CN104023385A - 一种基于并行传输的无线多跳自组织网时间同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于并行传输机制的无线多跳自组织网络时间同步系统，网络中包含多个节点，其中存在一个节点（称作Sink节点）外接公共参考时钟源，并通过如下步骤实现全网时间同步：Sink节点定期发送包含时间同步信息的信标包，并通过可塑性干扰的并行传播方式在全网广播，在一个时间同步周期内，Sink节点测量信标包开始发送时刻，并将该时刻的时间戳插入到信标包内；节点收到信标包后，计算模块会将更新信标包中的转发次数并立即进行转发信标包；节点接收到信标包后，根据信标包中的时间同步信息进行本地时钟相位偏差校正和频率偏差校正，并根据相位偏差和频率偏差的校正值来完成时间同步。

Description

一种基于并行传输的无线多跳自组织网时间同步系统

技术领域

本发明涉及无线多跳自组织网络领域，尤其涉及一种基于并行传输的快速、低功耗时间同步方法及其系统。

背景技术

无线自组织网络是一种自治系统，整个网络没有固定的基础设施，没有严格的控制中心，所有节点的地位是平等的。节点能够随时加入和离开网络，网络拓扑结构能够动态适应网络环境变化。

无线多跳网络是指由于节点的发射功率和覆盖范围有限，网络中距离很远的节点需要借助其它中继节点转发的方式进行通信。无线自组织网络一般是一种多跳网络，也称为无线多跳自组织网络。值得注意的是，与互联网中的多跳传输不同，无线多跳自组织网络的多跳路由通过平等的普通节点协作完成，不需要专用的路由设备。无线多跳自组织网络最早应用于军事，目前在商业上也出现广泛的应用，包括无线传感器网络、无线Mesh网络、体域网、机会网络等。

无线自组织网络是一种分布式系统。由于节点硬件中晶振的不稳定因素(老化、温度等)，晶振存在频率漂移(frequency skew)和相位漂移(offset skew)，所以分布式系统需要将网内的节点在时间上保持一致，以满足应用层协议操作需求(如路由、休眠调度等)。目前，成熟的时间同步协议包括在互联网internet中广泛应用的网络时间同步协议(Network Time Protocol,NTP)和面向工业控制领域的IEEE 1588v2时间同步协议等。NTP协议能够满足ms量级的时间同步精度，IEEE1588v2协议能实现10μs量级以下的同步精度，但是这两种时间同步协议均需要基础设施支撑，不支持多跳、自组织、动态拓扑，并且无法用于能量受限的场合。

多跳自组织网络的时间同步包括与公共参考时间同步和网络内部相对时间同步两种。在与公共参考时钟同步的方法中，主要有基于卫星定位系统(如GPS、北斗系统)和其它外界时钟源两大类。基于卫星定位系统的时间同步系统能够提供高精度的时间同步精度(比如说对于GPS系统，在1μs量级)，但这种时间同步系统需要为网络中每一个节点配备卫星定位系统接收机，往往具有成本高、功耗大、易受障碍物遮挡等缺点。其它外界时钟源主要有基于广播电台、基于外部普遍应用的网络(如Wi-Fi、白炽灯光)等。基于其它外界时钟源的时间同步系统，已经提出的时间同步算法包括：

[1]Y Chen,Q.Wang,M.Chang andA.Terzis,“Ultra-Low Power TimeSynchronization Using Passive Radio Receivers”，in Proc.of ACM IPSN,20 11.

[2]T.Hao,R.Zhou,G. Xing,and M.Mutka,“WizSync:Exploiting Wi-FiInfrastructure for Clock Synchronization in Wireless Sensor Networks”,in Proc.OfIEEE RTSS,2011.

[3]Z.Li,W.Chen,Cheng.Li,and M.Li,“FLIGHT:Clock Calibration UsingFluorescent Lighting”,in Proc.OfACM MobiCom,2012.

