CN101982959A

CN101982959A - 网络的按需时间同步方法

Info

Publication number: CN101982959A
Application number: CN 201010557701
Authority: CN
Inventors: 李龙江; 毛玉明; 冷甦鹏
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: CN101982959B

Abstract

本发明涉及网络的按需时间同步方法，包括如下步骤：步骤1.按需计算本地节点与邻居节点时钟差异：每个本地节点维护独立的本地时钟步进节奏，仅当与邻居节点间没有同步且存在通信时，才需要计算与该邻居节点之间的时钟差异；步骤2.本地节点与邻居节点之间的时钟同步。本发明的有益效果是：本发明的方法能适应不同网络拓扑架构和动态性差异，实现复杂度低，完全分布式计算，通信开销少。

Description

网络的按需时间同步方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及网络的时间同步方法。

背景技术

时间同步，即时钟同步，指网络中各个节点的时间指示能够相互步调和间隔一致。无论集中式网络，还是分布式网络，都存在时间同步问题，且大部分网络应用要求与参考时钟(又称世界标准时间UTC，UTC时间，Coordinated Universal Time)同步。只有实现了网络时间同步，才能支持时间相关的业务。比如，在传感器网络中，对发生的事件要求有精确的时间记录。网络计费系统也依赖时间同步，且通常要求时间误差不超过1秒。而且，为同步系统设计应用程序的算法通常要比为异步系统设计算法容易，因而通信中时间同步极其重要。人们已经提出了许多同步算法，但大都对拓扑、动态性有较多限制，且不能适应大规模的网络。

现有技术中，2006年IEEE国际会议公开了一篇论文“一种适用于多跳无线网络的新的分布式时间同步方法”，英文信息为“R.Solis，V.S.Borkar，and P.R.Kumar.A New Distributed Time Synchronization Protocol for Multihop Wireless Networks.Proc.45th IEEE Conference on Decision and Control，2006，pp.2734-2739”，该方法能以分布式方式在多跳无线网络中以参考节点为起点由近及远实现全局时间同步。比如，在图1所示的网络同步场景中，虚线代表同步路径，实线代表通信路径，节点S是时间参考节点，节点A发送报文到节点D，且节点D需要知道节点A发送该报文的时刻，也就是说节点D要与节点A实现同步。该方法通过使每个节点都与时间参考节点保持同步，从而实现节点A与节点D之间的同步。该方法要求每个节点周期地广播携带本节点时间标签的报文，除了时间参考节点外的每个节点根据自己收到的报文信息对邻居节点之间的时钟差异进行平均，并按平均值调整自己的时钟；随着不断调整，邻居节点间时钟差异越来越小，因为参考时间节点的时钟不变，最终所有节点都将与节点S实现同步。该方法要求网络的持续连通性，无论是节点A与节点D的同步是否依赖全局时间，节点之间都会周期性地持续进行时间同步，因而在网络规模变大、节点增多时，同步延迟急剧变大，且通信开销快速增长变大。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中时间同步方法通信开销大的缺点，提出了网络的按需时间同步方法。

为了实现发明目的，本发明的技术方案是：网络的按需时间同步方法，包括如下步骤：

步骤1.按需计算本地节点与邻居节点时钟差异：每个本地节点i维护独立的本地时钟步进节奏，仅当与邻居节点j间没有同步且存在通信时，才需要计算与该邻居节点之间的时钟差异D_ij。

步骤2.本地节点与邻居节点之间的时钟同步：每个本地节点i用一个列表结构记录其与邻居节点j的时钟差异，称为同步列表，每个本地节点i发送报文时，总是用本地时钟时间T_i，而接收报文时则将相应报文对应的邻居节点j的时钟时间T_j转换为本地节点的时钟时间，本地节点的时钟时间T_i加上它与邻居节点的时钟差异D_ij，即可得到邻居节点j的时钟时间T_j，从而实现本地节点i与邻居节点j之间的时间同步。

上述步骤1中本地节点i与邻居节点j之间的时钟差异D_ij是根据过去的多次测试值对未来值进行预测得到，具体方法为：假定采用过去的两次时钟差异测试值进行预测，两次时钟差异测试值分别为<t₁，D₁>，<t₂，D₂>，即t₁时刻测试值为D₁，t₂时刻测试值为D₂，在t₁与t₂之间，只能假设时钟差异没有变化，t₂之后，则采用线性预测，也即，从得到t₁时刻后的任意时刻t的时钟差异测试值D_t为：

D_{t} = \{\begin{matrix} D_{1} & t_{1} \leq t < t_{2} \\ D_{2} + \frac{D_{2} - D_{1}}{t_{2} - t_{1}} (t - t_{2}) & t_{2} \leq t \end{matrix};

