CN108900273A - 一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，用于为大规模无线传感器网络提供精准的时间同步服务，所述方法包括如下内容：时间同步信息产生，时间基准源节点周期性广播带有时间信息和序列号信息的同步报文；时间同步信息扩散，节点在收到同步报文后进行转发，直到所有节点转发完成；时间同步信息计算，网络中节点收到新的同步信息报文，通过时间信息和延迟时间计算出当前节点接收同步报文的发送时间戳，获得实时有效时间信息。

Description

一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法。

背景技术

无线传感器网络是一种多跳自组织网络，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽准确的信息，并传送给需要这些信息的用户。因此无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一。

在无线传感器网络应用中，往往需要多个节点感应的信息进行信息协同处理或数据融合。这就要求相关的传感器节点所采集的数据在时间上是关联的，有时甚至要求是同步的，但如果各个传感器节点不同步，这样来自传感器节点数据的相关性就会受到影响。无线传感器网络的许多应用对于时间同步都有要求，例如，要测量声音的传播时间就需要节点非常精确的时间；形成分布式波束成型阵列；构成低能量的TDMA无线调度；多传感器节点时序信息的融合以估计目标移动速度；识别许多节点对同一时间的重复探测以压缩冗余信息。一些诸如数据库查询、加密和验证方案、未来行动的协调、与用户交互、系统调试时有序的日志事件等应用都需要传感器节点间精确的时间同步。准确的时间同步是实现传感器网络自身协议的运行、定位、多传感器数据融合、移动目标的跟踪以及基于睡眠/侦听模式的节能等技术的基础

无线网络中的节点都有各自的本地时钟。由于一些内在因素(如晶体振荡频率存在偏差等)和一些外在因素(如温度变化和电磁干扰等)的影响，节点之间很难达到长期的时间同步，即使在某个时刻所有节点都能够达到时间同步，节点之间的时间也会逐渐出现偏差。时间同步通过估算节点间的物理时钟之间的关系构造出对应的逻辑时钟，以达成时间同步。对于网络化的时间同步，需要构造便于进行时间同步的拓扑结构，并以此使得网络中各节点具备统一的逻辑时间，最终实现全网的时间同步。

目前，无线传感器网络典型的时间同步方法在单跳精度上能够达到几个微秒以内，但是随着网络规模的扩大和通信跳数的增加，节点间的同步误差具有累积效应和误差不均衡效应，比如一跳误差为e，则对于n跳节点来说误差可能会达到n*e，而不同同步路径的n跳节点间误差可能达到2n*e，从而为无线传感器网络的通信带来不稳定性。尽管目前存在一些补偿算法对多跳同步进行算法补偿，在一定程度上降低了误差累积和不均衡效应，仍然无法从根本上消除误差累积效应，特别是当通信跳数增加到十跳以上，通过补偿降低的误差累积和不均衡效应微乎其微。因此，面向大规模多跳的无线传感器网络相关的应用领域迫切需要一种能够实现多跳一致的稳定可靠时间同步方法。

发明内容

针对现有技术中无线传感器网络大规模多跳网络应用中存在同步误差累积和不均衡效应等不足之处，本发明提供一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，包括：

时间同步信息产生步骤：根节点作为时间基准源节点，周期性地广播同步报文，所述同步报文，包括：时间信息、序列号和延迟时间；所述序列号与时间信息一一对应，具备唯一性；初始延迟时间为零；所述时间信息为根节点将同步报文发出时刻对应的基准源时间；所述延迟时间为节点内从接收报文到转发出去报文所消耗的时间；

时间同步信息扩散和时间同步步骤：每个节点接收到同步报文后，首先根据序列号判断同步报文中的序列号是否曾经接收过，如果曾经接收过，则对本地时间不进行更新，丢弃该同步报文；

否则，依据同步报文中的时间信息与延迟时间求和结果，对当前节点的本地时间进行同步更新；节点对同步报文进行更新：保持同步报文中的时间信息和序列号不变；节点将自身转发出同步报文的时间点与自身接收到同步报文的时间差作为转发时间延迟累计到同步报文的延迟时间中；

每个节点将更新后的同步报文通过广播方式转发给其他节点，直至所有节点完成同一个序列号对应的同步报文转发，同时所有节点完成对自身本地时间的时间同步更新为止。

进一步的，所述时间同步信息扩散和时间同步步骤如下：

与根节点连接的一级节点在接收到根节点同步报文后，对同步报文中的时间信息进行提取，基于时间信息对一级节点的本地时间进行时间同步更新；一级节点对同步报文进行更新：保持时间信息和序列号不变，计算报文在一级节点中转发时间点和接收时间点之间的时间差，将时间差累加到同步报文的延迟时间中，所述时间差为同步更新后本地时间对应的时间差；将更新后的延迟时间通过时间戳的形式注入同步报文中；一级节点将更新后的同步报文转发给与一级节点连接的二级节点；

