CN101883420B - 一种无线传感器网络时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络时间同步方法，属于无线传感器网络技术领域。本发明的方法为：1)中心节点以设定的时间间隔向网络广播同步信息，启动同步过程；2)传感器节点收到同步信息后，与该同步信息的来源节点进行时间同步，并在信道空闲时向网络广播自己的同步信息；3)在每一次同步过程结束后，传感器节点采用温特斯法预测自身配置的晶体振荡器在当前周期内的工作频率，并根据预测结果校准自己的逻辑时间，直至下一轮同步过程开始为止。与现有技术相比，本发明可以大幅地延长周期同步的时间间隔，显著地降低同步开销和对无线信道的占用，同时提高了节点之间的同步精度。

Description

一种无线传感器网络时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种时间同步方法，尤其是一种无线传感器网络时间同步方法，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络是由大量传感器节点以自组织方式构成的多跳无线网络系统，其目的是协同地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内被监测对象的信息，并发送给终端用户。无线传感器网络融合了传感技术、嵌入式技术、无线通信技术和智能信息处理等技术，具有规模大、成本低、组网灵活等特点，已经广泛应用于军事、工业、农业和医疗等领域。

时间同步是无线传感器网络重要的支撑技术之一，在无线传感器网络的整个技术体系中发挥着重要的作用。无线传感器网络中的许多功能和服务是与时间紧密相关的，例如多节点协同跟踪、数据处理与融合、基于TDMA的通信协议、节点休眠调度以及声音测距定位等等。无线传感器网络是一个分布式系统，各节点由于硬件特性和工作环境的不同，本地时钟往往会偏离基准时钟，这给时间敏感的上层技术和服务带来了挑战。研究设计有效的时间同步技术对全网结点进行周期性或者即时性的同步，是保证无线传感器网络稳定工作的重要条件。

现有的时间同步协议和算法大多注重于提高同步精度，例如RBS(Reference BroadcastSynchronization)协议和TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)协议在伯克利节点平台上(Berkeley Motes)的单跳平均同步误差分别为29.13μs和16.9μs，FTPS(Flooding TimeSynchronization Protocol)协议在Mica2平台上甚至达到了微秒级的同步精度。这些协议虽然在同步精度方面具有很好的性能，但需要频繁地执行同步协议来保持同步精度，因此在实际系统中的性能并不理想。频繁地执行时间同步算法不仅大量消耗节点有限的能量，而且还会挤占网络的信道资源，影响传感器网络的正常工作。因此，在满足一定精度需求的前提下降低同步算法的执行频率，对于传感器网络的节能和带宽资源的有效利用都具有重要意义。

传感器节点的计时装置中通常包含一个晶体振荡器和一个计数寄存器，晶体振荡器每输出一个振荡脉冲，计数寄存器的计数值就增加1。读取计数寄存器的值并经过一定的换算处理，就能得到节点的本地时间，通常将该时间称为硬件时间。由于计时装置中晶振的实际工作频率与标称频率存在偏差，节点的硬件时间通常会偏离标准时间，因此需要对硬件时间进行必要的修正，经过修正后的时间称为逻辑时间。普通晶振的精度约为40ppm左右，即最坏情况下每秒可产生40μs的计时偏差，更为严重的是，晶振的频率会因为环境温度、供电电压、空气压力以及晶体老化等因素的影响而动态变化。尽管一些硬件技术(例如温度补偿晶体振荡器)可以解决晶振的频率偏斜问题，但它们并不适合资源和成本受限的传感器网络。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于预测校准的无线传感器网络长周期时间同步方法(A Self-calibration based Long-interval Time Synchronization)，简称SLTS。本发明通过非硬件的方式，即根据晶振的频率特性来校准节点的逻辑时间，使节点的计时偏差在较长时间内限定在误差允许范围内，达到降低同步算法的执行频率。