上述步骤2中本地节点i的同步列表的每项元素为三元组(A_j，D_ij)，其中A_j为邻居节点j的标识，该标识在邻居范围内是唯一的，D_ij为本地节点i与邻居节点j的相邻时钟差异，即为步骤1中的时钟差异测试值D_t，本地节点i对应的本地时钟时间为T_i，邻居节点j对应的本地时钟时间为T_j，本地节点i和邻居节点j对应的本地时钟时间为T_i和T_j存在如下同步关系：

T_{i} = T_{j} - D_{ij} + (\frac{a_{i}}{a_{j}} - 1) (t_{j} - T_{j});

式中t_j为邻居节点j对应的任意时刻，a_i和a_j为两节点时钟频率漂移参数，当本地节点i与邻居节点j的时钟频率一致时，则它们的时钟频率漂移参数也相等，则本地节点i和邻居节点j对应的本地时钟时间为T_i和T_j的同步关系可以简化为：T_i＝T_j-D_ij。

上述方法还包括步骤3.查询节点与参考节点的参考时钟时间同步：当需要与参考节点的参考时钟时间(即UTC时间)同步时，网络中必须存在可达的参考节点；网络中所有节点，包括参考节点都采用步骤1和步骤2中的机制进行同步和通信；由于通信中都采用的是节点本地时钟时间，当查询节点需要与参考时钟同步时，则只需将包含本地时间标签的查询节点的报文发送到参考节点，由于时间参考节点的本地时钟时间即为参考时钟时间，因而能够计算出报文对应的参考时钟时间，通过将参考时钟时间作为数据发送给查询节点，即可得到查询节点对应的参考时钟时间，完成查询节点与参考节点的参考时钟时间同步。

本发明的有益效果是：在本发明中，每个节点采用本地时钟时间参与通信，网络节点间采用完全分布式进行同步，而且只有参与通信的节点需要进行同步，同步过程中，不依赖时间参考节点的存在，本地节点i与邻居节点j之间的时钟差异D_ij是根据过去的多次测试值对未来值进行预测得到，因此，本发明的方法能适应不同网络拓扑架构和动态性差异，实现复杂度低，完全分布式计算，通信开销少。

附图说明

图1是一个简单的多跳网络同步场景示意图。

图2是本发明实施例1所述的分布式网络的同步过程示意图。

图3是本发明实施例2所述的复杂动态网络的同步过程示意图。

具体实施方式

本发明中，在一个具有不同网络拓扑和动态的多跳网络中，如无线传感器网络或多跳无线局域网络，将任意两个节点中的一个作为本地节点i，另一个作为邻居节点j，本地节点i和邻居节点j网络的按需时间同步方法，包括如下步骤：

步骤1.按需计算本地节点i与邻居节点j时钟差异：每个本地节点i维护独立的本地时钟步进节奏，仅当与邻居节点j间没有同步且存在通信时，才需要计算与该邻居节点j之间的时钟差异。比如，在图1所示的网络同步场景中，节点S是时间参考节点，节点A发送报文到节点D，且节点D需要知道节点A发送该报文的时刻，也就是说节点D要与节点A实现同步。如果节点D要知道的是相对节点S的全局时间，可以按照下述步骤3实现。如果节点D要知道的只是相对自身时钟的时间，则节点D直接通过节点C与节点A进行同步即可，同步过程不需要时间参考节点S参与。同步过程是：首先节点C与节点A实现同步，接着节点D与节点C实现同步，从而按照同步的传递性，节点D就实现了与节点A的同步。节点C与节点A的同步过程是：当节点C收到来自节点A的报文时，如果节点C不曾与节点A进行过同步，或节点C与节点A的上次同步时刻已超过时间L(L是系统常数，可根据所采用的时钟精度和要求预先设置或调整)，则按照下述步骤2实现节点C与节点A的同步；节点D采用同样或类似方式实现与节点C的同步。

上述步骤1中本地节点i与邻居节点j之间的时钟差异D_ij是是根据过去的多次(包括两次)测试值对未来值进行预测得到，具体方法为：假定采用过去的两次时钟差异测试值进行预测，两次时钟差异测试值分别为<t₁，D₁>，<t₂，D₂>，即t₁时刻测试值为D₁，t₂时刻测试值为D₂，在t₁与t₂之间，只能假设时钟差异没有变化，t₂之后，则采用线性预测，也即，从得到t₁时刻后的任意时刻t的时钟差异测试值D_t为：

