CN101562489B

CN101562489B - 一种无线传感器网络时间同步方法

Info

Publication number: CN101562489B
Application number: CN2009100623016A
Authority: CN
Inventors: 葛晓虎; 黄坤; 刘应状
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2009-05-30
Filing date: 2009-05-30
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2029-05-30
Also published as: CN101562489A

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络时间同步方法，仅通过主节点连续发送两个带有同步信息的广播信标，便可对单跳网络内的所有待同步节点进行瞬时逻辑时间修正。同时在任意两个同步操作之间的时间段内，对待同步节点进行了频率漂移补偿，防止了同步误差的自由增长。本发明不需要主节点频繁向节点发送数据进行时间同步操作，扩大了同步周期，使得系统的计算和能量开销再次的大大减少。

Description

一种无线传感器网络时间同步方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种低复杂度的无线传感器网络时间同步方法。

背景技术

无线传感器网络是传感器技术、微机电系统(MEMS)技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和网络通信技术等相结合的新型信息获取和处理技术。它是一种基于数据获取的应用型分布式、高密度、动态链接的无线网络体系，由大规模的分布在不同地理空间位置上，具有一定定位能力、无线通信能力、数据处理能力的传感器节点通过自组织的方式构成。这种传感器网络能够以协作的方式实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测目标的温度、光强度、噪声、压力、运动物体大小、速度和方向等信息，并以自组织无线多跳中继的方式将信息传送到至监控中心，从而实现随时获取目标区域的信息。

时钟同步是无线传感器网络的一项关键支撑技术，传感器数据融合、标记数据采集时间、时分多址接入、传感器协同休眠和定位等均要求网络中所有节点的时间保持同步。无线传感器网络各个节点存在不同步现象主要有以下几个原因：(1)传感器网络中节点的本地时钟依靠自身晶振中断计数实现，而晶振自身制造工艺存在差异，外界温度、电压变化，晶振老化等因素造成晶振工作不稳定和不准确；(2)无线收发延迟存在不确定性；(3)节点初始计时时刻不相同。

时间同步算法主要分为三类：(1)基于接受者和接受者交互的时间同步，代表算法有参考广播同步算法(RBS)，以及自适应参考广播同步算法(Adaptive RBS)等；(2)基于发送者的时间同步机制，代表算法有延迟测量时间同步算法(DMTS)，洪泛时间同步算法(FTSP)等；(3)基于发送者和接受者双向的时间同步机制，代表算法有传感器网络时间同步协议(TPSN)等。

RBS在接受者之间进行同步排除了发送方对同步精度的影响。第三方节点广播若干次同步信令，广播域内各节点利用本地时钟记录信令的到达时刻，然后各接受节点之间交互时间记录，进而两两校准时钟。采用了最小方差线性拟合方法估计了相位差和频率偏差。但需要多次分组交换，计算复杂度高，网络流量开销大，能耗较大。

DMTS算法结合链路层打时间戳和时延估计等技术，消除了发送时延和接入时延的影响，算法简单，通信开销小，不需要信息往返，只需要一个广播分组就可同步单跳广播的所有节点，缺点是同步精度较低。

TPSN算法采用典型的两次消息交换取得一对节点间的时间同步，待同步节点向基准节点发送同步请求包，基准节点回馈包含当前时间的同步包，待同步节点估算时延并校准时钟。TPSN同步精度不会随节点数目和跳数增加而降低，主要针对全局时间同步，但进行一次全局同步有较大的能量消耗，一旦根节点失效，就要重新选择根节点并重新分级和同步阶段的处理，增大了系统开销。此外，TPSN算法没有对时钟的频差进行估计，这使得它需要频繁同步，再一次增大了系统的计算和能量开销。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种无线传感器网络时间同步方法，计算复杂度低，能量开销小。

一种无线传感器网络时间同步方法，按照如下步骤进行：

(1)主节点A向待同步节点B连续发送两次广播信标，广播信标包含同步字节、前导码字节和数据字节，数据字节包含有启动时间戳，启动时间戳是主节点A每次发送广播信标开始时的本地逻辑时间；

(2)当待同步节点B在第二次接收广播信标接束时，对其本地逻辑时间进行瞬时值修正：

C_{B} (t_{r}) = C_{A} (t_{4}) + nτ + \frac{(C_{B} (t_{6}) - C_{B} (t_{5})) \times (C_{A} (t_{4}) - C_{A} (t_{1}))}{(C_{B} (t_{5}) - C_{B} (t_{2}))},