二级节点在接收到新序列号对应的同步报文后，首先根据序列号判断同步报文中的序列号是否曾经接收过，如果曾经接收过，则对本地时间不进行更新，丢弃该同步报文；

否则，提取收到同步报文中的时间信息和延迟时间，通过对提取的时间信息和延迟时间进行求和，获取当前报文接收时间点对应的基准时间信息，依据基准时间信息对二级节点的本地时间进行时间同步更新；二级节点进一步对同步报文进行更新：保持同步信息和序列号不变，计算同步报文在二级节点中转发和接收之间的时间差，将时间差继续累加到同步报文的延迟时间中，所述时间差为同步更新后本地时间对应的时间差；将更新后的延迟时间通过时间戳的形式注入同步报文中；二级节点将更新后的同步报文转发给与二级节点连接的三级节点；

以此类推，直至所有节点收到上级节点转发的同步报文，并依据上级节点转发的同步报文对自身的本地时间进行时间同步更新为止。

如果某个节点出现故障导致同步失效，故障消除后，恢复正常的节点清除已有的同步信息，重新进入等待同步状态，恢复正常的节点接收到上级节点转发过来的同步报文后，依据同步报文中的时间信息与延迟时间求和结果，对当前节点的本地时间进行同步更新；节点对同步报文进行更新：保持同步报文中的时间信息和序列号不变；节点将自身转发出同步报文的时间点与自身接收到同步报文的时间差作为转发时间延迟累计到同步报文的延迟时间中；恢复正常的节点将更新后的同步报文转发给下一级节点。

等待同步节点初次同步通过计算接收时间戳和发送时间戳之间的差异将本地时间向全局时间校正，节点进入正常运行状态。若干次同步后可以通过线性回归等典型算法将本地时间向全局时间校正。初次上电节点也可以认为是处于等待同步状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用的一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，通过将时间源节点同步信息快速逐跳转发，从而使得网络中的节点所获得的同步信息无限接近时间源的同步信息，从而使得各节点同步参照接近一致。相比传统的时间同步方法，本发明所提供方法能够极大降低网络时间同步过程中存在的同步误差累积和同步误差不均衡性。

2、本发明通过时间源发起同步，从而使得整个网络能够更加方便控制网络的同步频率，有助于降低网络中节点算法复杂度，同时进一步提升网络同步性能的可控度，为用户提供更稳定、可靠的无线传感器网络时间同步方法。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为网络同步拓扑结构；

图2为同步信息传播流程图；

图3为同步报文结构图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本发明应用于网络中节点的时间同步拓扑结构，通过时间基准源节点0广播时间信息，其他节点快速传递实现时间信息快速扩散到全网，从而实现网络的时间同步方法。所述同步方法包括时间同步信息的产生，时间同步信息的扩散和时间同步的计算。

所述时间同步信息的产生，时间基准源节点周期性广播其时间信息并带有与时间信息相关序列号的时间同步广播报文(以下简称同步报文)如图3所示，基准源节点维护一个全局时间信息，同步报文中时间信息为由基准源节点发送同步报文时刻对应的全局时间；所述同步报文中时间信息由基准源将其在发送同步报文时间点的全局时间通过物理层时间戳注入同步报文；同步报文序列号一般为递增或递减序列，由基准源节点维护，其他节点只负责转发该序列号而无权修改，在短时间的同步交互过程中具有唯一性；单次同步网络中所有节点转发的时间报文均包含上述时间信息和序列号信息，除时间基准源节点外的节点转发时不得修改其数值。

时间基准源节点周期广播发送同步报文，广播报文包含时间信息和序列号信息；

时间信息传递过程中还应当包含报文从基准源发出通过中转到达节点的时间延迟信息，基准源节点发出同步报文对应的延迟时间为0，转发节点转发时报文中的延迟时间需累加上节点内从收到同步报文到转发同步报文的延迟时间。

所述时间同步信息扩散过程如图2所示，节点在收到同步报文后进行转发，转发报文中在延迟时间部分累加上报文从接收到转发的时间差，直到所有节点转发完成1次唯一序列号对应的同步信息扩散过程。

所述延迟时间由同步报文在转发过程中的中转节点产生，基准时间源发出时延迟时间为0。转发的节点在转发时将时间延迟累加接收到同步报文到转发时的时间差；

同步报文的转发保持时间信息不变，累加时间延迟。延迟时间的计算将报文在网络中各个节点内转发的延迟时间经过校准后累加获得，如下公式所示；

其中，θ_ij表示由基准源节点产生的第j个同步报文在节点i内延迟时间,_ai表示时间修正系数，通过该系数将本地时间间隔转换为全局时间间隔，表示接收到来自节点i的同步报文所消耗的相对于报文中时间信息的延迟时间。

同步节点在转发时间信息过程中对于同一个序列号只转发一次，同步节点在收到广播报文后，首先判断其自身是否转发过该报文，如果已转发过则丢弃，否则转发；

上述带有同步信息的报文由基准源节点产生，并被网络中节点逐级转发直到扩散到全网，同步基准源是网络中所有同步信息的唯一发起者，其他同步节点对该类信息进行转发，不改变同步报文中的时间信息和序列号信息；