D_{t} = \{\begin{matrix} D_{1} & t_{1} \leq t < t_{2} \\ D_{2} + \frac{D_{2} - D_{1}}{t_{2} - t_{1}} (t - t_{2}) & t_{2} \leq t \end{matrix};

假定本地节点i与邻居节点j的时钟时间频率保持不变，则本地节点i与邻居节点j的时钟差异D_ij的变化是线性的，即基于过去两次测试值或基于更多次测试值(三次或以上)预测所得结果完全相等。

但是，当本地节点i与邻居节点j的时钟时间频率发生漂移时，则时钟差异D_ij的变化不是线性的，采用更多测试值预测虽然能进一步提高同步精度，但导致较多计算和存储复杂度，因而本发明主要适用于假定本地节点i与邻居节点j的时钟时间频率保持不变的情况。

步骤2.本地节点i与邻居节点j之间的时钟同步：每个本地节点i用一个列表结构记录其与邻居节点的时钟差异，称为同步列表，每个本地节点i发送报文时，总是用本地时钟时间T_i，而接收报文时则将相应报文对应的邻居节点j的时钟时间T_j转换为本地节点的时钟时间，本地节点的时钟时间T_i加上它与邻居节点的时钟差异D_ij，即可得到邻居节点的时钟时间T_j，从而实现本地节点与邻居节点之间的时间同步。

步骤2中本地节点i的同步列表的每项元素为三元组(A_j，D_ij)，其中A_j为邻居节点j的标识，该标识在邻居范围内是唯一的，D_ij为本地节点i与邻居节点j的相邻时钟差异，即为步骤1中的时钟差异测试值D_t，本地节点i对应的本地时钟时间为T_i，邻居节点j对应的本地时钟时间为T_j，本地节点i和邻居节点j对应的本地时钟时间为T_i和T_j存在如下同步关系：

T_{i} = T_{j} - D_{ij} + (\frac{a_{i}}{a_{j}} - 1) (t_{j} - T_{j});

式中t_j为邻居节点j对应的任意时刻，a_i和a_j为两节点时钟频率漂移参数，当本地节点i与邻居节点j的时钟频率一致时，则它们的时钟频率漂移参数也相等，则本地节点i和邻居节点j对应的本地时钟时间为T_i和T_j的同步关系可以简化为：T_i＝T_j-D_ij，此为本发明主要适用的情况。

当本地节点i和邻居节点j的时钟频率差别大时，则需要对两个节点的时钟频率进行计算才能实现更高的精度，不能采用上述简化的同步关系式，否则，两节点的同步误差将随着同步时延缓慢增大。

由于网络中的节点都可以互相作为本地节点i和邻居节点j，不断重复上述步骤1和步骤2，每个节点收到报文时都可以将报文中包含的邻居节点的时钟时间转换为了本地时钟时间，从而通过逐跳地转换能够实现网络中所有节点端到端的全局同步。

如果网络中存在时钟时间为参考时钟时间(即UTC时间)的节点，即参考节点，那么通过增加如下步骤3即可完成与UTC时间的同步。

步骤3.查询节点与参考节点的参考时钟时间同步，当需要与参考节点的参考时钟时间(即UTC时间)同步时，网络中必须存在可达的参考节点；网络中所有节点，包括参考节点都采用步骤1和步骤2中的机制进行同步和通信；由于通信中都采用的是节点本地时钟时间，当查询节点需要与参考时钟同步时，则只需将包含本地时间标签的查询节点的报文发送到参考节点，由于时间参考节点的本地时钟时间即为参考时钟时间，因而能够计算出报文对应的参考时钟时间，通过将参考时钟时间作为数据发送给查询节点，即可得到查询节点对应的参考时钟时间，完成查询节点与参考节点的参考时钟时间同步。

下面通过两个具体的实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1：如图2所示，图中虚线表示同步路径，实现表示通信路径，中心线表示时间查询路径，点线表示时间答复路径。在图2所示的分布式网络中，节点A处发生了一个时间敏感的事件源(Event)，需要把Event通知给节点D。节点A发现需要通过节点B和节点C转发，才能将Event报告给节点D，于是节点A用本地时钟时间构造一个事件相关的报文(EP)，并将EP发送给节点B。节点B发现尚未与节点A同步，即其同步列表里没有节点A的信息或同步间隔已超时，于是节点B启动与节点A之间的同步。然后，节点B将EP中的时间标签转换为本地时钟时间，并将该报文转发给节点C。如此类推，节点D最后收到的事件报文，其时间标签已转换为其本地时钟时间。