其中，

C_A(t₁)为主节点A第一次发送广播信标时的启动时间戳；

C_B(t₂)为待同步节点B第一次接收广播信标至前导码字节完毕时的本地时间戳；

C_A(t₄)为主节点A第二次发送广播信标时的本地启动时间戳；

C_B(t₅)为待同步节点B第二次接收广播信标至前导码字节完毕时的本地时间戳；

C_B(t₆)为待同步节点B第二次接收广播信标至数据字节完毕时的本地时间戳；

t_r为待同步节点B第二次接收广播信标接束时的理想时刻；

n为第二次发送的广播信标中前导码信息位个数；

τ为单位比特发送时间；

(3)在理想时间段(t_r，t′)内，对待同步节点B的本地逻辑时间进行频率漂移补偿以获得C_B(t)，t∈(t_r，t′)，t′为下一轮同步操作开始时对应的理想时刻，

C_{B} (t) = \frac{M_{B} (t_{r}, t) \times (t - t_{r})}{M_{AB}} + C_{B} (t_{r}),

其中

M_{AB} = \frac{C_{B} (t_{5}) {- C}_{B} (t_{2})}{C_{A} (t_{4}) - C_{A} (t_{1})},

M_B(t_r，t)为待同步节点B在理想时段(t_r，t)内的时间漂移率。

本发明的技术效果体现在：本发明不需要频繁的信息往返和逐点同步，仅需要主节点连续发送两次单向广播分组就可同步单跳网络中的所有节点。同时在任意两个同步操作之间的时间段内，对待同步节点进行了频率漂移补偿，防止了同步周期之间同步误差的自由增长。此外，本发明不需要主节点频繁向节点发送数据进行时间同步操作，扩大了同步周期，使得系统的计算和能量开销大大减少。

附图说明

图1为同步广播信标的消息报结构示意图；

图2为信标传递过程示意图；

图3为第n次同步周期时节点A，B同步过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一部详细的说明。

现假设第K次同步周期开始后，主节点A向网络中所有单跳邻居节点连续发送两个带有同步信息的广播信标，广播信标的同步消息报结构示意图如图1所示，信标的阴影部分表示同步(SYNC)字节，Pream表示前导码和起始字符信息，Data表示数据信息。信标传递过程如附图2所示，流程图如附图3所示。不失一般性，令B为主节点A的所有单跳邻居节点中的任意一个待同步节点。具体步骤如下：

为了避免协议发送时延，接入时延和接收处理时延的影响，采用在链路层打时间戳的技术。在主节点A检测到信道空闲时，即给广播分组加上启动时间戳C_A(t₁)，用来去除发送端的处理延时和物理层的访问延时。

(1)主节点A向网络中所有单跳邻居节点发送一个带有同步信息的广播信标，该同步信息中的data数据段包含时间戳C_A(t₁)。

(2)主节点A通过天线发送完Pream信息时，A点的本地时间可以由发送的Pream信息位个数n和发送每比特需要的时间τ估算得出。待同步节点B接收信标至Pream字节完毕时，记录本地时间戳C_B(t₂)。

(3)当节点B接收Data信息完毕时，记录本地时间戳C_B(t₃)。

(4)到此，节点B即完成接收A的一个信标。重复步骤1-3，节点B再次完成接收A的广播信标的过程(如附图2阴影部分表达式所示)。同理可得到第二次发送信标过程中A节点的启动时间戳C_A(t₄)，B节点接收信标至Pream字节完毕时的时间戳C_B(t₅)，B节点接收Data信息完毕时的时间戳C_B(t₆)。节点B以节点A为参照，忽略节点间距离造成的传输延时，根据本轮同步过程中节点B所获取的时间戳信息，在第二次广播同步信标Data数据段接受完毕时(设此时对应的理想时刻为t_r)，按照公式

C_{B} (t_{r}) = C_{A} (t_{4}) + nτ + \frac{(C_{B} (t_{6}) - C_{B} (t_{5})) \times (C_{A} (t_{4}) - C_{A} (t_{1}))}{(C_{B} (t_{5}) - C_{B} (t_{2}))}

对待同步节点B的本地逻辑时间进行瞬时值修正。

(5)到此，B节点第K轮的同步结束。在第K轮同步结束与第K+1轮同步开始之间的理想时间段内的任意时刻(t∈(t_r，t′))，当需要获取待同步节点B的本地逻辑时间时，可以对节点B的本地逻辑时钟进行频率漂移补偿。