这些算法或借助于另外的广播信号接收装置[1]，或利用基于IEEE802.15.4的无线通信装置接收异构的Wi-Fi网络信号[2]，或利用硬件自带的光学传感器[3]，其共同特点是采用被动式接收装置接收标准时间，算法简单、功耗低，但是精度一般在1ms量级。

在网络内部相对时间同步协议中，一种最简单的版本是应用于单跳星形拓扑的无线网络中，比如GSM/TDMA蜂窝网络、卫星系统、IEEE802.16宽带无线系统、蓝牙系统、使用点协调功能(PCF)的Wi-Fi系统中，这些系统周期的从服务器向所有客户端广播标准时间同步信标包，但无法应用于多跳自组织场合。

在多跳自组织网络中，面向网络内部相对时间的时间同步协议有：

[4]J.Elson,L. Girod and D.Estrin,“Fine-grained network timesynchronization using reference broadcasts,”in Proc.ofUSENIX OSDI,2002.

[5]S.Ganeriwal,R.Kumar and M.B.Srivastava,“Timing-sync protocol forsensor networks,”in Proc.of ACM SenSys,2003.

[6]M.Maroti,B.Kusy，G. Simon and A.Ledeczi,“The flooding timesynchronization protocol,”in Proc.ofACM SenSys,2004.

[7]P.Sommer andR.Wattenhofer,“Gradient clock synchronization inwireless sensor networks,”in Proc.ofACM IPSN,2009.

参考时间同步RBS[4]、传感器网络时间同步协议TPSN[5]、洪泛时间同步协议FTSP[6]均应用于网络中存在一个汇聚节点(Sink)，外接公共参考时钟的场合。汇聚节点将公共参考时间以时间同步信标包的方式在网络中进行洪泛传播。梯度时间同步算法GTSP[7]通过接收并平均邻居时间戳信息，实现全网同步，目的是降低局部时间同步误差。上述主流的多跳自组织网络时间同步协议均采用载波侦听多路访问/冲突避免CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoidance)的介质访问控制(Media Access Control,MAC)机制。

MAC协议的目的是为协调多个节点之间的传输信道竞争和冲突。在无线多跳自组织网络中，CSMA/CA机制的基本思想是当传输节点需要发送数据包时，首先对通信信道进行访问，通过某种探测手段(如能量探测)去探测通信信道是否空闲(idle)。当通信信道无竞争性节点访问时，允许该传输节点发送数据包。当通信信道繁忙时，该传输节点必须随机等待一段时间再重新进行通信信道访问。在多跳自组织网络中，对于时间同步协议，CSMA/CA协议带来的主要问题是：1)时间延迟大，导致全网时间同步收敛时间长；2)控制帧占据了大量的网络带宽；3)数据传输包冲突而导致丢包，从而影响同步性能。

中国专利No.200910146363.5“在TDMA多跳无线网络中进行时间同步的方法和设备”提出一种对TDMA无线多跳网络的一组节点的时钟进行同步的方法。该专利的MAC层协议采用时隙化的TDMA接入机制。但该专利未涉及自组织网络的场合，尤其是动态拓扑的应用。另外，该专利未利用一种新型的数据包并行传输技术-可塑性干扰(constructive interference)。

数据包并行传输技术涉及一种多个数据包发送节点同时发送数据包到一个共同的数据包接收节点的应用场景，如图2所示。经典通信和信息理论认为由于信道冲突，会产生数据包丢失，但是，在某些场合和特定技术条件下，接收节点能够将数据包成功接收。数据包并行传输技术包括基于信号处理和基于物理层现象两类。

基于信号处理的经典方法有：基于模拟网络编码(Network Coding)的ANC[8]、基于干扰排列对消技术的SIC[9]和Zigzag[10]、基于多入多出(MultiInput Multi Output,MIMO)系统的802.11n+[11]、基于无速率编码的AutoMAC[12]、全双工通信[13]。这类方法需要使用复杂的信号处理，从而将冲突的数据包依次解调出来。

[8]S.Katti,S.Gollakota,and D.Katabi,“Embracing wireless interference:Analog network coding,”in Proc.ofACM SIGCOMM,2007.

[9]D.Halperin,T.Anderson,and D.Wetherall,“Taking the sting out of carriersense:interference cancellation for wireless lans,”in Proc.ofACM MOBICOM,2008.

[10]S.Gollakota and D.Katabi,“Zigzag decoding:combating hidden terminalsin wireless networks,”in Proc.ofACM SIGCOMM,2008.

[11]K.Lin,S.Gollakota,and D.Katabi,“Random access heterogeneous MIMOnetworks,”in Proc.of ACM SIGCOMM,2011.

[12]A.Gudipati,S.Perreira,and S.Katti,“AutoMAC:Rateless wirelessconcurrent medium access,”in Proc.of ACM MOBICOM,2012.

