CN102625428B - 无线传感器网络的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络的时间同步方法，属于无线传感器网络技术领域。本发明的技术方案概述如下：主节点接收不同从节点的监测数据，同时统计接收数据的失败率以调整同步周期时间，并且统计相邻工作周期接收到不同从节点数据的平均时间差值以计算从节点时钟需要调整的步长；在整个工作周期结束后，主节点向从节点广播校准同步信息，从节点根据接收到的信息将自己的本地相对时钟同步到主节点，并且在下一轮工作周期，校准自己的时钟计数。与现有技术相比，本发明采用极低的时间复杂度算法，大幅度降低了时间同步的频率，从而有效地降低了节点的能耗。

Description

无线传感器网络的时间同步方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络的时间同步方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由大量的传感器节点组成，通常部署在无人值守的监测区域内，以自组织协作方式获知监测信息，并将处理后的信息发送给终端用户，WSN已经广泛应用于军事、工业、农业以及医疗等众多领域。

在WSN中，不同的节点都有自己的本地时间，由于不同节点的晶体振荡器频率存在偏差(频率偏差)，并且随着温度、电压、空气压力等变化以及振荡器老化，也会引起振荡器的固有频率出现漂移(频率漂移)。因此时间同步机制是WSN中不可或缺的组成部分，而且WSN还有如下特征：有限的电池能量、存储空间以及带宽等限制，导致传统的时间同步算法不适合WSN系统。

典型的用于WSN的时间同步算法主要包括RBS(Reference BroadcastSynchronization)、TPSN(Time Protocol for Sensor Networks)、FTSP(FloodingTime Synchronization Protocol)以及DMTS(Delay Measurement TimeSynchronization)等。RBS不考虑发送时延与访问时延，得到较高的同步精度，但是算法的时间复杂度高，能耗大；TPSN甚至排除了接收时间的不确定性，精度可达几百微秒，但是能量开销大，适合于对时间精度要求较高的稳定网络；FTPS采用线性回归算法得到很高的同步精度，适合于军事场合；DMTS牺牲了部分时间同步精度换取较低的计算复杂度和能耗，适合于对时间精度要求不高的系统。

然而对于一个有固定拓扑结构的稳定网络，其能耗与算法复杂度有严格的限制，所述网络中的传感器子节点(从节点，Slave Node)需要周期性地向汇聚节点(主节点，Master Node)发送监测到的信息，但是由于各个传感器节点的振荡器存在频率偏差与漂移，从节点需要周期性地将时间同步到主节点，考虑到主节点对能耗的要求，所以应该尽可能地减少时间同步的频率。对于这种应用场合，现有上述的典型时间同步算法就很难满足。

发明内容

本发明提出了一种无线传感器网络的时间同步方法。该方法可以使得无线传感器网络系统能够适应不同的通信环境，有效地利用通信资源，同时大幅度地降低了节点的同步频率与能耗。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

本发明提供了一种无线传感器网络的时间同步方法，包括：

正常工作模式下，从节点以一定的工作周期向主节点发送监测数据，主节点接收并处理来自多个从节点的数据；

各节点在同步周期结束后，进入时间同步模式；

时间同步模式下，主节点向从节点广播校准同步信息，从节点接收到校准同步信息后，将本地相对时钟同步到主节点时钟，并利用信息中的校准步长，校准自己的时钟计数；

节点时间同步过程结束，则进入正常工作模式，

所述正常工作模式下，主节点在单个工作周期内，若没有接收到系统中所有从节点的监测数据，则认为接收失败，记录一个同步周期内主节点接收失败的次数Rx_Fail_Cnt，并根据该次数调整下一个同步周期T_{SYN_PER}的大小。

优选的，在上述无线传感器网络的时间同步方法，在同步周期的最后一个工作周期，计算接收失败率Rx_Fail_Ratio＝Rx_Fail_Cnt/T_{SYN_PER}，并根据所述接收失败率动态调整同步周期T_{SYN_PER}，其计算公式如下，

$T_{\mathrm{SYN}\_\mathrm{PER}}=\left\{\begin{array}{cc}{T}_{\mathrm{SYN}\_\mathrm{PER}\_\mathrm{MAX}},& \mathrm{RFR}\≤\mathrm{RFR}\_\mathrm{Min}\\ \frac{\mathrm{RFR}\_\mathrm{Max}-\mathrm{RFR}\_\mathrm{Min}}{T_{\mathrm{SPMin}}-T_{\mathrm{SPMax}}}\×(\mathrm{RFR}-T_{\mathrm{SPMax}})+\mathrm{RFR}\_\mathrm{MIN},& \mathrm{RFR}\∈(\mathrm{RFR}\_\mathrm{Min},\mathrm{RFR}\_\mathrm{Max})\\ T_{\mathrm{SYN}\_\mathrm{PER}\_\mathrm{MIN}},& \mathrm{RFR}\≥\mathrm{RFR}\_\mathrm{Max}\end{array}\right.$

