CN110881214A - 一种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，主节点首先生成同步信标帧，然后根据传感器节点芯片硬件配置情况预设低复杂度的编码方案，对同步信标帧完成纠错编码，周期性广播编码后的同步信息，从属节点接收到数据包后首先根据预设编码方案选用对应的软件或硬件译码方法进行快速译码，然后对译码后的数据帧进行识别、校验，最后根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并发送用户数据包。本发明解决了同步信标帧在无线信道中传输错包率较高的问题，基于无线传感器网络中传感器节点的硬件资源特性和编译码方法，并采用编码实现复杂度较低且纠错能力较高的编码方案，保证同步信息的可靠传输，有助于提高时间同步精度和延长同步生存时间。

Description

一种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的技术领域，具体涉及一种无线传感器网络的时间同步方法。

背景技术

无线传感器网络是将无线通信技术、传感技术和计算机技术高度交叉融合，由大量具有数据采集、处理和无线通信能力的传感器节点组成的分布式系统，在军事、智能配电、环境监测、智能交通以及健康医疗等领域均得到了广泛的应用。无线传感器网络作为典型的分布式系统，不能保证各个节点启动时间的一致性，且晶体振荡器受温度、湿度等环境因素影响较大，会发生频率偏移和时钟漂移，致使无线传感器网络中的各传感器节点即使在某一时刻达到时间同步，随后节点时钟也会产生偏差。因此，在数据压缩融合、事件监测、速度估计以及节点定位等应用中，为实现传感器节点间的协同工作，必须通过有效的时钟同步协议使节点间的时间误差保持在允许的范围之内。

时间同步协议的研究已经活跃了近20年，在此期间研究者提出了多种无线传感器网络时间同步协议，比较经典的时间同步算法有参考广播同步协议，传感器网络时间同步协议，洪泛时间同步协议等，其中FTSP协议是无线传感器网络中使用最多的时间同步协议之一，国内外学者对其进行了广泛的研究与改进：为减少实现时间同步所需信息包开销，基于FTSP算法采用节点分级策略；为提高同步精度，采用基于参数估计的回归算法，消除异常数据点对回归曲线的影响；通过改进时间同步信息中时间戳的插入方式降低了FTSP协议的复杂度；通过对有限数量时钟漂移进行加权平均的方法，使FTSP协议容错性得到加强；采用有限加权最小二乘法进行线性回归运算，提高FTSP算法的同步精度；通过非线性滤波的方法将时钟偏移和时钟漂移分离，并通过添加温度补偿因子，降低温度变化对FTSP同步精度的影响。

以上FTSP协议的改进协议研究重点在于从减小消息传输时延和时钟漂移两方面提高同步精度或容错性，较少考虑外部通信环境信道质量对时间同步性能的影响。发明人发现在实际应用中，同步信息在无线信道中传输时易受路径损耗、阴影效应、多径衰落和干扰等环境因素的影响存在大量的丢包或错包，对同步性能的影响主要包括以下2个方面：

(1)影响时间同步精度，在洪泛时间同步协议中，参与线性回归运算的有效参考点数目越多，同步精度越高，而丢包或错包将会减少线性回归运算时同步时间表中有效参考点的数目，进而降低时间同步精度。

(2)影响时间同步生存时间，若从属节点长时间因同步时间表中的有效参考点数目未达到线性回归运算的门限值而未能进行线性回归运算，会造成主从属节点间的时间误差积累，严重时还会造成失步。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种无线传感器网络的时间同步方法，解决了同步信标帧在无线信道中传输错包率较高的问题，基于无线传感器网络中传感器节点的硬件资源特性和编译码方法，并采用编码实现复杂度较低且纠错能力较高的编码方案，保证同步信息的可靠传输，有助于提高时间同步精度和延长同步生存时间。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无线传感器网络的时间同步方法，包括如下步骤：

步骤一、将主节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度，根据同步周期设置时钟计数初值，并设置同步信标帧标识位、快速同步模式时隙数；

步骤二、所述主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成同步信标帧；

步骤三、根据CC1101射频模块及其微控制器的软硬件资源，选择重复码、卷积码或重复卷积码作为预设编码方案，对所述同步信标帧进行低复杂度编码，切换至发送模式周期性广播编码后的同步信息，并记录此时的本地时间戳；

步骤四、所述主节点切换至接收模式，等待接收处理用户数据包；

步骤五、对从属节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度；

步骤六、所述从属节点接收数据包，并根据所述预设编码方案，进行快速译码；

步骤七、提取译码后数据包中的同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳以及循环冗余校验信息，对译码后的数据帧进行识别和校验，并更新同步时间表；

步骤八、根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并在预定时隙切换至发送模式发送所述用户数据包。

