CN101917761B - 一种无线网络中移动传感陌生节点入网的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线网络中移动传感陌生节点入网的时间同步方法，属于无线传感网通信技术领域。当移动传感陌生节点进入Zigbee网络的覆盖区域时，与最近的节点交互2个初始信息，若交互成功，根据时间同步置信度进行判断，将当前时间并发送至2个节点并向Zigbee网络广播，或比较陌生节点与2个节点之间的时间差，根据时间差比较结果，重新设置陌生节点中的当前时间，或继续交互初始信息。以所有当前时间平均值作为基准时间，并对陌生节点的同步帧重新设置，对Zigbee网络的所有节点时钟进行时间同步。本发明方法顺应了Zigbee网络的技术特点，解决了无线传感网时间同步静态配置不能适应网络高动态的问题。

Description

一种无线网络中移动传感陌生节点入网的时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络中移动传感陌生节点入网的时间同步方法，尤其涉及一种无线网络中移动传感陌生节点融入Zigbee网络的时间同步方法，属于无线传感网通信技术领域。

背景技术

无线传感网技术是一门涉及计算机、微电子、传感器、网络、通信和信号处理等诸多领域的交叉学科。作为无线传感网络的基础构件之一，时间同步服务不仅是无线传感网络各种应用正常运行的必要条件，并且同步精度直接决定了其他服务的质量。

在集中式系统中，由于任何进程或模块都可以从系统唯一的全局时钟中获取时间，因此系统内任何两个事件都有着明确的先后关系。而在分布式系统中，由于物理上的分散性布局，系统无法为彼此间相互独立的模块提供一个统一的时钟，而由各个进程或模块各自维护它们的本地时钟。由于这些本地时钟的计时速率、运行环境存在不一致性，因此即使所有的本地时钟在某一个时刻都被校准，一段时间后，这些本地时钟也会出现失步。为了让这些本地时钟再次达到相同的时间值，必须进行时间同步操作。无线传感网是典型的分布式系统，在该系统内部的各个传感节点之间就需要时间同步操作。

泛在网络的实现，采用一两种无线技术是不可能办到的。它需要将包括WLAN(WiFi)、WMAN(WiMAX)、GSM/CDMA、GPRS、3G、WPAN(Bluetooth、Zigbee、UWB)等在内的不同领域的通信技术相互组合和补充，构建一个多种无线通信和接入模式的架构，能有效地在任何时间连接至任何用户设备。近年来，无线传感网的各种标准竞相发展，其中最具活力和应用前途的是低功耗近距离无线组网通信的Zigbee技术。在相对于UTC的传统时间同步方法中，GPS同步精度可达100ns，用于NTP协议的Internet同步精度在微秒级，而无线传感网络时间同步精度往往在秒级。

基于Zigbee技术的无线传感网各个节点之间相互独立并以无线通信的方式通信，每个节点维护一个计时器，计时信号一般由价廉的晶振提供。由于晶振制造工艺的差别，加上在长时间运行中受到电压、温度以及晶体老化等多种偶然因素的影响，每个晶振的频率很难保持一致，进而导致无线传感网络中节点的计时速率总有偏差，造成了网络节点时间的失步。在无线传感网络中，时间同步不仅是网络各种应用正常运行的必要条件，而且同步精度直接决定其它服务的质量。目前，无线传感网的时间同步主要有3个研究方向：(1)如何设计时间同步协议，使得时间同步精度尽可能高；(2)如何设计满足应用需求的低功耗的时间同步协议，以尽可能地延长网络生命期；(3)如何设计可扩展性强的时间同步协议或算法，以适应不断扩大的网络规模和由此带来的动态性增强。

发明目的

本发明的目的在于提出一种无线传感网络中移动传感陌生节点入网的时间同步方法，针对已有技术中的动态移动传感陌生节点融入既有Zigbee传感网而提出，通过移动传感陌生节点主动接入来提高Zigbee网络的规模扩展和增加网络服务能力，确保移动传感陌生节点和既有Zigbee网络保持一定精度的时间同步，在通信之前完成时间同步处理，以实现通信和数据融合。