[13]M.Jain,J.Choi,T.Kim,D.Bharadia,S.Seth,K.Srinivasan,P. Levis,S.Katti,and P. Sinha,“Practical,real-time,full duplex wireless,”in Proc.of ACMMOBICOM,2011.

数据包并行传输技术可依赖的物理层现象主要有：捕获效应(CaptureEffect,如图3所示)、数据包嵌套传输(Message-In-Message,MIM,如图4所示)、可塑性干扰(Constructive Interference,如图5所示)。基于物理层现象的数据包并行传输技术可不用新增硬件，在通用接收机将感兴趣的数据包解码出来。值得注意的是，这类技术解调感兴趣的数据包，而将干扰数据包丢弃。通常以信干噪比SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)来表征感兴趣信号与干扰信号、噪声信号的能量强度差。根据数据包发送时刻不同，捕获效应要求的SINR亦有所区别。如图3所示，假设数据包A和数据包C是感兴趣的数据包，数据包B和数据包D是干扰数据包。当数据包A到达接收者的时刻早于数据包B，并且信干噪比SINR大于某个参考门限L₁，则接收者能将数据包A正确解析，这种现象称为功率捕获。当数据包C到达接收者的时刻晚于数据包D，但在数据包D的内容开始发送时刻之前，如果信干噪比SINR大于某个参考门限L₂，则接收者能将数据包C正确解析，这种现象称为延迟捕获。但是，如果数据包C到达接收者的时刻晚于数据包D的内容开始发送时刻，则无论信干噪比SINR有多大，均无法将数据包C正确解析。一般来说，参考门限取决于具体的通信体制，并且L₁<L₂。

如图4所示，数据包嵌套传输MIM是指数据包E和数据包F同时发送，数据包F先发送，如果信干噪比SINR大于某个参考门限L₃(以E为感兴趣数据包，F为干扰数据包)，则接收机在接收数据包E的时候，将数据包F丢掉，转而解码数据包E。数据包E可晚于数据包F的内容开始发送时刻。MIM需要接收机硬件的支持。值得注意的是，捕获效应和数据包嵌套传输均不要求感兴趣数据包和干扰数据包传输内容一致。

可塑性干扰要求多个发送者传输的数据包内容完全一致。如图5所示，发送节点S₁、S₂同时广播相同的数据包M到共同的接收节点R₁，如果来自不同发射节点并承载数据包的所有无线信号到达接收节点R1的时间间隔小于参考门限T₃，则接收节点R能以高概率(数据包接收成功率>90%)成功将数据包接收，这种现象称为可塑性干扰。如果到达节点R₁的时间间隔大于T₃，则数据包互相干扰，导致接收数据包冲突，称为破坏性干扰。可塑性干扰不同于经典的无线通信理论，即多个数据包同时传输会由于占用信道冲突而导致丢包。可塑性干扰的并行传输方式广泛存在于节点的无线通信模块中，是无线通信模块为解决多径干扰的问题而存在。参考门限T₃表征无线通信模块对多径效应的容忍度。参考门限T₃越大，表征无线通信模块对多径效应越容忍；反之，亦然。

具备可塑性干扰功能的无线通信模块的通信制式至少包括应用于个域网和局域网的无线通信手段，比如IEEE 802.15.4、IEEE 802.11、蓝牙等支持多跳自组织网特性的物理层。参考门限T₃取决于具体的通信制式，一般不大于1个码片(chip)所占据的时间片。以IEEE 802.15.4为例，参考门限T3为0.5μs。

本发明所指的并行传输技术主要涉及可塑性干扰。但该并行传输技术同样能够得益于基于信号处理的方法以及其它物理层现象(捕获效应、MIM等)。

综上所述，单跳时间同步技术已经较为成熟，但是多跳时间同步尤其是应用于多跳自组织网的时间同步协议，由于采用CSMA/CA MAC层接入机制，导致时间延迟大、数据包冲突、中继节点时钟不稳定对后续节点同步误差影响大等问题，本发明提出一种利用基于可塑性干扰的并行传输技术，实现快速、低功耗、能适用于动态拓扑的时间同步系统。该时间同步系统能够应用于低功耗、存储空间有限、计算能力有限的应用场合。