本发明的技术方案为：

一种无线传感器网络时间同步方法，其步骤为：

1)中心节点以设定的时间间隔向网络广播同步信息，启动同步过程；所述同步信息包括前导码、预告消息和同步报文；

2)传感器节点收到同步信息后，与该同步信息的来源节点进行时间同步，并在信道空闲时向网络广播自己的同步信息；

3)在每一次同步过程结束后，传感器节点采用温特斯法预测自身配置的晶体振荡器在当前周期内的工作频率，并根据预测结果校准自己的逻辑时间，直至下一轮同步过程开始为止。

进一步的，所述同步报文包含前导码的发送时间、周期同步的时间间隔、本次周期同步的启动时间、同步报文的序列号、发送节点的节点编号以及该同步报文的时间级别等信息。

进一步的，所述同步信息的发送方法为：

1)发送节点依次向网络发送前导码、预告消息，并记录发送前导码的时间t₁；然后将t₁写入同步报文中发送给接收节点；

2)接收节点接收完前导码时记录本地时间t₂，然后继续接收预告消息和同步报文；

3)接收节点从收到的同步报文中提取时间t₁，并在t₃时刻将自身的逻辑时间修正为t′₃＝t₃-(t₂-t₁-nτ)；

其中，n为前导码包含的比特位数、τ为发送每个比特位需要的时间；预告消息包括发送节点的序列号、发送节点的节点编号。

进一步的，接收节点收到预告消息后，在设定的时间长度内保持接收状态。

进一步的，接收节点接收到的同步报文后，检查同步报文中的节点编号和序列号与预告消息中的节点编号和序列号是否对应一致；如果一致，则接收节点根据同步信息修正自己的逻辑时间；否则丢弃收到的同步信息，继续侦听接收同步信息。

进一步的，当一个节点收到多个发送节点的同步信息时，该节点选择时间级别低的同步信息修正自己的逻辑时间。

进一步的，传感器节点在首轮同步后，设置一个与所述同步信息中的周期同步时间间隔相等的定时器。

进一步的，如果定时器到时，则节点开始检测信道中的前导码和预告消息；否则节点继续采用温特斯法预测自身配置的晶体振荡器在当前周期内的实际工作频率，并根据预测结果校准自己的逻辑时间。

本发明基于预测校准的无线传感器网络时间同步方法采用周期同步和预测校准相结合的方式来对全网节点进行同步。该方法的周期同步采用预告消息机制来实现，而预测校准则是在周期同步的间歇期间，各节点根据晶体振荡器的频率特性来修正自己的逻辑时间，尽可能与标准时间保持一致，从而延长周期同步的时间间隔。

基于预测校准的无线传感器网络长周期时间同步方法包括以下两个主要步骤：

1)周期同步的间隔时间到时后，Sink节点将自己的时间级别设置为0级，然后向网络广播自己当前的时间信息，启动全网同步过程；传感器节点接收到时间级别为l级的同步信息后，首先与同步信息的来源节点实现同步，然后将自己的时间级别设置为l+1级，在检测到信道空时向网络广播自己的同步信息对其它节点进行同步。依此类推，直至全网节点都实现同步为止(见图2)。

2)周期同步结束后，传感器节点采用温特斯法来预测自身配置的晶体振荡器在当前周期内的实际工作频率，并根据预测结果来校准自己的逻辑时间，尽可能与标准时间保持一致，直至下一轮周期同步开始为止。

周期同步过程中，节点之间的同步采用预告消息机制来实现，如图3所示：发送节点获得信道使用权后向接收节点发送前导码和预告消息(Notice Message)，并记录下发送前导码的开始时间t₁；接收节点接收完前导码时记录本地时间t₂，然后继续接收预告消息；发送节点稍后将前导码的开始时间t₁写入同步报文(Sync Message)中发送给接收节点；接收节点对收到的同步报文进行解码，提取里面的时间t₁，处理完同步报文后，在t₃时刻将自身的逻辑时间修正为t′₃＝t₃-(t₂-t₁-nτ)(n为前导码包含的比特位数，τ为发送每个比特位需要的时间，两者均为系统预先设定好的确定值，t₃为处理完同步报文后的某个时刻)。

前导码是一段固定长度的0、1交错比特流，在尾端附有帧首定界符，标志正式数据的开始。预告消息和同步报文的格式见图4和图5，其中SEQ表示报文的序列号，Time level表示发送节点的时间级别，Sending time表示发送节点开始发送前导码的时间，Starting time表示本轮周期同步的启动时间，Sync time表示周期同步的间隔时间。

前导码的作用是使接收节点做好接收数据的准备；预告消息的作用是宣告发送节点的身份信息，并使周围节点在稍后的一定时间内保持接收状态，避免不必要的信道竞争，保证发送节点以较高的优先级再次获得信道使用权；同步报文的作用则是将周期同步的具体参数和一些重要的时间信息传送给接收节点，使之能够根据这些信息校准自己的逻辑时间，并在后续时刻生成自己的同步报文对其它节点进行同步。