其中，RFR为接收失败率Rx_Fail_Ratio，RFR_Max为系统允许的最大接收失败率，RFR_Min为系统可达到的最小接收失败率，T_SPMax是系统的最大同步周期，T_SPMin是系统的最小同步周期。

优选的，在上述无线传感器网络的时间同步方法，所述正常工作模式下，从节点向主节点发送的监测数据帧包括前导码、主节点物理地址、从节点自身物理地址、采集的数据以及保留字节。

优选的，在上述无线传感器网络的时间同步方法，所述时间同步模式下，主节点向从节点广播的校准同步信息帧格式包括前导码、广播地址、同步周期、从节点校准字节以及主节点载波侦听时间。

优选的，在上述无线传感器网络的时间同步方法，所述时间同步模式下，利用所述主节点载波侦听时间，并通过数据速率估算主节点广播的校准同步信息的传输时间，即可估算从节点的本地相对时钟。

优选的，在上述无线传感器网络的时间同步方法，所述正常工作模式下，主节点计算相邻工作周期接收到同一从节点监测数据的平均时间差值T_{AVE_ERR}，进而计算该从节点时钟的校准步长Calib_Step，

$\mathrm{Calib}\_\mathrm{Step}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈[0,|T_{\mathrm{ERR}\_1}\left|\right)\\ 1,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈\left[\right|T_{\mathrm{ERR}\_1}|,|T_{\mathrm{ERR}\_2}\left|\right)\\ 2,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈\left[\right|T_{\mathrm{ERR}\_2}|,|T_{\mathrm{ERR}\_3}\left|\right)\\ 3,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈\left[\right|T_{\mathrm{ERR}\_3}|,|T_{\mathrm{ERR}\_\mathrm{MAX}}\left|\right)\end{array}\right.$

其中T_{ERR_1}、T_{ERR_2}、T_{ERR_3}与T_{ERR_MAX}为时间差值区间的判定临界值。

优选的，在上述无线传感器网络的时间同步方法，在正常工作模式中的每个工作周期，从节点的时钟计数在原基础上减少所述校准步长Calib_Step分辨率时间。

和现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、从节点根据接收到的主节点校准同步信息中的主节点载波侦听时间，并且通过数据速率估计同步信息的传输时间，可以将自己的本地相对时钟同步到主节点的时钟，虽然牺牲了部分同步精度，但是却大大降低了算法复杂度与能耗；

2、从节点根据接收到的主节点校准同步信息中的校准字节，可以校准自己的时钟计数，从而大幅度地提高时间同步的时间间隔，有效地降低了节点能耗；

3、主节点通过统计接收从节点数据的失败率，动态地调整同步周期时间，从而适应各种通信环境，有效地利用通信资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中无线传感器网络系统的拓扑结构图；

图2是本发明实施例中无线传感器网络系统的工作流程图；

图3是本发明实施例中无线传感器网络系统的正常工作模式时序图；

图4是从节点向主节点发送的数据帧格式图；

图5是本发明实施例中无线传感器网络系统的时间同步模式时序图；

图6是主节点向从节点广播的校准同步信息帧格式图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本发明实施例公开了一种无线传感器网络的时间同步方法，包括：

正常工作模式下，从节点以一定的工作周期向主节点发送监测数据，主节点接收并处理来自多个从节点的数据；

各节点在同步周期结束后，进入时间同步模式；

时间同步模式下，主节点向从节点广播校准同步信息，从节点接收到校准同步信息后，将本地相对时钟同步到主节点时钟，并利用信息中的校准步长，校准自己的时钟计数；

节点时间同步过程结束，则进入正常工作模式，

所述正常工作模式下，主节点在单个工作周期内，若没有接收到系统中所有从节点的监测数据，则认为接收失败，记录一个同步周期内主节点接收失败的次数Rx_Fail_Cnt，并根据该次数调整下一个同步周期T_{SYN_PER}的大小。