发明内容

一种基于并行传输的无线多跳自组织网时间同步系统(以下简称无线时统系统)，网络中的每个节点在正常工作时，应至少具有无线通信模块、计算处理模块和电源模块，如图1所示；网络中至少存在一个节点(称作Sink节点)外接公共参考时钟源，提供公共参考源的系统可为卫星定位系统、温度补偿的晶体振荡器等能提供高精度参考时钟的信号源，无线时统系统实现时间同步的基本思想如图8所示，其方法包括如下步骤：

a)S1：网络骨架构建。根据已知的网络拓扑图，通过构造BFS(BreadthFirstSearch)树或构造连接主导集(Connected Dominant Set,CDS)的方法构建网络骨架，网络骨架节点称为簇节点，非骨架节点称为叶子节点。

b)S2：Sink节点将网络骨架信息通过网络洪泛方法向全网广播，每个节点根据接收到的网络骨架信息标记自身是否为簇节点。

c)S3：Sink节点每隔T₁定期发送信标包，并通过可塑性干扰的并行传播方式在全网广播；在一个时间同步周期内，Sink节点测量信标包开始发送时刻t₁₁，并将该时刻的时间戳插入到信标包内。

d)S4：簇节点收到信标包后，计算模块会将信标包中的转发次数R_c自动加1，在等待一段固定的时间间隔T₂后，立即进行转发信标包；叶子节点仅接收信标包，并不进行转发。

e)S5：节点接收到信标包后，根据信标包中的信息进行本地时钟相位偏差校正；根据相位偏差校正的结果，节点通过线性递归的方法进行频率偏差校正；根据相位偏差和频率偏差的校正值来完成时间同步。

无线网络应具有多跳自组织特性；网络中的多跳路由由平等的普通节点协作完成，不需要专用的路由设备；网络中的节点可移动、静止、随时加入或离开网络，从而造成网络拓扑的动态变化。

无线多跳自组织网的节点分簇目的是保证信标包在全网传播速度的基础上，通过降低并行传输的节点数目，降低信标包冲突的概率。网络骨架构建方法主要应用于网络拓扑结构变化不大的应用场景，即静态或准静态无线多跳自组织网络。对于网络拓扑动态变化的应用场景，网络中的所有节点均可为簇节点。在此种情况下，步骤S1和S2可省略。

进一步地，所述步骤S1构建BFS树的方法包括：

a)S11：给定网络拓扑图，由Sink节点使用BFS算法遍历网络拓扑图，计算每个节点离Sink节点的最短跳数，并将最短跳数相同的点归类为处于同一层次的集合。

b)S12：从第二层集合的节点开始，选出最少节点，这些节点能覆盖下层所有节点。可采用贪心算法实现，即每次选择节点，该节点能尽可能多的覆盖下层未被覆盖的节点；被选出的节点标记为簇节点，未被选出的节点标记为叶子结点。

c)S13：所有的节点将连接关系指向覆盖本节点的簇节点，从而构成BFS树。

构建连接主导集的方法可以是任意一种从给定拓扑构建连接主导集(Connected Dominant Set,CDS)的方法，比如采用文献[14]的方法。其中，簇节点为主导节点(dominator)或连接节点(connector)，叶子节点为被主导节点(dominatee)。

●[14]K.Alzoubi,P.Wan,and O.Frieder,“Message-optimal connecteddominating sets in mobile ad hoc networks,”in Proc.of ACM MobiHoc,2002.

实现可塑性干扰的并行传输机制的关键是使得所有同时转发数据包的节点精确同步在T₃之内，T₃一般在μs量级。

本发明通过一种信号触发的方式实现将节点一跳之内的邻居节点同时转发数据包的时间差异控制在T₃之内。

以图6的Sink节点为例，Sink节点广播一个信标包，Sink节点的所有一跳邻居收到并转发信标包的时刻取决于：传播延迟、信号检测延迟、转发延迟。对于类似于IEEE 802.15.4的短距离无线通信协议来说，邻居节点离Sink节点的距离差通常在30米内，意味着传播延迟往往可忽略。信号检测延迟表示无线信号从进入天线到被接收机正确检测出的时间。信号检测延迟根据具体的接收机、无线信号强度、多径效应等因素变化，但其可变化部分的范围小于0.1μs，因此可认为信号检测延迟是固定的。转发延迟定义为无线通信模块从信标包接收完毕到开始转发信标包所使用的时间。转发延迟主要取决于计算模块的软件处理时延、等待时间T₂、异步时序等硬件带来的时延不确定性。实现可塑性干扰的关键是尽量控制转发延迟的不确定性。