节点校准自身的逻辑时间首先需要获取当前时刻晶振的实际工作频率。由于节点本身不具备实时探测晶振频率的能力，本发明根据晶振的频率特性，采用温特斯法来预测晶振的当前工作频率。温特斯法是针对具有长期趋势、周期性变动和不规则波动的时间序列，把因素分析与指数平滑法结合起来的预测方法。传感器节点的晶振频率具备温特斯法所要求的三个特征，即长期趋势、周期性变动和不规则波动，因此在获得晶振频率历史数据的前提下，可以利用温特斯法来预测节点当前以及后续时刻的晶振频率。温特斯法运用3个平滑方程式，分别对节点晶振频率的长期趋势S、趋势增量b和周期变动F作指数平滑，然后把3个平滑结果用一个预测公式结合起来，进行外推预测。温特斯法的3个平滑方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_k=a\frac{f_k}{F_{k-n}}+(1-\mathrm{\α})(S_{k-1}+b_{k-1})\\ b_k=\mathrm{\β}(S_k-S_{k-1})+(1-\mathrm{\β})b_{k-1}\\ F_k=\mathrm{\γ}\frac{f_k}{S_k}+(1-\mathrm{\γ})F_{k-n}\end{array}\right.---(1-1)$

其中n表示将一天时间划分为n个时段(一天时间内执行n次周期同步)；f_k表示节点在第k个时段的平均晶振频率；α、β和γ为指数平滑系数，取值在0～1之间。式(1-1)中第一个方程的意义是消除晶振频率的不规则波动和周期性变动，反映长期趋势；第二个方程是对晶振频率变化的趋势增量作指数平滑；第三个方程的意义是消除晶振频率变化的长期趋势和不规则波动，反映晶振频率的周期性变动。

采用温特斯法对节点晶振频率进行预测，需要获取节点前一段时期晶振频率的历史数据。本发明采用如下方法获取晶振频率的历史数据：各传感器节点记录Sink节点启动各次周期同步的标准时间T₀，T₁，…，T_k，以及该节点实现同步时的硬件时间H_i(t₀)，H_i(t₁)，…，H_i(t_k)和逻辑时间L_i(t₀)，L_i(t₁)，…，L_i(t_k)，其中t₀，t₁，…，t_k为节点实现同步时的标准时间，那么节点在时间段[T₀，T₁]，[T₁，T₂]，…，[T_k-1，T_k]内的平均晶振频率可以近似表示为：

$f_j\≈\frac{H_i\left(t_j\right)-H_i\left(t_{j-1}\right)}{L_i\left(t_j\right)-L_i\left(t_{j-1}\right)}{f}_0,(j=\mathrm{1,2},\·\·\·,k)---(1-2)$

其中f₀表示晶振的标称频率，f_j表示晶振在第j个时段的平均频率。

获得2天时间内2n个时段的晶振频率数据{f₁，f₂，…，f_2n}后，可以利用式(1-1)计算出各个时段的S、F和b，进而按照温特斯法的预测公式计算当前时段的晶振频率再根据晶振频率的预测结果来校准节点的逻辑时间。具体步骤如下：

1)选定指数平滑系数α、β和γ的初值；

2)计算长期趋势、趋势增量和周期变动的初始值，计算公式分别为：S_n+1＝f_n+1，(其中j＝1，2，…，n+1，

)以及

3)使用递推公式计算其它时段的S_n+i、F_n+i和b_n+i(2≤i≤2n)；

4)使用预测公式

对节点后续时段的晶振频率进行预测(k＝2n，1≤m≤n)；

5)计算当前时刻的逻辑时间，公式为以此结果对节点时间进行校准。(其中H_i(t_k)和L_i(t_k)分别表示节点在t_k时刻实现同步时的硬件时间和逻辑时间，H_i(t)表示节点当前时刻的硬件时间)。

和现有技术相比，本发明的优势在于：

1、周期同步过程采用一种预告消息机制来实现，消除了报文发送过程中的硬件延迟误差，提高了节点对之间的同步精度。该机制的实现不要求传感器节点配置高性能的处理芯片，具有很好的通用性。

2、周期同步的间歇期间，传感器节点采用温特斯法来预测晶振的实际频率，并根据预测结果来修正自己的逻辑时间，可以大幅地延长周期同步的时间间隔，显著地降低同步开销和对无线信道的占用。