通过统计一个同步周期内主节点接收从节点数据的失败次数，进而判断该失败次数是否超过设定的范围，如果失败次数过多，则可调整同步周期T_{SYN_PER}并使其减小，如此可增大时间同步模式的频率，即增大从节点时间校准的频率；如果失败次数比较少，则可调整同步周期T_{SYN_PER}并使其增大，减小从节点时间校准的频率。因此，通过上述手段可动态地调整同步周期时间，使得系统能够适应不同的通信环境，有效地利用通信资源。

易于想到，调整同步周期T_{SYN_PER}的大小，可以改变一个同步周期内工作周期的数量，也可通过改变工作周期的大小实现。

在其他实施方式中，在统计一个同步周期内主节点接收从节点数据的失败次数后，也可依据该失败次数改变每个工作周期中主节点最大接收时间T_{M_RX_MAX}。

本发明实施例所构建的WSN系统是由一个主节点和三个从节点构成的单跳网络。

参图1所示，主节点作为汇聚节点，周期性地接收三个从节点的信息，并且主节点周期性地向从节点广播校准同步信息，而三个从节点之间不进行数据通信。

参图2所示，系统包括两种模式：时间同步模式与正常工作模式，系统上电后，首先进入时间同步模式，使从节点的相对时钟与主节点保持一致，同步结束后，则进入正常工作模式，节点工作T_{SYN_PER}(节点同步周期)时间后，再次进入时间同步模式。

本发明实施例中系统的正常工作模式具体实现方式如下：

参图3所示，图示中操作时间定义如下表1，

时间	描述
		TSLEEP	各节点单个工作周期
TM_RX_MAX	主节点最大接收时间
		TM_RX	主节点实际接收时间
TS_TX_MAX	从节点最大发送时间
		TS_TX	从节点实际发送时间(包含载波侦听时间)
TS_SLOT	从节点发送数据时间片间隔(假定与TS_TX_MAX相等)

主节点在T_{M_RX_MAX}时间接收来自三个从节点的监测数据，如果完成接收三组报文数据，则进入休眠状态，休眠时间为(T_SLEEP-T_{M_RX})；否则放弃本次接收，记录接收失败次数Rx_Fail_Cnt，然后进入休眠状态，休眠时间为(T_SLEEP-T_{M_RX_MAX})。

参图4所示，从节点向主节点发送的监测数据帧包括前导码、主节点物理地址、从节点自身物理地址、采集的数据以及保留字节。

同时，主节点分别记录接收到不同从节点数据的时间，并在同步周期T_{SYN_PER}内，计算相邻工作周期接收到各从节点数据的时间差值T_{SINGLE_ERR}，如果本次工作周期接收到某从节点数据，并且由于通信信道空闲，该从节点可以正常的发送数据，使得T_{SINGLE_ERR}不大于最大时间差值T_{SINGLE_ERR_MAX}，则主节点统计接收到该从节点数据时间差值的累计和T_{TOT_ERR}以及累计次数Tot_Err_Cnt；否则如果本次工作周期未接收到某从节点数据，或者由于信道拥塞，使得T_{SINGLE_ERR}大于T_{SINGLE_ERR_MAX}，则不使用本次时间差值做累计。

主节点分别记录接收到不同从节点数据的时间，该处的时间可以为相对时间，也可以是绝对时间。在本发明实施例中，该处时间优选为相对时间，即主节点接收到某一从节点数据的时间，是指自该工作周期起至接收到从节点数据时刻之间的时间长度。

主节点在T_{SYN_PER}的最后一个工作周期，计算接收失败率Rx_Fail_Ratio＝Rx_Fail_Cnt/T_{SYN_PER}，然后根据接收失败率动态调整同步周期T_{SYN_PER}，其计算公式如下，

$T_{\mathrm{SYN}\_\mathrm{PER}}=\left\{\begin{array}{cc}{T}_{\mathrm{SYN}\_\mathrm{PER}\_\mathrm{MAX}},& \mathrm{RFR}\≤\mathrm{RFR}\_\mathrm{Min}\\ \frac{\mathrm{RFR}\_\mathrm{Max}-\mathrm{RFR}\_\mathrm{Min}}{T_{\mathrm{SPMin}}-T_{\mathrm{SPMax}}}\×(\mathrm{RFR}-T_{\mathrm{SPMax}})+\mathrm{RFR}\_\mathrm{MIN},& \mathrm{RFR}\∈(\mathrm{RFR}\_\mathrm{Min},\mathrm{RFR}\_\mathrm{Max})\\ T_{\mathrm{SYN}\_\mathrm{PER}\_\mathrm{MIN}},& \mathrm{RFR}\≥\mathrm{RFR}\_\mathrm{Max}\end{array}\right.$