为解决上述问题，网络中所有节点实现可塑性干扰的步骤S3进一步包括：

a)S31：节点通过接收一个共同的无线信号作为实现节点同步的参考信号，节点在收到共同参考信号后，节点的计算模块关闭所有与节点同步无关的系统任务，如外界中断、定时器等；

b)S32：在接收到转发的过程中，节点的计算模块必须执行完全相同的系统指令，以保证相同的软件处理时延，通过插入空指令的方法补偿不同节点由于软件处理中断、异步时序等带来的时延不确定性。

等待时间T₂应满足：T₂<T₃/σ，其中，节点计时所用晶振的频率不稳定度为σ。

进一步的，所述步骤S4包括：

a)S41：簇节点可继续接收并转发来自于邻居节点的信标包，但在时间间隔T₁内，接收并重传的次数不应超过允许的最大数据包重传次数K。叶子节点的最大数据包重传次数K表征在时间间隔T₁内，允许叶子节点接收的最多信标包个数。

b)S42：节点在未达到最大数据包重传次数K之前，如果在时间间隔T₄内，未收到数据包，则标记为超时，并在这个时间同步周期内，不再接收信标包。

无线时统系统节点中的计算模块一般具有数据存储和计时的功能；无线通信模块和计算模块可采用不同或相同的晶振进行数字逻辑驱动。计时模块应能测量信标包四种通信状态的时刻，即信标包开始发送时刻，信标包结束发送时刻，信标包开始接收时刻，信标包结束接收时刻。一种典型的测量方法是采用MAC层硬件时间戳的方案，即当中断到达时，计时器可准确测量中断到达的时刻，并存放在寄存器中。在中断服务流程中，可通过访问寄存器获取中断到达的准确时刻。

如图9所示，SFD(Start ofFrame Delimiter)表征无线通信模块数据包发送/接收的状态，SFD拉高表征无线通信模块正在发送/接收数据包。第i次接收转发信标包，计时模块的测量时间分别为：信标包开始发送时刻t_i1，信标包结束发送时刻t_i2，信标包开始接收时刻t_i3，信标包结束接收时刻t_i4。

图10显示了信标包的帧结构：

a)报头：信标包的报头，与所使用的通信制式兼容，以IEEE 802.15.4为例，报头为00000000FD；

b)时间戳T_参：表征在一个时间同步周期内，Sink节点测量的第一个信标包开始发送时刻t₁₁；

c)单跳时间T_slot：表征节点完成信标包接收和发送过程所需要的最小时间，由Sink节点测量上一轮时间同步间隔内的平均单跳时间，插入到本轮的信标包中，Sink节点测量的单跳时间计算如下：

$T_{\mathrm{slot}}=((t_{13}-t_{11})+{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{K-1}(t_{i4}-t_{i2}+t_{(i+1)3}-t_{(i+1)1}))/(2K-1)T_2---\left(1\right)$

d)时间间隔T₁：表征时间同步周期；

e)转发次数R_c：表征接收的信标包已经被重复转发的次数；

f)最大重传次数K：表征允许节点最多重传信标包的次数；

g)标准时钟频率f_标：Sink节点外接的公共参考时间的计时频率；

h)等待时间T₂：16位，表征节点在信标包发送/接收状态转换的空闲时间，如图9所示，实现可塑性干扰需要对底层硬件精确的时间控制，在信标包发送或接收的过程中，不允许任何节点计算或I/O行为，如中断、计时器等，如果节点有紧急任务处理，可在等待时间T₂内完成；

i)报尾：信标包的报尾，与所使用的通信制式兼容，包括比如信号强度RSSI、校验位。

进一步的，所述步骤S5包括：

a)S51：时钟相位偏差校正。节点接收到信标包后，从信标包中取出时间戳T_参、时间间隔T₁、转发次数R_c、等待时间T₂、单跳时间T_slot，进行本地时钟相位偏差校正的方法为：

T_校＝T_参+R_c(T_slot+T₂)    (2)

