CN106231669A - 无线传感器网络时间同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络时间同步的方法，该方法包括粗校时和精校时两个操作,在无线传感器网络中每个节点都具有单独的计时时钟，且节点之间具有数据通信能力,待同步节点B每隔T时间向基准节点A进行粗校时和精校时操作，使待同步节点B与基准节点A时间保持一致；与传统的无线传感器网络时间同步的方法相比，本方法能够更精确地对无线传感器网络节点进行时间同步。

Description

无线传感器网络时间同步的方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络时间同步的方法，通过粗校时和精校时两个操作，使待同步节点与基准节点保持时间同步。

技术背景

目前，无线传感器网络已在军事，工业，农业，环境，医疗等起着举足轻重的作用。在一些应用中，无线传感器网络节点需要精确地在相同时间点共同执行特定任务，因此，时间同步技术对无线传感器网络的这些应用至关重要。

无线传感器每个节点内部的计时时钟会受晶振制作工艺、工作环境、晶体不纯或晶体老化的影响偏离标定的频率，从而导致节点内频率漂移现象；即使所有节点计时时钟在某一时刻与基准节点时间一致，长时间的频率漂移也将导致节点的计时时钟与基准时间出现偏差。

国内外已经研究出RBS(参考广播同步算法)、DMTS(延迟测量时间同步算法)、TPSN(传感器网络时间同步协议)、FTSP(洪泛时间同步算法)、LTS(轻量级生成树时间同步算法)等近10余钟不同的时间同步算法。这几种算法可以分为基于接收者-接收者的时间同步算法，基于成对同步的双向时间同步算法，基于发送者-接收者的单向时间同步算法等三种机制，RBS、TPSN和DMTS等三种算法就分别对应上述的三类机制。

这些时间同步方法均依赖于节点之间信息交换的形式，当网络中的一个节点给其他节点发送一个携带时间戳的数据包来同步时间时，携带时间戳的数据包在到达接收端并被响应之前有一个可变的时间延迟，这个延迟阻止了接收方和发送方精确地比较本地时钟，不能实现接收方准确地同步到发送方。

目前，无线传感器网络时间同步方法已经成为无线传感器网络技术的研究热点，这既有学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法，如发明专利申请《一种无线传感器网络的时间同步方法及系统》(CN 103281772 A)和《无线传感器网络中的时间同步方法及系统》(CN 102355319 A)。其中，中国发明专利申请公开说明书CN 103281772A于2013年9月4日公开的《一种无线传感器网络的时间同步方法及系统》，是先初始化无线传感器网络中所有节点的同步参数，设置同步定时器，打开定时器中断；然后无线传感器网络中的任意节点收到所述同步定时器的中断消息时，向其邻居节点发送同步报文；最后，所述邻居节点接收传来的同步报文，并根据该同步报文更新自身的时钟补偿参数。但是，该无线传感器网络时间同步方法存在着以下不足：

1)该无线传感器网络时间同步方法中设置定时器中断，然后节点接收中断信号并做出响应，这一阶段有时间延迟对时间同步精度有较大的影响；

2)邻居节点接收传来的同步报文并根据该同步报文更新自身的时钟，这一阶段并不能保证邻居节点接收到同步报文并立即响应且信号在传输过程中存在时间延迟，因而邻居节点在时间同步过程中存在误差，使无线传感器网络时间同步精度不高。

中国发明专利申请公开说明书CN 102355319 A于2012年2月15日公开的《无线传感器网络中的时间同步方法及系统》，首先生成带有时间戳的同步数据包，向子节点传输所述同步数据包；子节点接收所述同步数据包，并在所述同步数据包中标记接收时间戳；根据所述同步数据包中发送时间戳和接收时间戳对所述子节点补偿时钟飘移。其存在的主要不足点包括：

1)该无线传感器网络时间同步方法在生成带有时间戳的同步数据包以及向别的节点传输同步数据包存在延迟，且待同步节点接收到同步数据包时并不能立即响应，因而，此种无线传感器网络时间同步方法精度有限；

2)该无线传感器网络时间同步方法中，子节点根据发送时间戳和接收时间戳进行的时钟漂移补偿存在着原理性误差，这导致无线传感器网络时间同步精度受限。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决无线传感器网络时间同步精度低等问题，提出了一种待同步节点带有时间比较器的无线传感器网络时间同步的方法。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种无线传感器网络时间同步的方法，所述的无线传感器网络中的每个节点都具有单独的计时时钟，节点间通过无线收发装置进行相互通信,待同步节点每隔T时间向基准节点进行粗校时和精校时操作,保持节点之间的时间同步；