节点D为了知道Event的UTC时间，将Event的时间标签(相对D的本地时钟)封装到一个时间查询报文中，发送给时间参考节点F，被转换为F的本地时钟时间。由于F的本地时钟时间就是UTC时间，F得到Event的时间标签对应的UTC时间后，就构造一个时间答复报文中，并返回给节点D。从而，节点D知道了Event对应的UTC时间，参考时间同步过程结束。

实施例2：如图3所示，在图3所示的复杂动态网络中，复杂动态网络包括网络A、网络B和网络C三个子网，网络A为集中式网络，网络B为游牧式分布网络，网络C为集中式网络。网络B中的时间查询节点需要知道网络A中事件源处发生的事件及其全局参考时间。

网络A和网络C是集中式网络，其节点位置都是固定的，并且各有一个网关，支持网络B互联。网络C中还存在一个时间参考节点，可以提供UTC时间查询。网络B是分布式网络，不仅每个节点移动，整个网络也在从左到右移动。

最初，网络B只与网络A互联，此时网络A可以把事件源产生的事件发送到网络B中的时间查询节点，并将其时间标签转换为相应本地时钟时间。由于网络A与网络B中没有时间参考节点，网络B收到了事件，但无法知道其UTC时间。随着网络B向右移动，网络B最终与网络A断开，并与网络C互联。由于网络C中存在时间参考节点，从而网络B中的查询节点可以向其查询，并最终获得事件对应的全局参考时间。参考时间同步过程结束。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.网络的按需时间同步方法，包括如下步骤：

步骤1.按需计算本地节点与邻居节点时钟差异：每个本地节点维护独立的本地时钟步进节奏，仅当与邻居节点间没有同步且存在通信时，才需要计算与该邻居节点之间的时钟差异；

步骤2.本地节点与邻居节点之间的时钟同步：每个本地节点用一个列表结构记录其与邻居节点的时钟差异，称为同步列表，每个本地节点发送报文时，总是用本地时钟时间，而接收报文时则将相应报文对应的邻居节点的时钟时间转换为本地节点的时钟时间，本地节点的时钟时间加上它与邻居节点的时钟差异，即可得到邻居节点的时钟时间，从而实现本地节点与邻居节点之间的时间同步。

2.根据权利要求1所述的网络的按需时间同步方法，其特征在于，上述步骤1中本地节点(i)与邻居节点(j)之间的时钟差异是根据过去的多次测试值对未来值进行预测得到，具体方法为：假定采用过去的两次时钟差异测试值进行预测，两次时钟差异测试值分别为<t₁，D₁>，<t₂，D₂>，即t₁时刻测试值为D₁，t₂时刻测试值为D₂，在t₁与t₂之间，只能假设时钟差异没有变化，t₂之后，则采用线性预测，也即，从得到t₁时刻后的任意时刻t的时钟差异测试值D_t为：

D_{t} = \{\begin{matrix} D_{1} & t_{1} \leq t < t_{2} \\ D_{2} + \frac{D_{2} - D_{1}}{t_{2} - t_{1}} (t - t_{2}) & t_{2} \leq t \end{matrix};

3.根据权利要求1所述的网络的按需时间同步方法，其特征在于，上述步骤2中本地节点的同步列表的每项元素为三元组(A_j，D_ij)，其中A_j为邻居节点的标识，该标识在邻居范围内是唯一的，D_ij为本地节点与邻居节点的相邻时钟差异，即为步骤1中的时钟差异测试值D_t，本地节点对应的本地时钟时间为T_i，邻居节点对应的本地时钟时间为T_j，本地节点和邻居节点对应的本地时钟时间为T_i和T_j存在如下同步关系：

式中t_j为邻居节点j对应的任意时刻，a_i和a_j为两节点时钟频率漂移参数，当本地节点i与邻居节点j的时钟频率一致时，则它们的时钟频率漂移参数也相等，则本地节点和邻居节点对应的本地时钟时间为T_i和T_j的同步关系可以简化为：T_i＝T_j-D_ij。

4.根据权利要求1所述的网络的按需时间同步方法，其特征在于，上述方法还包括步骤3.查询节点与参考节点的参考时钟时间同步：当需要与参考节点的参考时钟时间同步时，网络中必须存在可达的参考节点；网络中所有节点，包括参考节点都采用上述步骤1和步骤2中的机制进行同步和通信；由于通信中都采用的是节点本地时钟时间，当查询节点需要与参考时钟同步时，则只需将包含本地时间标签的查询节点的报文发送到参考节点，由于时间参考节点的本地时钟时间即为参考时钟时间，因而能够计算出报文对应的参考时钟时间，通过将参考时钟时间作为数据发送给查询节点，即可得到查询节点对应的参考时钟时间，完成查询节点与参考节点的参考时钟时间同步。