(5-1)计算A，B节点的相关漂移率，它表示A，B节点晶振的频率相对偏差：

M_{AB} ((K - 1) T, KT) = \frac{C_{B} (t_{5}) - C_{B} (t_{2})}{C_{A} (t_{4}) - C_{A} (t_{1})}

其中，T为同步周期。

(5-2)计算节点B的逻辑时间增量CB(Δt_new)，它表示在给定的理想时间段(t_r，t)内，添加了包含A，B节点频率偏差信息的相关漂移率后，进而产生新的逻辑时间增量。

C_{B} ({Δt}_{new}) = \frac{C_{B} (Δ t_{old})}{M_{AB} ((K - 1) T, KT)} = \frac{M_{B} (t_{r}, t) \times (t - t_{r})}{M_{AB} ((K - 1) T, KT)}, (t &Element; (t_{r}, t^{'}))

C_B(Δt_old)＝M_B(t_r，t)×(t-t_r)，(t∈(t_r，t′))M_B(tr，t)为待同步节点B在理想时段(t_r，t)内的时间漂移率，C_B(Δt_old)为待同步节点B未采用频率补偿时仅仅依靠节点本身的时间漂移率M_B(t_r，t)而产生的原有逻辑时间增量。

(5-3)计算待同步节点B在理想时间段(t_r，t′)内的逻辑时间

C_{B} (t) = \frac{M_{B} (t_{r}, t) \times (t - t_{r})}{M_{AB} ((K - 1) T, KT)} + C_{B} (t_{r}), (t &Element; (t_{r}, t^{'}))

步骤(5-3)没有上报待同步节点B直接读取的数值，而是利用相关漂移率中包含的A，B节点频率偏差信息计算B节点的逻辑时间，对上述计算公式作进一步推导。

C_{B} (t) = C_{B} (Δ t_{new}) + C_{B} (t_{r})

= \frac{C_{B} (Δ t_{old})}{M_{AB} ((K - 1) T, KT)} + C_{B} (t_{r}) = \frac{M_{B} (t_{r}, t)}{M_{AB} ((K - 1) T, KT)} (t - t_{r}) + C_{B} (t_{r})

\approx M_{A} (t_{r}, t) \times (t - t_{r}) + C_{A} (t_{r}) = C_{A} (Δt) + C_{A} (t_{r}) = C_{A} (t)

其中M_A(t_r，t)是节点A上由晶振ω_A(t_r，t)产生的对应理想时间的时间漂移率，C_B(Δt_old)为节点B不采用频率补偿时的逻辑时间增量，C_A(Δt)为节点A由ω_A(t_r，t)得到的逻辑时间的增量。从上述推导可以看出，对比那些不考虑节点间晶振频率差异的算法，本发明待同步节点的逻辑时钟依赖本地时钟读取精度的程度降低，同步精度得以提高。在现实环境中，如果节点的晶振频率变化不频繁，则采用本发明的节点之间有可能在较长的时间间隔上也不会产生太大的同步误差。同步周期的扩大意味着不需要像以往频繁地向节点发送数据进行时间同步，网络的数据复杂度大大减少。

由于主节点A发送的是广播信标，将A，B两节点采取的时间同步策略推广到整个网络，如上方法所述，主节点A对所在网络内所有单跳邻居节点都可以进行瞬时逻辑时间修正和频率漂移补偿，类似的执行步骤(1)到(5)，最后可对主节点所在网络内的所有单跳节点进行时间同步。

Claims

1.一种无线传感器网络时间同步方法，按照如下步骤进行：

(2)当待同步节点B在第二次接收广播信标结束时，对其本地逻辑时间进行瞬时值修正：

C_{B} (t_{r}) = C_{A} (t_{4}) + nτ + \frac{(C_{B} (t_{6}) - C_{B} (t_{5})) \times (C_{A} (t_{4}) - C_{A} (t_{1}))}{(C_{B} (t_{5}) - C_{B} (t_{2}))},

其中，

C_A(t₁)为主节点A第一次发送广播信标时的启动时间戳；

C_B(t₂)为待同步节点B第一次接收完广播信标的前导码字节时的本地时间戳；

C_A(t₄)为主节点A第二次发送广播信标时的启动时间戳；

C_B(t₅)为待同步节点B第二次接收完广播信标的前导码字节时的本地时间戳；

C_B(t₆)为待同步节点B第二次接收完广播信标的数据字节时的本地时间戳；

t_r为待同步节点B第二次接收广播信标结束时的理想时刻；

n为第二次发送的广播信标中前导码信息位个数；

τ为单位比特发送时间；

其中

M_B(t_r，t)为待同步节点B在理想时段(t_r，t)内的时间漂移率。