CN104158647A - 一种无线传感网络时钟同步方法 - Google Patents

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CN104158647A CN201410424406.2A CN201410424406A CN104158647A CN 104158647 A CN104158647 A CN 104158647A CN 201410424406 A CN201410424406 A CN 201410424406A CN 104158647 A CN104158647 A CN 104158647A
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李艳萍
郭丽芳
陈相南
任腾飞
赵晓丽
张博叶
郝喜国
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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:网络包括一个主节点和n个从节点,从节点进行相对时钟漂移估计,然后主节点和从节点之间通过交换同步报文进行主从节点间时钟同步,对由于晶体振荡器引起的时钟偏差进行补偿,从而对从节点本地时钟进行调节,以实现与主节点时钟的精确同步。本发明能够有效地抑制由于晶体振荡器所引起的时钟漂移问题,提高网络节点间的时钟同步精度。

Description

一种无线传感网络时钟同步方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 在无线传感网络中,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。
[0004] 典型的用于WSN的时间同步算法主要包括RBS (Reference Broadcast Synchronization)、TPSN(Time Protocol for Sensor Networks)、FTSP (Flooding Time Synchronization Protocol)以及 DMTS (Delay Measurement Time Synchronization)等。
[0005] PTP协议是IEEE 1588标准所定义的精确时钟同步协议。IEEE 1588标准是针对测 控系统的精确时钟同步而定义的,涉及的技术包括本地计算、网络通讯和分布式对象等,可 以应用于包括不同精确度、分辨率和稳定性的混杂系统中,以实现时钟同步。此外,它的软 硬件要求较低,安装维护、运行等费用低,过程简单可靠,管理容易,传输距离不受限制。
[0006] 在一般系统中,通常使用计数器来表示各节点时钟时间,由有源或者无源晶体振 荡器驱动。这类晶体振荡器一般价格低廉、精度低,并且容易受环境影响,发生时钟漂移。为 提高网络时钟的同步精度,选一个精确的晶体振荡器是非常重要的。但是,时钟老化等所带 来的漂移率仍然是不可避免的问题,时钟漂移补偿算法是必不可少的。大部分微控制器的 时钟由晶体振荡器驱动,对于商业晶体振荡器,其频率通常在其标称值上下10〜100ppm范 围内变化,那么节点之间的相对时钟漂移就有可能达到200ppm,当测量较长的时间间隔时, 相对时钟漂移将对测量精度产生较明显的影响。
发明内容
[0007] 本发明为解决无线传感网络中,由于晶体振荡器的抖动所引起的同步周期内的时 钟偏差问题。
[0008] 本发明是采用如下的技术方案实现的:
[0009] 无线传感网络包括一个主节点和η个从节点,所述方法包括如下步骤:
[0010] 步骤1 :对从节点η的时钟漂移率ρ η进行建模:
[0011] p n(k) = p n(k-l)+v(k);
[0012] P n* (k) = ρ η (k) +w (k);
[0013] 其中,p n(k)为第k次同步时节点η的相对时钟漂移率;v(k)为零均值的正态分 布随机变量,表示由于晶体振荡器的漂移引起偏差的过程噪声^^(k)为第k次同步时测 量的节点η相对于主节点的时钟漂移率;w(k)为零均值的正态分布随机变量,表示测量噪 声;