其中，RFR为Rx_Fail_Ratio，RFR_Max为系统允许的最大接收失败率，RFR_Min为系统可达到的最小接收失败率，T_SPMax即T_{SYN_PER_MAX}是系统的最大同步周期，T_SPMin即T_{SYN_PER_MIN}是系统的最小同步周期。

同时，主节点根据接收到不同从节点数据的时间差值累计和与累计次数，计算平均时间差值T_{AVE_ERR}＝T_{TOT_ERR}/Tot_Err_Cnt，进而计算从节点振荡器的校准步长Calib_Step，本发明采用四级校准(正负方向各四级步长)，其计算公式如下，

$\mathrm{Calib}\_\mathrm{Step}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈[0,|T_{\mathrm{ERR}\_1}\left|\right)\\ 1,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈\left[\right|T_{\mathrm{ERR}\_1}|,|T_{\mathrm{ERR}\_2}\left|\right)\\ 2,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈\left[\right|T_{\mathrm{ERR}\_2}|,|T_{\mathrm{ERR}\_3}\left|\right)\\ 3,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈\left[\right|T_{\mathrm{ERR}\_3}|,|T_{\mathrm{ERR}\_\mathrm{MAX}}\left|\right)\end{array}\right.$

其中T_{ERR_1}、T_{ERR_2}、T_{ERR_3}与T_{ERR_MAX}为时间差值区间的判定临界值，本方案假定T_{ERR_MAX}＝T_{SINGLE_ERR_MAX}，并且Calib_Step与T_{AVE_ERR}符号相同。

三个从节点在自己的时间片内向主节点发送传感器采集到的信息，如果在T_{S_TX_MAX}时间内完成发送，则进入休眠状态，休眠时间为(T_SLEEP-T_{S_TX})；否则由于当前通信信道繁忙或无线收发器出现故障，未能成功发送数据，则放弃本次发送，进入休眠状态，休眠时间为(T_SLEEP-T_{S_TX_MAX})。同时因为从节点在正常工作模式结束时可能出现“晚起”的情况，所以从节点在T_{SYN_PER}的最后一个工作周期应该少休眠T_{S_SLOT}，即节点休眠时间为(T_SLEEP-T_{S_TX}-(N+1)*T_{S_SLOT})，其中N为从节点编号(分别1、2、3)，通过这种方式降低“晚起”情况发生的概率。

各节点在同步周期T_{SYN_PER}结束后，进入时间同步模式。

本发明中系统的时间同步模式具体实现方式如下：

参图5所示，图示中操作时间T_{M_TX_MAX}为主节点最大发送时间，主节点向三个从节点广播校准同步信息，其中同步周期与从节点校准字节即由正常工作模式计算出的同步周期T_{SYN_PER}与校准步长Calib_Step组成，主节点载波侦听时间为主节点发送校准同步信息前侦听通信信道的时间T_{M_CSMA}。如果在T_{M_TX_MAX}时间内完成发送，主节点则进入接收状态，等待接收从节点的监测数据，无论在T_{M_RX_MAX}时间内是否接收成功，则进入休眠状态，休眠时间为(T_SLEEP-T_{M_TX}-T_{M_RX})；否则，如果主节点在T_{M_TX_MAX}时间内未完成发送，则立即进入休眠状态，休眠时间为(T_SLEEP-T_{M_TX})。无论何种情况，主节点休眠结束，则进入正常工作模式。

参图6所示，主节点向从节点广播的校准同步信息帧格式包括前导码、广播地址、同步周期、从节点校准字节以及主节点载波侦听时间。

三个从节点在此模式下一直处于接收状态，直到接收到主节点的校准同步信息，在T_{S_TX_MAX}时间内向主节点发送监测数据，无论是否完成发送，则进入休眠状态。同时，从节点则根据接收到的同步周期，调整自己的同步周期。根据主节点的载波侦听时间，并通过数据传输速率估计校准同步信息在空中的传输时间T_{M_MESS_TRAN}，进而将自己的相对时间同步到主节点，即从节点的休眠时间为(T_SLEEP-T_{S_TX}-T_{M_CSMA}-T_{M_MESS_TRAN})。并且根据校准步长，校准自己的时钟计数，即在正常工作模式的每个工作周期，从节点的时钟计数在原基础上减少Calib_Step分辨率时间(注意Calib_Step的符号)。从节点同步结束，则进入正常工作模式。