作为本发明所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，所述步骤二中，所述主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成所述同步信标帧，包括如下步骤：

步骤a1、确定所述同步模式标识字节，若处于同步建立时期，则将其设置为表示快速同步的标识；否则，设置为表示普通同步的标识；

步骤a2、确定所述反转标志，若当前主节点时钟计数超出所能表示的全局时间最大值，则反转标志置“1”；否则置为“0”；

步骤a3、确定所述标识位；

步骤a4、确定当前同步信标帧序列号，若当前所述反转标志为“1”，则所述序列号重置为“0”；每发送1次同步信息，所述同步信标帧序列号数值加1；

步骤a5、确定所述全局时间戳，将上一次发送同步信息的本地时间戳作为当前所述同步信标帧的所述全局时间戳；

步骤a6、计算循环冗余校验信息完成组帧。

作为本发明所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，步骤三中，选择所述重复码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：

步骤b1、根据交织长度、交织系数生成线性同余交织序列；

步骤b2、将所述同步信标帧转化成二进制序列，并对所述同步信标帧进行重复编码；

步骤b3、对编码后的所述二进制序列进行线性同余交织，并转化成十六进制；

步骤b4、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。

作为本发明所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，步骤三中，选择所述卷积选择码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：

步骤c1、配置所述CC1101射频模块的寄存器，进行前向纠错；

步骤c2、将所述微控制器中生成的所述同步信标帧传输至所述CC1101射频模块，实现所述

同步信标帧的(2,1,3)卷积编码和矩阵交织；

步骤c3、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。

作为本发明所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，步骤三中，选择所述重复卷积码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：

步骤d1、配置所述CC1101射频模块的寄存器，进行前向纠错，并根据交织长度和交织系数生成线性同余交织序列；

步骤d2、将所述同步信标帧转化成二进制序列，并对所述同步信标帧进行重复编码；

步骤d3、对编码后的所述二进制序列进行所述线性同余交织，并转化成十六进制；

步骤d4、将所述微控制器中生成的所述同步信标帧传输至所述CC1101射频模块，实现所述同步信标帧的(2,1,3)卷积编码和矩阵交织；

步骤d5、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。

作为本发明所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，所述步骤六中，所述快速译码方法，包括：

若所述预设编码方案是重复码，则所述从属节点接收到所述同步信息后首先进行线性同余解交织，然后进行择多译码；

若所述预设编码方案是卷积码，则所述从属节点接收到所述同步信息后，硬件实现矩阵解交织和Viterbi译码；

若所述预设编码方案是重复卷积码，则所述从属节点接收到所述同步信息后，首先硬件实现矩阵解交织和Viterbi译码，然后进行线性同余解交织，最后进行择多译码。

作为本发明所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，所述步骤七中，对译码后的所述数据帧进行识别和校验，包括如下步骤：

步骤e1、根据所述标识位，判断译码后的所述数据帧是否为所述同步信标帧，若是，则执行步骤e2；否则，流程结束；

步骤e2、对所述同步信标帧进行循环冗余校验，若校验正确，则执行步骤e3；否则流程结束；

步骤e3、判断同步模式，若处于同步建立时期，则流程结束；否则，顺序执行步骤e4；

步骤e4、若当前所述反转标志为“1”，则所述从属节点本地时间计数置“0”，并且初始化所述同步时间表；

步骤e5、记录此时的所述本地时间，并更新所述同步时间表。

作为本发明所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，所述步骤e5中，记录此时的所述本地时间，并更新所述同步时间表，包括如下步骤：

步骤f1、将所述同步信标帧中携带的序列号、全局时间以及本地时间填充至所述同步时间表中的对应位置；

步骤f2、计算所述主从节点间的时间差，并将其填充至所述同步时间表中对应位置；

步骤f3、判断当前接收的同步信标帧序列号是否与上一次接收的所述同步信标帧连续，若是，则将其标记为有效，记为“1”；否则，将所述同步时间表中与当前所述同步信标帧对应的有效标志置为“0”。

作为本发明所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，所述步骤八中，根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并在预定时隙切换至发送模式发送所述用户数据包，包括如下步骤：

步骤g1、判断所述同步时间表中有效参考点数目是否达到门限值，若是，则进行线性回归运算，重新计算时间漂移和频率偏移；否则，使用上一次线性回归运算得到的所述时间漂移和所述频率漂移；