其中，T_校定义为在该节点接收信标包的开始接收时刻的校正值。

b)S52：在一个时间同步间隔T1内，节点最多完成一次时钟相位偏差校正。节点将校正后的时间同步对(r_i,s_i)存储到缓冲区。其中r_i表示第i次接收的相位偏差矫正值T_校，s_i表示对应的节点本地时钟的测量值T_测。每个节点必须存储w个时间同步对后才能实现时钟频率偏差校正。如果缓冲区内的时间同步对数量已超过w，节点删除最旧的时间同步对，开始进行步骤S53。

c)S53：时钟频率偏差校正。节点采用线性递归计算节点频率偏差：

其中，f_校为本节点时钟频率偏差的校正值。

d)S54：时钟校正。在完成时钟相位偏差校正和时钟频率偏差校正后，在一个时间间隔内，假设节点本地时钟测量的逻辑时间为t_测，则校正后的时间t_校为：

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是无线多跳自组织网络节点结构图；

图2是一个典型的并行传输应用场景；

图3是捕获效应；

图4是数据包嵌套传输；

图5是可塑性干扰示意图；

图6是基于网络骨架构建的无线多跳自组织网时间同步系统信息传输示意图；

图7是实施例一所示的所有节点为簇节点的无线多跳自组织网时间同步系统信息传输示意图；

图8是无线时统基本思想示意图；

图9是单跳时间时序图；

图10是时间同步信标包格式。

具体实施方式

为使得本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步的详细描述。

实施例一

参见图7，本发明实施例提供一种应用于无线多跳自组织网络的基于并行传输的时间同步系统。网络节点采用IEEE 802.15.4通信制式。具体来说，网络节点可采用目前广泛应用的TMOTE SKY节点，该节点包括传感器模块、计算模块、无线通信模块和电源模块四部分。传感器模块与本时间同步系统无关，可忽略不计。计算模块采用TI公司的MSP430F149低功耗单片机，外接4MHz晶振O₁。无线通信模块采用TI公司的CC2420模块，外接16MHz晶振O₂。计算模块和无线通信模块也可集成在统一的芯片中，采用单一晶振，如TI公司的新型低功耗单片机CC430，从而降低异步时序带来的节点同步误差，异步时序是由于计算模块和无线通信模块因采用不同的时钟源驱动导致。基于TMOTE SKY节点，可塑性干扰的参考门限T₃为0.5μs。

Sink节点外接GPS等设备与公共参考时间同步。本发明的无线时统系统是保持网络中的所有节点的时钟与Sink节点的参考时钟保持一致。

在本实施例中，网络中的节点具有一定的移动性，具体来说，节点的移动速度不超过1米/秒。由于节点的移动性造成节点可随时加入或离开网络，从而导致网络拓扑的动态变化。

针对本实施例所提出的多跳自组织网络，如图7所示，所有节点均为簇节点，在此情况下，本发明所叙述的无线时统系统不应包括发明内容的S1和S2步骤。

实现可塑性干扰的并行传输机制的关键是使得所有同时转发数据包的节点精确同步在0.5μs之内。

本发明通过一种信号触发的方式实现将节点一跳之内的邻居节点同时转发数据包的时间差异控制在0.5μs之内，通过S31、S32步骤实现可塑性干扰。

为了提高时间测量的精度，本发明提出基于硬件时间戳的时间测量方案。

硬件时间戳是指利用计算单元的中断计时器，当中断到达时，计时器可准确测量中断到达的时刻，并存放在寄存器中。在中断服务流程中，可通过访问寄存器获取中断到达的准确时刻。

MSP430F149模块设置为双向中断使能，即能够同时响应SFD信号的上升沿和下降沿，并产生硬件中断。

如图9所示，信标包开始发送时刻t_i1，信标包结束发送时刻t_i2，信标包开始接收时刻t_i3，信标包结束接收时刻t_i4分别代表不同状态的中断，可通过硬件时间戳准确获取该时刻值。

信标包中的时间戳T_参来自于Sink节点测量的第一个信标包开始发送时刻t₁₁。

值得注意的是，在一个时间间隔T₁内，Sink节点发送的第一个信标包无法包含时间戳T_参，这是因为在第一个信标包开始发送时刻t₁₁，此时信标包已经打包完毕。所有的二跳邻居在收到Rc=1的信标包均丢弃掉，不再转发。