所述时间同步信息计算，网络中节点收到新的同步信息报文，结合报文中时间信息和延迟时间计算出当前节点收到同步报文时对应的发送时间戳，结合自身记录的接收时间戳获得同步所需时间信息，从而进一步依据同步信息实现或维护节点时间同步信息，网络中所有节点重复上述过程，从而实现全网时间同步。

步骤301：节点在收到同步信息报文后，将报文中时间信息和延迟信息累加获得节点接收同步报文时对应的发送时间戳；

步骤302：根据节点接收同步报文时自身记录的接收时间戳和从发送报文中计算所得的发送时间戳对本地时间进行校正，校正方法可以采用常用的线性回归分析或其他时间同步参数校正方法；

步骤303：节点通过步骤S301和步骤S302对时间信息的处理过程实现时间同步，后续节点可以通过步骤S301和步骤S302的处理过程实现同步参数更新校正。

如果节点出现故障导致同步失效，节点清除已有同步信息，重新进入等待同步状态，(初次上电节点也可以认为是处于等待同步状态)，等待同步节点接收到同步报文，通过上述同步过程建立与基准源节点之间的同步关系。等待同步节点初次同步通过计算接收时间戳和发送时间戳之间的差异将本地时间向全局时间校正，节点进入正常运行状态。多次同步后可以通过线性回归等典型算法将本地时间向全局时间校正。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，其特征是，包括：

时间同步信息产生步骤：根节点作为时间基准源节点，周期性地广播同步报文，所述同步报文，包括：时间信息、序列号和延迟时间；所述序列号与时间信息一一对应，具备唯一性；初始延迟时间为零；所述时间信息为根节点将同步报文发出时刻对应的基准源时间；所述延迟时间为节点内从接收报文到转发出去报文所消耗的时间；

时间同步信息扩散和时间同步步骤：每个节点接收到同步报文后，首先根据序列号判断同步报文中的序列号是否曾经接收过，如果曾经接收过，则对本地时间不进行更新，丢弃该同步报文；

否则，依据同步报文中的时间信息与延迟时间求和结果，对当前节点的本地时间进行同步更新；节点对同步报文进行更新：保持同步报文中的时间信息和序列号不变；节点将自身转发出同步报文的时间点与自身接收到同步报文的时间差作为转发时间延迟累计到同步报文的延迟时间中；

每个节点将更新后的同步报文通过广播方式转发给其他节点，直至所有节点完成同一个序列号对应的同步报文转发，同时所有节点完成对自身本地时间的时间同步更新为止。

2.如权利要求1所述的一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，其特征是，

所述时间同步信息扩散和时间同步步骤如下：

与根节点连接的一级节点在接收到根节点同步报文后，对同步报文中的时间信息进行提取，基于时间信息对一级节点的本地时间进行时间同步更新；一级节点对同步报文进行更新：保持时间信息和序列号不变，计算报文在一级节点中转发时间点和接收时间点之间的时间差，将时间差累加到同步报文的延迟时间中，所述时间差为同步更新后本地时间对应的时间差；将更新后的延迟时间通过时间戳的形式注入同步报文中；一级节点将更新后的同步报文转发给与一级节点连接的二级节点；

二级节点在接收到新序列号对应的同步报文后，首先根据序列号判断同步报文中的序列号是否曾经接收过，如果曾经接收过，则对本地时间不进行更新，丢弃该同步报文；

否则，提取收到同步报文中的时间信息和延迟时间，通过对提取的时间信息和延迟时间进行求和，获取当前报文接收时间点对应的基准时间信息，依据基准时间信息对二级节点的本地时间进行时间同步更新；二级节点进一步对同步报文进行更新：保持同步信息和序列号不变，计算同步报文在二级节点中转发和接收之间的时间差，将时间差继续累加到同步报文的延迟时间中，所述时间差为同步更新后本地时间对应的时间差；将更新后的延迟时间通过时间戳的形式注入同步报文中；二级节点将更新后的同步报文转发给与二级节点连接的三级节点；

以此类推，直至所有节点收到上级节点转发的同步报文，并依据上级节点转发的同步报文对自身的本地时间进行时间同步更新为止。

3.如权利要求1所述的一种无线传感器网络多跳一致的时间同步方法，其特征是，

如果某个节点出现故障导致同步失效，故障消除后，恢复正常的节点清除已有的同步信息，重新进入等待同步状态，恢复正常的节点接收到上级节点转发过来的同步报文后，依据同步报文中的时间信息与延迟时间求和结果，对当前节点的本地时间进行同步更新；节点对同步报文进行更新：保持同步报文中的时间信息和序列号不变；节点将自身转发出同步报文的时间点与自身接收到同步报文的时间差作为转发时间延迟累计到同步报文的延迟时间中；恢复正常的节点将更新后的同步报文转发给下一级节点。