[发明专利]基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法

权利要求书

1.一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：在矿井下根据实际情况与网络结构，布置各网络通信节点与传感器节点：主干通信节点通过时间敏感网络建立线性拓扑结构，无线传感器节点分配在所需的检测环境，通过区域内的sink节点与通信节点相连；

步骤2：初始化全局网络，井下无线传感器网络建立多sink节点非均匀分簇拓扑结构，分为有线区域的主干网络与无线区域的主网络和次网络，主网络包含sink节点与区域选举产生的簇首节点，次网络包含簇首节点与簇中普通节点；

步骤3：主干网络采取时间敏感网络的同步协议算法进行通信节点间周期性精准时间同步，即同步达到每个sink节点处；

步骤4：当主干网络同步后，即每个sink节点实现高精度时间同步，在无线传感器网络的主网络中，sink节点作为区域主时钟采用基于卡尔曼滤波的精确时间同步算法与各从节点进行时间同步；

步骤5：当在主网络中作为从节点的簇首节点间完成一次时间同步后，在次网络中各簇首节点分别作为该网络中的主节点与区域内普通节点进行周期性时间同步，采取单双向混合同步算法；

步骤6：周期性的重复步骤3-5，实现井下网络传感器设备的精确时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法，其特征在于，根据所述的网络节点功能包括：

巷道内的sink节点和WSN节点都能利用UWB定位技术获取自身位置信息；sink节点之间由时间敏感网络协议的有线相连；所有节点有唯一ID，布置以后位置固定不变且发射功率可以调整，可以靠接受信号强度的大小计算两者距离，能获取自身剩余能量；sink节点在可靠传输范围间隔内依次灵活部署，普通节点随机或按需分配部署。

3.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法，其特征在于，根据所述的无线网络拓扑过程具体包括：

1)在长型的主巷道区域内，首先sink节点通过UWB定位技术确定自身位置坐标；

2)其次sink节点通过协商的方式确定各自发射功率，计算两点间连线的垂直平分线交于边界长上的交点到sink节点连线的长度值与节点传输有效半径值比较，确定自身的通信半径可以覆盖区域所有节点，依次协商出各自半径使所有sink节点对巷道网络全覆盖；

3)当主网络中sink确定通信半径后，全局网络节点根据自身相对剩余能量、节点的邻居节点数目和与汇聚节点的距离的关系式值来竞争簇首节点，距离sink距离远，剩佘能量多，邻居节点多的节点竞争成功概率越大；

4)在竞争簇首成功后，普通节点再选择加入距离最近且通信半径更大的簇。

4.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法，其特征在于，根据所述的主干网络时间同步算法具体包括：

1)整个网络时钟初始化，通过最佳主时钟算法比较邻居节点间时钟信息向量表来确定主干网络内的主时钟；

2)通过基于TSN的精准时间同步协议算法使各从节点与主节点实现时间同步。

5.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法，其特征在于，根据所述的主网络时间同步算法具体包括：

1)在WSN主网络中，由sink节点作为区域主时钟周期性发送同步请求到各簇头节点；

2)从时钟经过双向信息交互得到时间戳值计算得出时钟漂移系数与偏差值；

3)得到的值通过卡尔曼滤波算法优化出最终的偏移值进行修正时钟信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法，其特征在于，根据所述的次网络时间同步算法具体包括：

1)当主网络中节点完成同步后，簇首节点启动次网络同步；

2)普通节点根据自身相对剩余能量和与汇聚节点的距离来竞争回应节点；

3)簇首节点与回应节点进行双向交换时间同步，其余节点侦听间接同步；

4)各普通节点计算时间偏差值并补偿时钟。