Sink节点收到一跳邻居转发的信标包后，将T_参加入到信标包，进行再次转发。

节点收到信标包后，计算模块会将信标包中的转发次数R_c自动加1，在等待一段固定的时间间隔T₂后，立即进行转发信标包。

节点通过S51、S52、S53、S54完成时钟相位偏差校正、时钟频率偏差校正和时钟校正。

实施例二

在本实施例中，网络中的节点处于静止或准静止状态，网络拓扑基本保持不变，如图6所示。

该实施例主要应用于节点固定部署后不再移动的场合，如大气环境监测、农林业监测等。

在保证覆盖的基础上，通过减少并行传输的节点数目，降低信标包冲突的概率以及减少能量消耗。

给定网络拓扑图，首先使用BFS算法遍历网络拓扑图，计算每个节点离Sink节点的最短跳数，并将最短跳数相同的点归类为处于同一层次的集合，如Φ₁，Φ₂，…，Φ_M。集合Φ_i表示离Sink节点距离为i跳的节点集合。

从Φ₁开始选出最少节点集合Ψ₁，该集合能覆盖Φ₂所有节点，具体方法如下：

a)选出Φ₁中覆盖Φ₂节点最多的节点，设为G₁，从Φ₁中删除G₁，设为Ω₁，令Φ₁=Ω₁；

b)将节点G₁加入集合Ψ₁；

c)从Φ₂中删除节点G₁所有能覆盖的节点，设为Ω₂，令Φ₂=Ω₂；

d)若Φ₂为空，算法完成，退出；否则，转到a)。

重复上述步骤，遍历集合Φ₁，Φ₂，…，Φ_M，选出簇节点集合Ψ₁，Ψ₂…，Ψ_M-1，未被选出的节点标记为叶子结点。

所有的节点将连接关系指向覆盖本节点的簇节点，从而构成BFS树。

Sink节点将簇节点集合和叶子节点集合以网络骨架信息的方式通过网络洪泛方法向全网广播，每个节点根据接收到的网络骨架信息标记自身是否为簇节点。

网络洪泛方法可使用任意一种现有的应用于无线多跳自组织网的洪泛方法。因为网络骨架构建在整个网络运行过程中只构建一次，所以构建代价可承受。

其余实现网络时间同步的方法同实施例一，区别在于簇节点收到信标包后，在等待一段固定的时间间隔T₂后，会进行转发信标包；叶子节点仅接收信标包，并不进行转发。

实施例三

实施例一、实施例二还有一种变形，即节点采用另外一种线形递归的方法来估计时钟频率偏差以及时钟频率偏差的方差，此时节点可不进行S51步骤，即不进行相位偏差校正，其余同实施例一或实施例二。

设第i次接收信标包时，本地时钟的测量时间为c_i，则采用线形递归后的时钟相位偏差估计值p_校、时钟频率偏差估计值f_校、时钟频率偏差估计值的方差var(f_校)为：

$\stackrel{\&OverBar;}{c}=\frac{1}{w}\underset{i=1}{\overset{w}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_i---\left(5\right)$

$\stackrel{\&OverBar;}{w}=\frac{1}{w}\underset{i=1}{\overset{w}{\mathrm{\&Sigma;}}}i=\frac{w+1}{2}---\left(6\right)$

$b=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^w(c_i-\stackrel{\&OverBar;}{c})(i-\stackrel{\&OverBar;}{w})}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^w{(i-\stackrel{\&OverBar;}{w})}^2}---\left(7\right)$

当然，本发明还有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，比如采用多个Sink节点，无线传输制式为IEEE 802.11、蓝牙、Wi-Fi等其它适用于无线多跳自组织网的通信协议，采用各种连接主导集的构建方法来实现网络分簇，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于并行传输的无线多跳自组织网时间同步系统，所述无线多跳自组织网络包含多个节点，每个节点包括无线通信模块、计算处理模块和电源模块，每个节点使用MAC层硬件时间戳来获取节点在MAC层开始发送数据包、结束发送数据包和开始接收数据包、结束接收数据包的四种状态时刻，网络中存在一个节点(称作Sink节点)外接公共参考时钟源，所述时间同步系统实现全网时间同步的方法其特征在于包括如下步骤：

步骤一：Sink节点每隔T₁定期发送包含时间同步信息的信标包，并通过可塑性干扰的并行传播方式在全网广播，在一个时间同步周期内，Sink节点测量信标包开始发送时刻t₁₁，并将该时刻的时间戳插入到信标包内；