所述T的取值范围为3-10分钟；

所述粗校时操作为第一阶段，精校时操作为第二阶段，两个阶段的间隔时间记为N；

所述的粗校时操作，包括以下步骤：

1)设无线传感器网络节点A为基准节点，以基准节点A的计时时钟为基准时钟，其他网络节点为待同步节点，记为B，待同步节点B的计时时钟为待同步时钟；

2)设定基准节点A在基准时钟时间为t₀时，向无线传感器网络的待同步节点B发送校时数据包X，校时数据包X中包含基准时钟时间为t₀的信息；

3)待同步节点B接收到包含信息t₀的校时数据包X后，待同步节点B调整其自身的计时时钟时间t_B与t₀数值相等，记为t_0B，由于数据包传输和处理导致的延时，此时基准节点A的计时时钟时间已经变化为t_0A,则t_0B小于t_0A，基准节点A与待同步节点B之间的实际时钟差记为Δt₀＝t_0A-t_0B，其中，Δ_t0为基准节点A发射、传输校时数据包X以及待同步节点B接收处理校时数据包X所产生的延时时间；

所述的精校时操作，包括以下步骤：

1)基准节点A与待同步节点B通过通信，在各自计时时钟时间为t₁时，进行精校时操作，其中t₁与t₀的时间间隔为N；

2)基准节点A的基准时钟先到达t₁时，触发一个信号并发送给待同步节点B，待同步节点B接收到基准节点A发出的信号，进行放大处理后，输出到待同步节点B中的时间比较器部件；待同步节点B计时时钟到达t₁时刻时，也触发一个信号，直接输出到待同步节点B中的时间比较器部件；

3)待同步节点B接收到的基准节点A发出的信号与待同步节点B计时时钟到达t₁时刻时自身所触发的信号的时间差记为Δt₁，待同步节点B将其自身的计时时钟时间t_B调整为t₁+Δt₁+(d/c),其中，d为基准节点A与待同步节点B之间距离，c为信号传输速度，则(d/c)为基准节点A发送信号到待同步节点B的延时时间。

优选地，所述的计时时钟的时间为24小时制。

优选地，所述的间隔时间N的取值范围为1-5秒。

本发明公开的一种无传感器网络时间同步的方法，在时间一致性要求较高的场合时，本发明实现了较高的无线传感器网络时间同步精度，其有益效果具体体现在：

1、本发明先通过粗校时阶段对待同步节点进行粗略的校时，然后，对待同步节点进行细校时，使待同步节点与基准节点时钟保持一致。

2、本发明中的细校时阶段采用的时间比较器测出的时间差更加精准，且细校时阶段中的传输时间也得到较精准的补偿，因此本发明的时间同步方法更精确。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的系统结构图。

图3为本发明待同步节点时间变化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及优点更加明晰，下面结合附图及实施实例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的方法流程图。由该图可见，本发明包括粗校时操作和精校时操作以及延时阶段等三个阶段，其中，粗校时操作为第一阶段，精校时操作为第二阶段，两个阶段的间隔时间记为N；

图2是本发明的系统结构图。图2中节点A为基准节点，节点B为待同步节点且时间比较器包含在待同步节点B内，节点A、B均具有单独的计时时钟，其中，节点A的计时时钟为基准时钟，节点B的计时时钟为待同步时钟，基准节点A与待同步节点B通过无线收发装置进行相互通信。

本发明实施例的步骤如下：

粗校时操作阶段：

步骤1.1，设定基准节点A在基准时钟时间t₀为零点时，向无线传感器网络的待同步节点B发送校时数据包X，校时数据包X中包含基准时钟时间t₀为零点的信息；

步骤1.2，待同步节点B接收到包含基准时钟时间t₀为零点信息的校时数据包X后，待同步节点B调整其自身的计时时钟时间t_B与t₀数值相等即零点，记为t_0B，由于数据包传输和处理导致的延时，此时基准节点A的计时时钟时间已经变化为t_0A,则t_0B小于t_0A，基准节点A与待同步节点B之间的实际时钟差记为Δt₀＝t_0A-t_0B＝100毫秒，其中，Δt₀为基准节点A发射、传输校时数据包X以及待同步节点B接收处理校时数据包X所产生的延时时间。