本发明提出的无线网络中移动传感陌生节点入网的时间同步方法，包括以下步骤：

(1)当移动传感陌生节点进入Zigbee网络的覆盖区域时，移动传感陌生节点在每个时间周期内与Zigbee网络中最近的节点交互2个初始信息，若2个初始信息交互不成功，则处于就绪状态，若2个初始信息交互成功，则移动传感陌生节点进入时间同步置信度估计；

(2)当移动传感陌生节点时间同步置信度大于90％时，对移动传感陌生节点同步头中的同步帧进行检查，得到移动传感陌生节点的当前时间，并将该当前时间发送至初始信息交互成功的网络节点中的2个节点；该2个网络节点将当前时间发送至Zigbee网络中的簇节点，簇节点将接收的当前时间向Zigbee网络广播；

(3)当移动传感陌生节点时间同步的置信度小于90％时，将移动传感陌生节点与初始信息交互成功的网络节点中的2个节点之间的时间差分别记录为ΔT1、ΔT2，若|ΔT1-ΔT2|＜θ，则使移动传感陌生节点的时钟与Zigbee网络同步，并重新设置移动传感陌生节点中的当前时间，其中θ为设定的容许时间误差；若|ΔT1-ΔT2|＞θ，则移动传感陌生节点在Zigbee网络覆盖范围内继续交互初始信息，直至初始信息交互成功的节点数大于或等于3；以所有初始信息交互成功的节点的当前时间的平均值作为时间同步的基准时间T0，并对移动传感陌生节点的同步帧进行重新设置，移动传感陌生节点对Zigbee网络的所有节点时钟进行时间同步；

(4)重复步骤(1)、(2)和(3)，实现Zigbee网络全网时间同步。

本发明提出的无线网络中移动传感陌生节点入网的时间同步方法，其特点和优点如下：

(1)Zigbee无线传感网络在系统内部的时间同步协议随着网络规模的扩大而出现同步精度劣化现象。在网络中的节点移动、故障以及外界环境的恶化等多种因素都会导致同步误差的提高。而本发明提出的时间同步方法正是针对动态节点(尤其是Zigbee网络外的移动陌生节点)的动态接入新方法，确保Zigbee网络覆盖区域的时间同步。

(2)由于无线传感网络的低功耗和低成本需求，迫使设计时间同步时的软硬件也必须遵循此原则。同时，Zigbee无线传感网络和基于Zigbee技术的移动传感陌生节点在时间同步协议上是通用的。在增大时间同步操作的频率就会直接导致同步功耗的增加，因此这个技术路线往往显得不实用。尤其是移动传感陌生节点的进入，在不做任何设置的前提下直接融入既有的Zigbee网络进行数据融合，本发明方法顺应了Zigbee网络的技术特点，也为节点扩展提供更大的空间。

(3)本发明方法对Zigbee无线传感网络而言，允许了移动传感陌生节点的动态接入，使网络得以规模扩展和数据融合；对移动传感陌生节点而言，只要复合Zigbee技术构架的动态节点，在既有网络覆盖区域内都能进行时间同步，为后续通信作了必要保障。本发明方法可彻底解决无线传感网时间同步静态配置不能适应网络高动态的问题。

(4)本发明方法所对应的移动传感陌生节点是基于Zigbee技术的，既有Zigbee无线传感网络也是一个开放性系统。该方法只需对移动传感陌生节点做新算法设计而无需设置或调整既有的Zigbee网络，即该发明方法具有实用价值和推广意义。

附图说明：

图1是本发明方法中移动传感陌生节点进入Zigbee无线传感网络覆盖范围的示意图。

图2本发明提出的时间同步方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的无线网络中移动传感陌生节点入网的时间同步方法，其流程框图如图2所示，包括以下步骤：

(1)当移动传感陌生节点进入Zigbee网络的覆盖区域时，移动传感陌生节点在每个时间周期内与Zigbee网络中最近的节点交互2个初始信息，若2个初始信息交互不成功，则处于就绪状态，若2个初始信息交互成功，则移动传感陌生节点进入时间同步置信度估计；

其中，初始信息是指同步头(SHR)包含帧引导序列和帧开始定界符(SFD)。由于Zigbee无线传感网络中所有的发送模式，同步头是首先发送的，而且帧引导序列是同步头中第一组4个0X00字节。

