可以通過公式1，發(fā)現(xiàn)時間戳溢出導致的特別大的延遲值并將其去除，去除方法為在計算出來的延遲的基礎上減去0Xffffffff/32ms，直至延遲比最大溢出時間??；上述處理基于大部分正常的延遲均小于最大溢出時間(4294967295毫秒)；得到的第三延遲如圖2中第三欄所示。S4.結合所述第三延遲，恢復不正確的延遲值，得到最終延遲；該步驟主要包括根據(jù)所述第三延遲計算不正確延遲值的偏移以及補償；結合所述偏移以及補償，恢復不正確的延遲值。本實施例中具體為首先，根據(jù)公式2和正確的時間戳和計算出來的延遲，計算α I和Offset1,從而獲得SourceTimeAtSink的線性模型；然后，對于在對于在t2時不正確的延遲值，我們可以首先根據(jù)公式2計算SourceTimeAtSink,然后根據(jù)公式I計算延遲，得到的最終延遲如圖2中第四欄所示。該步驟的基本原理是使用正確的延遲來同步源節(jié)點和匯聚節(jié)點，然后計算兩個同步節(jié)點的延遲；這樣的方法引起的誤差至多是error=eX U2-1^), e是相應的漂移時鐘，ti是最近的一個正確延遲的SourceTime ;如果需要error ( δ ,只需要需要恢復的時間戳的源時間t2滿足t2 ( δ /e。
以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的保護范疇。
權利要求
1.一種大范圍無線傳感網(wǎng)延遲分析方法，其特征在于，包括步驟51.計算網(wǎng)絡節(jié)點接收包時間與包傳輸時間之差，得到第一延遲；52.去除第一延遲中因不正確時間戳引起的錯誤，得到第二延遲；53.去除第二延遲中因時間戳溢出引起的錯誤，得到第三延遲；54.結合所述第三延遲，恢復不正確的延遲值，得到最終延遲。
2.根據(jù)權利要求1所述的延遲處理方法，其特征在于，所述步驟S2包括結合時鐘偏移構建補償約束；去除不滿足所述補償約束的延遲值。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的延遲處理方法，其特征在于，所述步驟S3包括去除所述第二延遲中大于時間戳最大溢出時間的延遲值。
4.根據(jù)權利要求3所述的延遲處理方法，其特征在于，所述時間戳最大溢出時間為 4294967295 毫秒。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的延遲處理方法，其特征在于，所述步驟S4包括根據(jù)所述第三延遲計算不正確延遲值的偏移以及補償；結合所述偏移以及補償，恢復不正確的延遲值。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線自組織網(wǎng)絡與傳感器網(wǎng)絡領域，具體涉及一種大范圍無線傳感網(wǎng)延遲分析方法。該方法包括步驟S1.計算網(wǎng)絡節(jié)點接收包時間與包傳輸時間之差，得到第一延遲；S2.去除第一延遲中因不正確時間戳引起的錯誤，得到第二延遲；S3.去除第二延遲中因時間戳溢出引起的錯誤，得到第三延遲；S4.結合所述第三延遲，恢復不正確的延遲值，得到最終延遲。本發(fā)明的延遲分析方法簡便易行且不依賴于網(wǎng)絡同步，能夠對大范圍無線傳感網(wǎng)的延遲進行分析，且不引起額外的開銷，可以為系統(tǒng)服務質量的提升提供數(shù)據(jù)支持，具有很強的實用性。
文檔編號H04W24/08GK103024799SQ20121058488
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權日2012年12月28日
發(fā)明者王繼良, 曹志超, 董瑋, 劉云浩 申請人:清華大學