[0014] 步骤2 :利用模型的上一状态来预测出当前状态:
[0015]
Figure CN104158647AD00051
[0016] P(k|k-1) =P(k-l)+Q;
[0017] 其中,
Figure CN104158647AD00052
为在第k次同步中时钟相对漂移率的估计量;
Figure CN104158647AD00053
为在第k 次同步中对时钟相对漂移率的预估计量;p(k|k-ι)为在第k次同步中先验误差预测协方 差;p(k)为第k次同步中修正后的误差协方差;Q为正态随机变量v(k)的方差;Kg(k)为第 k次同步中的增益;R为正态随机变量w(k)的方差;
[0018] 步骤3 :结合当前状态的预测估计量和当前状态的测量值进行修正,得到当前状 态的最优估算值:
Figure CN104158647AD00054
[0019]
[0020]
[0021] P(k) = (l-Kg(k))P(k|k-l);
[0022] 步骤4:主时钟首先向从时钟发送同步报文,其中包含报文离开主时钟的时间估 计值,当从时钟收到同步报文时,记录其接收时戳Ts 1;随后主时钟发出跟随报文,其包含同 步报文的精确发送时戳Tdelay_m ;
[0023] 步骤5 :由从时钟向主时钟发送一个延时请求报文,同时从时钟记录该报文发送 的精确时戳Tdelay s;当主时钟收到该延时请求报文时,记录下该报文接收到的精确时戳 Tdelay_m,然后主时钟向从时钟发送包含时戳Tdelay m的报文延时响应;
[0024] 步骤6 :根据所述步骤4和步骤5中记录的时戳,得到时钟偏移I;ffsrt和时间延迟
Figure CN104158647AD00055
丁 · 1 delay ·
[0025]
[0026]
[0027] 步骤7 :从时钟的本地时间进行如下调节:
[0028] 1)第k次同步中同步报文到达从时钟的时戳T™。(1〇为:
[0029]
Figure CN104158647AD00056
[0030] 式中,Tsyn/(k_l)为经过同步修正后的第k-Ι次同步报文到达从时钟的时戳,其由 步骤3)获得,T delay m(k)-Tdelay m(k_l)为从时钟所测得的两次时钟同步的时间增量,即同步 周期;
[0031] 2)从时钟与主时钟之间的偏移为:
[0032]
Figure CN104158647AD00061
[0033] 3)对第k次同步中的同步报文到达时戳进行斜率补偿,补偿后的时戳为:
[0034]
Figure CN104158647AD00062
[0035] 优选的,所述无线传感网络采用ZigBee协议进行节点间通信。
[0036] 优选的,所述同步方法的同步频率为2kHz-8kHz。
[0037] 相比于现有技术,本发明提供的时钟同步方法中,从节点进行相对时钟漂移估计, 然后通过交换同步报文进行主从节点间时钟同步,对由于晶体振荡器引起的时钟偏差进行 补偿,从而对从节点本地时钟进行调节,以实现与主节点时钟的精确同步。在无线传感网络 中,网络节点的硬件中通常使用计数器来表示各节点时钟时间,由有源或者无源晶体振荡 器驱动。这类晶体振荡器一般价格低廉、精度低,并且容易受环境影响,发生时钟漂移。本 发明有效地抑制了由于晶体振荡器所引起的时钟漂移问题,提高网络节点间的时钟同步。
附图说明
[0038] 图1为PTP协议同步过程示图。
[0039] 图2为采用时钟同步算法的节点间时钟偏差示图。
[0040] 图3为采用PTP协议的节点间时钟偏差示图。
[0041] 图4为具有时钟漂移补偿的节点间时钟偏差示图。
[0042] 图5为同步频率为0. 25Hz下的时钟偏差示图。
[0043] 图6为同步频率为0. 5Hz下的时钟偏差示图。
[0044] 图7为同步频率为1Hz下的时钟偏差示图。
[0045] 图8为同步频率为2Hz下的时钟偏差示图。
[0046] 图9为同步频率为4Hz下的时钟偏差示图。
[0047] 图10为同步频率为8Hz下的时钟偏差示图。
[0048] 下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