图1是本发明所述的移动传感陌生节点进入Zigbee无线传感网络覆盖范围的示意图。结合本发明，Y是移动传感陌生节点，节点n1、n2、...、n5和簇节点B构成一个Zigbee无线传感网络的覆盖范围。随着Y移动的位置变化，会与Zigbee无线传感网络覆盖范围内就近的节点发生初始信息的交互，与网络节点交互的数量至少为1个，当大于等于2个时，Y与网络进入时间同步处理过程。

(2)当移动传感陌生节点时间同步置信度大于90％时，对移动传感陌生节点同步头中的同步帧进行检查，得到移动传感陌生节点的当前时间，并将该当前时间发送至初始信息交互成功的网络节点中的2个节点；该2个网络节点将当前时间发送至Zigbee网络中的簇节点，簇节点将接收的当前时间向Zigbee网络广播；

其中，移动传感陌生节点自身时间同步的置信度取决于其软硬件系统，系统中具有例如GPS接收机或高精度时钟作为同步时间源。Zigbee无线传感网络中的接收节点是通过接收零符号并且搜寻由SYNCWORD定义的SFD序列来实现同步的，SYNCWORD的帧引导序列的长度和SFD是可以自由配置，在SYNCWORD检查时配置UTC时间并且时间精度为1毫秒。

(3)当移动传感陌生节点时间同步的置信度小于90％时，将移动传感陌生节点与初始信息交互成功的网络节点中的2个节点之间的时间差分别记录为ΔT1、ΔT2，若|ΔT1-ΔT2|＜θ，则使移动传感陌生节点的时钟与Zigbee网络同步，并重新设置移动传感陌生节点中的当前时间，其中θ为设定的容许时间误差，如1微秒；若|ΔT1-ΔT2|＞θ，则移动传感陌生节点在Zigbee网络覆盖范围内继续交互初始信息，直至初始信息交互成功的节点数大于或等于3；以所有初始信息交互成功的节点的当前时间的平均值作为时间同步的基准时间TO，并对移动传感陌生节点的同步帧进行重新设置，移动传感陌生节点对Zigbee网络的所有节点时钟进行时间同步；

(4)重复步骤(1)、(2)和(3)，实现Zigbee网络全网时间同步。

本发明的一个实施例中，移动传感陌生节点和基于Zigbee技术的无线传感网络节点均可以采用Ember公司生产的EM2420模块、AeroComm公司生产的ZB2430模块。

Claims (1)

1.一种无线网络中移动传感陌生节点入网的时间同步方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)当移动传感陌生节点进入Zigbee网络的覆盖区域时，移动传感陌生节点在每个时间周期内与Zigbee网络中最近的节点交互2个初始信息，初始信息是指同步头包含帧引导序列和帧开始定界符，若2个初始信息交互不成功，则处于就绪状态，若2个初始信息交互成功，则移动传感陌生节点进入时间同步置信度估计；

(2)当移动传感陌生节点时间同步置信度大于90％时，对移动传感陌生节点同步头中的同步帧进行检查，得到移动传感陌生节点的当前时间，并将该当前时间发送至初始信息交互成功的网络节点中的2个节点；该2个网络节点将当前时间发送至Zigbee网络中的簇节点，簇节点将接收的当前时间向Zigbee网络广播；

(3)当移动传感陌生节点时间同步的置信度小于90％时，将移动传感陌生节点与初始信息交互成功的网络节点中的2个节点之间的时间差分别记录为ΔT1、ΔT2，若|ΔT1-ΔT2|＜θ，则使移动传感陌生节点的时钟与Zigbee网络同步，并重新设置移动传感陌生节点中的当前时间，其中θ为设定的容许时间误差；若|ΔT1-ΔT2|＞θ，则移动传感陌生节点在Zigbee网络覆盖范围内继续交互初始信息，直至初始信息交互成功的节点数大于或等于3；以所有初始信息交互成功的节点的当前时间的平均值作为时间同步的基准时间TO，并对移动传感陌生节点的同步帧进行重新设置，移动传感陌生节点对Zigbee网络的所有节点时钟进行时间同步；

(4)重复步骤(1)、(2)和(3)，实现Zigbee网络全网时间同步。

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