精校时操作阶段：

步骤2.1，基准节点A与待同步节点B通过通信，约定在各自计时时钟时间t₁为0点0分2秒时，进行精校时操作，即本实施例中，两种校时操作的时间间隔N为2秒；

步骤2.2，基准节点A计时时钟时间先到达t₁,即0点0分2秒时，触发一个信号并发送给待同步节点B，待同步节点B接收到基准节点A发出的信号，进行放大处理后，输出到待同步节点B中的时间比较器部件；待同步节点B计时时钟到达t₁,即0点0分2秒时，也触发一个信号，直接输出到待同步节点B中的时间比较器部件,其中，基准节点A和待同步节点B触发一个信号是瞬间动作；

步骤2.3，待同步节点B接收到的基准节点A发出的信号与待同步节点B计时时钟到达t₁时刻时自身所触发的信号的时间差记为Δt₁，本实施例中Δt₁为100毫秒。待同步节点B将其自身的计时时钟时间t_B调整为t₁+Δt₁+(d/c)，其中，d为基准节点A与待同步节点B之间距离，c为信号传输速度，则(d/c)为基准节点A发送信号到待同步节点B的延时时间。本实施例中，基准节点A与待同步节点B之间距离为一百米，信号传输速度值为299792.458km/s，基准节点A发送信号到待同步节点B的延时时间为330纳秒。则本实施例中t_B调整为0点0分2秒100毫秒330纳秒,

在本实施例中，无线传感器网络中每个节点都具有单独的计时时钟，节点间通过无线收发装置进行相互通信，待同步节点每隔5分钟向基准节点进行粗校时和精校时操作，保持各个节点之间的时间同步。即本实施例中，T为5分钟。

本实施例中计时时钟的时间为24小时制。

待同步节点在粗校时操作与精校时操作阶段中时间变化情况如图3。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络时间同步的方法，其特征在于：所述的无线传感器网络中的每个节点都具有单独的计时时钟，节点间通过无线收发装置进行相互通信,待同步节点每隔T时间向基准节点进行粗校时和精校时操作,保持节点之间的时间同步；

所述T的取值范围为3-10分钟；

所述粗校时操作为第一阶段，精校时操作为第二阶段，两个阶段的间隔时间记为N；

所述的粗校时操作，包括以下步骤：

1)设无线传感器网络节点A为基准节点，以基准节点A的计时时钟为基准时钟，其他网络节点为待同步节点，记为B，待同步节点B的计时时钟为待同步时钟；

2)设定基准节点A在基准时钟时间为t₀时，向无线传感器网络的待同步节点B发送校时数据包X，校时数据包X中包含基准时钟时间为t₀的信息；

3)待同步节点B接收到包含信息t₀的校时数据包X后，待同步节点B调整其自身的计时时钟时间t_B与t₀数值相等，记为t_0B，由于数据包传输和处理导致的延时，此时基准节点A的计时时钟时间已经变化为t_0A,则t_0B小于t_0A，基准节点A与待同步节点B之间的实际时钟差记为Δt₀＝t_0A-t_0B，其中，Δt₀为基准节点A发射、传输校时数据包X以及待同步节点B接收处理校时数据包X所产生的延时时间；

所述的精校时操作，包括以下步骤：

1)基准节点A与待同步节点B通过通信，在各自计时时钟时间为t₁时，进行精校时操作，其中t₁与t₀的时间间隔为N；

2)基准节点A的基准时钟先到达t₁时，触发一个信号并发送给待同步节点B，待同步节点B接收到基准节点A发出的信号，进行放大处理后，输出到待同步节点B中的时间比较器部件；待同步节点B计时时钟到达t₁时刻时，也触发一个信号，直接输出到待同步节点B中的时间比较器部件；

3)待同步节点B接收到的基准节点A发出的信号与待同步节点B计时时钟到达t₁时刻时自身所触发的信号的时间差记为Δt₁，待同步节点B将其自身的计时时钟时间t_B调整为t₁+Δt₁+(d/c),其中，d为基准节点A与待同步节点B之间距离，c为信号传输速度，则(d/c)为基准节点A发送信号到待同步节点B的延时时间。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络时间同步的方法，其特征在于：所述的计时时钟的时间为24小时制。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络时间同步的方法，其特征在于：所述的间隔时间N的取值范围为1-5秒。