综上所述，本发明的有益效果如下：

1、从节点根据接收到的主节点校准同步信息中的主节点载波侦听时间，并且通过数据速率估计同步信息的传输时间，可以将自己的本地相对时钟同步到主节点的时钟，虽然牺牲了部分同步精度，但是却大大降低了算法复杂度与能耗；

2、从节点根据接收到的主节点校准同步信息中的校准字节，可以校准自己的时钟计数，从而大幅度地提高时间同步的时间间隔，有效地降低了节点能耗；

3、主节点通过统计接收从节点数据的失败率，动态地调整同步周期时间，从而适应各种通信环境，有效地利用通信资源。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，包括：

正常工作模式下，从节点以一定的工作周期向主节点发送监测数据，主节点接收并处理来自多个从节点的数据；

各节点在同步周期结束后，进入时间同步模式；

时间同步模式下，主节点向从节点广播校准同步信息，从节点接收到校准同步信息后，将本地相对时钟同步到主节点时钟，并利用信息中的校准步长，校准自己的时钟计数；

节点时间同步过程结束，则进入正常工作模式，

所述正常工作模式下，主节点在单个工作周期内，若没有接收到系统中所有从节点的监测数据，则认为接收失败，记录一个同步周期内主节点接收失败的次数Rx_Fail_Cnt，并根据该次数调整下一个同步周期T_{SYN_PER}的大小，

在所述同步周期的最后一个工作周期，计算接收失败率Rx_Fail_Ratio＝Rx_Fail_Cnt/T_{SYN_PER}，并根据所述接收失败率动态调整同步周期T_{SYN_PER}，其计算公式如下，

$T_{\mathrm{SYN}\_\mathrm{PER}}=\left\{\begin{array}{cc}{T}_{\mathrm{SYN}\_\mathrm{PER}\_\mathrm{MAX}},& \mathrm{RFR}\≤\mathrm{RFR}\_\mathrm{Min}\\ \frac{\mathrm{RFR}\_\mathrm{Max}-\mathrm{RFR}\_\mathrm{Min}}{T_{\mathrm{SPMin}}-T_{\mathrm{SPMax}}}\×(\mathrm{RFR}-T_{\mathrm{SPMax}})+\mathrm{RFR}\_\mathrm{MIN},& \mathrm{RFR}\∈(\mathrm{RFR}\_\mathrm{Min},\mathrm{RFR}\_\mathrm{Max})\\ T_{\mathrm{SYN}\_\mathrm{PER}\_\mathrm{MIN}},& \mathrm{RFR}\≥\mathrm{RFR}\_\mathrm{Max}\end{array}\right.$

其中，RFR为接收失败率Rx_Fail_Ratio，RFR_Max为系统允许的最大接收失败率，RFR_Min为系统可达到的最小接收失败率，T_SPMax是系统的最大同步周期，T_SPMin是系统的最小同步周期。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述正常工作模式下，从节点向主节点发送的监测数据帧包括前导码、主节点物理地址、从节点自身物理地址、采集的数据以及保留字节。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述时间同步模式下，主节点向从节点广播的校准同步信息帧格式包括前导码、广播地址、同步周期、从节点校准字节以及主节点载波侦听时间。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述时间同步模式下，利用所述主节点载波侦听时间，并通过数据速率估算主节点广播的校准同步信息的传输时间，即可估算从节点的本地相对时钟。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述正常工作模式下，主节点计算相邻工作周期接收到同一从节点监测数据的平均时间差值T_{AVE_ERR}，进而计算该从节点时钟的校准步长Calib_Step，

$\mathrm{Calib}\_\mathrm{Step}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈[0,\left|T_{\mathrm{ERR}\_1}\right|)\\ 1,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈[\left|T_{\mathrm{ERR}\_1}\right|,\left|T_{\mathrm{ERR}\_2}\right|)\\ 2,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈[\left|T_{\mathrm{ERR}\_2}\right|,\left|T_{\mathrm{ERR}\_3}\right|)\\ 3,& \left|T_{\mathrm{AVE}\_\mathrm{ERR}}\right|\∈[\left|T_{\mathrm{ERR}\_3}\right|,\left|T_{\mathrm{ERR}\_\mathrm{MAX}}\right|)\end{array}\right.$

其中T_{ERR_1}、T_{ERR_2}、T_{ERR_3}与T_{ERR_MAX}为时间差值区间的判定临界值。

6.根据权利要求5所述的无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，在正常工作模式中的每个工作周期，从节点的时钟计数在原基础上减少所述校准步长Calib_Step分辨率时间。