3、本发明提供的同步方法不需要传感器网络增加额外的硬件，能够方便地应用到各类无线传感器网络系统中。

附图说明

图1：时间同步方法的流程图；

图2：全网同步过程示意图；

图3：节点对之间的同步过程；

图4：预告消息的格式；

图5：同步报文的格式；

图6：实验的网络拓扑。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明进行详细的描述。

本实施例提供一个采用本发明方法的无线传感器网络时间同步实例。

在本实施例中，传感器节点选用克尔斯博公司生产的Mica2系列节点。Mica2节点的通信频率为868/916MHz，数据传输率38.4Kbps，室外通信距离约为150m，其配置的晶振标称频率为7.37MHz，经过1/8分频后得到921KHz的时钟频率。实施例中将20个Mica2节点部署在露天环境下，形成20跳的线性网络。

参照图1，本实施例的具体过程如下：

1)Sink节点以固定的时间间隔启动周期同步过程，向网络广播自己的时间信息和周期同步的时间间隔、启动时间以及序列号、节点编号、时间级别等参数信息；

2)传感器节点在首轮周期同步过后，设置一个与周期同步间隔时间相等的定时器。如果定时器到时，则节点进入新一轮周期同步状态，开始检测信道中的前导码和预告消息；否则继续采用温特斯法来预测校准逻辑时间；

3)传感器节点接收到的同步报文后，检查同步报文和预告消息中的节点编号和序列号是否一致。如果一致，则节点根据同步报文中嵌入的前导码的发送时间信息修正自己的逻辑时间；否则丢弃收到的同步报文，继续侦听接收同步报文；时间级别的作用是记录同步的跳数，由于传感器网络中，时间同步是逐跳进行的，随着跳数的增加，累积误差也就越来越大，当一个节点收到多个邻居节点发送的同步报文时，尽可能选择时间级别低的同步报文来修正自己的逻辑时间，从而降低同步误差。

4)传感器节点实现同步后，调整自己的时间级别，并在网络信道空闲时广播自己的时间信息对其它节点进行同步。

Claims (8)

1.一种无线传感器网络时间同步方法，其步骤为：

1)中心节点以设定的时间间隔向网络广播同步信息，启动同步过程；所述同步信息包含前导码、预告消息和同步报文；

2)传感器节点收到同步信息后，与该同步信息的来源节点进行时间同步，并在信道空闲时向网络广播自己的同步信息；

3)在每一次同步过程结束后，传感器节点采用温特斯法预测自身配置的晶体振荡器在当前周期内的工作频率，并根据预测结果校准自己的逻辑时间，直至下一轮同步过程开始为止；

其中，所述同步信息的发送方法为：

21)发送节点依次向网络发送前导码、预告消息，并记录发送前导码的时间t₁；然后将t₁写入同步报文中发送给接收节点；

22)接收节点接收完前导码时记录本地时间t₂，然后继续接收预告消息和同步报文；

23)接收节点从收到的同步报文中提取时间t₁，并在t₃时刻将自身的逻辑时间修正为t′₃＝t₃-(t₂-t₁-nτ)；

n为前导码包含的比特位数、τ为发送每个比特位需要的时间、t₃为处理完同步报文后的某个时刻；预告消息包括发送节点的序列号、发送节点的节点编号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述同步报文包括前导码的发送时间、周期同步的时间间隔、本次周期同步的启动时间、同步报文的序列号、发送节点的节点编号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述同步信息还包括发送节点的时间级别，所述时间级别用于记录同步的跳数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于当一个节点收到多个发送节点的同步信息时，该节点选择时间级别低的同步信息修正自己的逻辑时间。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于接收节点收到预告消息后，在设定的时间长度内保持接收状态。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于接收节点接收到同步报文后，检查同步报文中的节点编号和序列号与预告消息中的节点编号和序列号是否对应一致；如果一致，则接收节点根据同步信息修正自己的逻辑时间；否则丢弃收到的同步信息，继续侦听接收同步信息。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于传感器节点在首轮同步后，设置一个与所述同步信息中的周期同步时间间隔相等的定时器。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于如果定时器到时，则节点开始检测信道中的前导码和预告消息；否则节点继续采用温特斯法预测自身配置的晶体振荡器在当前周期内的实际工作频率，并根据预测结果校准自己的逻辑时间。

Images