[0049] 本发明为解决无线传感网络中,由于晶体振荡器的抖动所引起的同步周期内的时 钟偏差问题。本发明是采用如下的技术方案实现的:
[0050] 如附图1所示,无线传感网络包括一个主节点和η个从节点,所述方法包括如下步 骤:
[0051] 步骤1 :对从节点η的时钟漂移率Ρ η进行建模:
[0052] p n(k) = p n(k-l)+v(k);
[0053] P n* (k) = ρ η (k) +w (k);
[0054] 其中,P n(k)为第k次同步时节点n的相对时钟漂移率;v(k)为零均值的正态分 布随机变量,表示由于晶体振荡器的漂移引起偏差的过程噪声4:00为第k次同步时测 量的节点η相对于主节点的时钟漂移率;w(k)为零均值的正态分布随机变量,表示测量噪 声;
[0055] 步骤2 :利用模型的上一状态来预测出当前状态:
[0056] ρ"(Α: | 众一I) = ρ"(Α: - 1);
[0057] P(k|k-1) = P(k-1)+Q ;
[0058] 其中,氏从)为在第k次同步中时钟相对漂移率的估计量;f5"〇 μ〜1)为在第k 次同步中对时钟相对漂移率的预估计量;P(k|k-1)为在第k次同步中先验误差预测协方 差;p(k)为第k次同步中修正后的误差协方差;Q为正态随机变量v(k)的方差;Kg (k)为第 k次同步中的增益;R为正态随机变量w(k)的方差;
[0059] 步骤3 :结合当前状态的预测估计量和当前状态的测量值进行修正,得到当前状 态的最优估算值:
Figure CN104158647AD00071
[0060]
[0061]
[0062] P(k) = (l~Kg (k)) P (k | k~l);
[0063] 步骤4:主时钟首先向从时钟发送同步报文,其中包含报文离开主时钟的时间估 计值,当从时钟收到同步报文时,记录其接收时戳T sync; s ;随后主时钟发出跟随报文,其包含 同步报文的精确发送时戳Tdelay m ;
[0064] 步骤5 :由从时钟向主时钟发送一个延时请求报文,同时从时钟记录该报文发送 的精确时戳Tdelays;当主时钟收到该延时请求报文时,记录下该报文接收到的精确时戳 Tdelay_m,然后主时钟向从时钟发送包含时戳Tdelay m的报文延时响应;
[0065] 步骤6 :根据所述步骤4和步骤5中记录的时戳,得到时钟偏移I;ffsrt和时间延迟
Figure CN104158647AD00072
[0068] 步骤7 :从时钟的本地时间进行如下调节:[0069] 1)第k次同步中同步报文到达从时钟的时戳Tsyn s(k)为: 丁 · 1 delay ·
[0066]
[0067]
[0070]
Figure CN104158647AD00073
[0071] 式中,Tsyn /(k_l)为经过同步修正后的第k-1次同步报文到达从时钟的时戳,其由 步骤3)获得,Tdelay m(k)-Tdelay m(k_l)为从时钟所测得的两次时钟同步的时间增量,即同步 周期;
[0072] 2)从时钟与主时钟之间的偏移为:
[0073] Toffset(k) = Tsync_s(k)-Tsync m(k)-Tdelay(k);
[0074] 3)对第k次同步中的同步报文到达时戳进行斜率补偿,补偿后的时戳为:
[0075] Tsync_s* (k) = Tsync_s (k) -Toffset 〇
[0076] 优选的,所述无线传感网络采用ZigBee协议进行节点间通信。从节点时钟和主 节点时钟的最大时钟漂移率分别设为±1〇〇ΡΡΜ(即主从时钟之间的最大相对漂移率为 200PPM),系统的同步周期设为ls,系统从第Is开始同步。分别对未采用任何同步算法、时 钟漂移补偿前的PPT时钟同步算法和进行时钟漂移补偿后的时钟同步算法三种情况进行 仿真,结果分别如附图2、附图3和附图4所示。
[0077] 从附图2中可以看出,随着时间的增加主从时钟之间的时钟偏差的整体趋势是逐 渐增大,在50s内时钟偏差可达到ΙΟΟΟμ s。因此,在无线传感网络中应用时钟同步算法是 非常必要的。