步骤二：节点收到信标包后，计算模块会将信标包中的转发次数R_c自动加1，在等待一段固定的时间间隔T₂后，立即进行转发信标包，叶子节点仅接收信标包，并不进行转发；

步骤三：节点接收到信标包后，根据信标包中的信息进行本地时钟相位偏差校正；根据相位偏差校正的结果，节点通过线性递归的方法进行频率偏差校正；根据相位偏差和频率偏差的校正值来完成时间同步。

2.如权利要求1所述的时间同步系统，其特征在于：网络中节点分为簇节点和叶子节点两类，簇节点收到信标包，在等待一段固定的时间间隔T₂后，立即转发信标包；叶子节点仅接收信标包，并不进行转发。

3.如权利要求1所述的包含时间同步信息的信标包，其特征在于：信标包包含时间戳T_参、单跳时间T_slot、时间间隔T₁、转发次数R_c、最大重传次数K、标准时钟频率f_标、等待时间T₂字段；信标包可借助无线通信协议已定义的信标帧，利用保留字节增加其中的字段。

4.如权利要求1所述的节点使用MAC层硬件时间戳，其特征在于，节点中的计算模块一般具有数据存储和计时的功能，无线通信模块和计算模块可采用不同／相同的晶振进行数字逻辑驱动，计时模块应能准确测量信标包四种MAC层通信状态的时刻，即信标包开始发送时刻，信标包结束发送时刻，信标包开始接收时刻，信标包结束接收时刻，设第i次接收转发信标包，计时模块的测量时间分别为：信标包开始发送时刻t_i1，信标包结束发送时刻t_i2,信标包开始接收时刻t_i3，信标包结束接收时刻t_i4，则时间戳T_参，表征在一个时间同步周期内，Sink节点测量的第一个信标包开始发送时刻。

5.如权利要求1所述的可塑性干扰的并行传输方式，其特征在于，在实现不同节点发送的数据包并行传输时，并行传输的节点通过接收共同的信标包作为实现节点同时转发的参考信号，节点同时转发的最大时间差不应该超过可塑性干扰的参考门限T₃，同时参与转发的节点发送的数据包内容必须严格一致，节点收到信标包后，计算模块会将信标包中的转发次数R_c自动加1，在等待一段固定的时间间隔T₂后，立即转发信标包，节点可继续接收并转发来自于邻居节点的信标包，但在时间间隔T₁内，接收并重传的次数不应超过允许的最大数据包重传次数K。

6.如权利要求1所述的时间同步系统，其特征在于，节点接到信标包后，从信标包中取出时间戳T_参、时间间隔T₁、转发次数R_c、等待时间T₂、单跳时间T_slot，进行本地时钟相位偏差校正的方法为：

T_校＝T_参+R_c(T_slot+T₂）

其中，T_校定义为该节点接收信标包的开始接收时刻的校正值，单跳时间T_slot的特征在于，由Sink节点测量上一轮时间同步间隔内的平均单跳时间，插入到本轮的信标包中。

7.如权利要求1所述的时间同步系统，其特征进一步在于，节点通过线性递归(1inear regression)的方法来估计本地时钟与公共参考时间的频率偏差，假设每个节点接收并存储W个时间同步对(r_i，s_i)，其中r_i表示第i次接收的相位偏差矫正值T_校，s_i表示对应的节点本地时钟的测量值T_测，节点采用线性递归计算节点频率偏差：

其中，f_校为节点时钟频率偏差的校正值，进而，在完成时钟相位偏差校正和时钟频率偏差校正后，在一个时间间隔T₁内，假设节点本地时钟测量的逻辑时间为t_测，则校正后的时间t_校为：

8.如权利要求2所述的无线多跳自组织网，其特征在于，由Sink节点进行网络分簇计算，节点的分簇信息由Sink节点在全网广播；网络中的所有节点均可为簇节点；具体的分簇方法可使用在网络中构建BFS(Breadth First Search)树或构建连接主导集(Connected Dominant Set，CDS)的方法。

9.如权利要求8所述的构建BFS树的方法分为三个步骤：

步骤一：给定网络拓扑图，使用BFS算法遍历网络拓扑图，计算每个节点离Sink节点的最短跳数，并将最短跳数相同的点归类为处于同一层次的集合；

步骤二：从第一层集合开始，选出最少节点，这些节点能覆盖下层所有节点，被选出的节点标记为簇节点，未被选出的节点标记为叶子结点；

步骤三：所有的节点将连接关系指向覆盖本节点的簇节点，从而构成BFS树。