[0078] 从附图3中可以看出,对于ΡΤΡ时钟同步方法,经过一次同步之后系统可以消除时 钟的初始偏差,然后主、从时钟同步偏差基本稳定在±200 μ S以内。从附图4中可以看出, 对于采用时钟漂移补偿后时钟同步算法,同样经过一次同步之后可以消除时钟初始偏差, 然后可以迅速地降低系统的同步偏差,系统时钟偏差基本稳定在±50 μ s以内。
[0079] 由于时钟偏差与同步周期相关,当然同步频率越高时钟偏差越小,但是由于受到 网络通信流量与系统功耗的限制,同步频率应尽可能低。本发明对不同的同步周期分别进 行仿真,结果如附图5所示。
[0080] 从仿真结果中可以看出,时钟偏差随着同步频率的增大而减小,同时,还可以得出 当同步频率从0. 25Hz增大到2Hz时,时钟偏差的变化非常显著;当同步频率从2Hz增大到 8Hz时,时钟偏差的变化并不是很显著。因此,出于功耗的考虑,所述同步方法的同步频率优 选为2kHz。

Claims (3)

1. 一种无线传感网络时钟同步方法,其特征在于,无线传感网络包括一个主节点和η 个从节点,所述方法包括如下步骤: 步骤1 :对从节点η的时钟漂移率ρ η进行建模: P n(k) = p n(k-l)+v(k); P n* (k) = p n (k) +w (k); 其中,Pn(k)为第k次同步时节点n的相对时钟漂移率;v(k)为零均值的正态分布随 机变量,表示由于晶体振荡器的漂移引起偏差的过程噪声4:00为第k次同步时测量的 节点η相对于主节点的时钟漂移率;w(k)为零均值的正态分布随机变量,表示测量噪声; 步骤2 :利用模型的上一状态来预测出当前状态:
Figure CN104158647AC00021
P(k|k-1) = P(k-1)+Q ; 其中,
Figure CN104158647AC00022
为在第k次同步中时钟相对漂移率的估计量;
Figure CN104158647AC00023
为在第k次 同步中对时钟相对漂移率的预估计量;P(k| k-i)为在第k次同步中先验误差预测协方差; P(k)为第k次同步中修正后的误差协方差;Q为正态随机变量v(k)的方差;Kg(k)为第k 次同步中的增益;R为正态随机变量w(k)的方差; 步骤3:结合当前状态的预测估计量和当前状态的测量值进行修正,得到当前状态的 最优估算值:
Figure CN104158647AC00024
P(k) = (l-Kg(k))P(k|k-l); 步骤4:主时钟首先向从时钟发送同步报文,其中包含报文离开主时钟的时间估计值, 当从时钟收到同步报文时,记录其接收时戳Tsyvc; s;随后主时钟发出跟随报文,其包含同步 报文的精确发送时戳Tsyn。m ; 步骤5 :由从时钟向主时钟发送一个延时请求报文,同时从时钟记录该报文发送的精 确时戳Tdelay s ;当主时钟收到该延时请求报文时,记录下该报文接收到的精确时戳Tdelay m, 然后主时钟向从时钟发送包含时戳Tdelay m的报文延时响应; 步骤6 :根据所述步骤4和步骤5中记录的时戳,得到时钟偏移和时间延迟Tdelay :
Figure CN104158647AC00025
步骤7 :从时钟的本地时间进行如下调节: 1)第k次同步中同步报文到达从时钟的时戳1'_ 3(1〇为:
Figure CN104158647AC00026
式中
Figure CN104158647AC00031
)为经过同步修正后的第k-1次同步报文到达从时钟的时戳,其由步 骤3)获得,为从时钟所测得的两次时钟同步的时间增量,即同步周 期; 2) 从时钟与主时钟之间的偏移I;ffset(k)为: T〇ffset (k) = Tsync_s(k)-Tsync m(k)-Tdelay(k); 3) 对第k次同步中的同步报文到达时戳进行斜率补偿,补偿后的时戳为: Tsync-/ 00 = Tsync-s 〇〇 _Toff set 〇
2. 根据权利要求1所述的无线传感网络时钟同步方法,其特征在于,所述无线传感网 络采用ZigBee协议进行节点间通信。
3. 根据权利要求1所述的无线传感网络时钟同步方法,其特征在于,所述同步方法的 同步频率为2kHz-8kHz (优选为2kHz)。
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