步骤g2、所述从属节点根据当前的所述时间漂移和所述频率漂移，估计所述本地时间对应的全局时间，实现与所述主节点间的时间同步；

步骤g3、计算当前同步周期的起始时刻，并在预定的传感器数据发送时隙切换至发送模式，发送所述传感器数据。

本发明的有益效果在于，本发明包括如下步骤，步骤一、将主节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度，根据同步周期设置时钟计数初值，并设置同步信标帧标识位、快速同步模式时隙数；步骤二、所述主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成同步信标帧；步骤三、根据CC1101射频模块及其微控制器的软硬件资源，选择重复码、卷积码或重复卷积码作为预设编码方案，对所述同步信标帧进行低复杂度编码，切换至发送模式周期性广播编码后的同步信息，并记录此时的本地时间戳；步骤四、所述主节点切换至接收模式，等待接收处理用户数据包；步骤五、对从属节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度；步骤六、所述从属节点接收数据包，并根据所述预设编码方案，进行快速译码；步骤七、提取译码后数据包中的同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳以及循环冗余校验信息，对译码后的数据帧进行识别和校验，并更新同步时间表；步骤八、根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并在预定时隙切换至发送模式发送所述用户数据包。本发明解决了同步信标帧在无线信道中传输错包率较高的问题，基于无线传感器网络中传感器节点的硬件资源特性和编译码方法，并采用编码实现复杂度较低且纠错能力较高的编码方案，保证同步信息的可靠传输，有助于提高时间同步精度和延长同步生存时间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中生成同步信标帧流程图；

图3为本发明中重复码方案实现流程图；

图4为本发明中卷积码方案实现流程图；

图5为本发明中重复卷积码方案实现流程图；

图6为本发明中数据帧识别、校验流程图；

图7为本发明中从属节点时间同步实现流程图；

图8为本发明中不同FTSP协议平均丢包数统计图；

图9为本发明中不同FTSP协议平均线性回归运算次数统计图；

图10为本发明中不同FTSP协议平均数据融合次数统计图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图1～10所示，一种无线传感器网络的时间同步方法，包括如下步骤：

步骤一、将主节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度，根据同步周期设置时钟计数初值，并设置同步信标帧标识位、快速同步模式时隙数；

步骤二、主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成同步信标帧；

步骤三、根据CC1101射频模块及其微控制器的软硬件资源，选择重复码、卷积码或重复卷积码作为预设编码方案，对同步信标帧进行低复杂度编码，切换至发送模式周期性广播编码后的同步信息，并记录此时的本地时间戳；

步骤四、主节点切换至接收模式，等待接收处理用户数据包；

步骤五、对从属节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度；

步骤六、从属节点接收数据包，并根据预设编码方案，进行快速译码；

步骤七、提取译码后数据包中的同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳以及循环冗余校验信息，对译码后的数据帧进行识别和校验，并更新同步时间表；

步骤八、根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并在预定时隙切换至发送模式发送用户数据包。

需要说明的是:本发明的时间同步方法中，由于洪泛时间同步协议对同步信标帧传输的实时性要求较高，对丢包进行恢复的方法并不适用于洪泛时间同步协议。因此，当同步信标帧在复杂的无线信道环境中传输时，应采用有效的技术手段对抗传输过程中产生的随机或突发错误，以提高同步性能。信标帧编码的无线传感器网络时间同步方法中，主节点首先生成同步信标帧，然后根据传感器节点芯片硬件配置情况预设低复杂度的编码方案，对同步信标帧完成纠错编码，周期性广播编码后的同步信息。从属节点接收到数据包后首先根据预设编码方案选用对应的软件或硬件译码方法进行快速译码，然后对译码后的数据帧进行识别、校验，最后根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并发送传感器数据。本发明充分考虑传感器节点软硬件资源特点和编译码方法的复杂度，采用低复杂度编码实现同步信息在无线信道中传输的可靠性，进而提高时间同步协议的性能。

优选的，步骤二中，主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成同步信标帧，包括如下步骤：

步骤a1、确定同步模式标识字节，若处于同步建立时期，则将其设置为表示快速同步的标识；否则，设置为表示普通同步的标识；

步骤a2、确定反转标志，若当前主节点时钟计数超出所能表示的全局时间最大值，则反转标志置“1”；否则置为“0”；

步骤a3、确定标识位；

步骤a4、确定当前同步信标帧序列号，若当前反转标志为“1”，则序列号重置为“0”；每发送1次同步信息，同步信标帧序列号数值加1；

步骤a5、确定全局时间戳，将上一次发送同步信息的本地时间戳作为当前同步信标帧的全局时间戳；

步骤a6、计算循环冗余校验信息完成组帧。

需要说明的是：如图2所示，主节点将同步模式(1字节)、反转标志(1字节)、标识位(1字节)、序列号i(1字节)、全局时间戳GT(i-1)(3字节)以及循环冗余校验信息(2字节)等组帧生成同步信标帧(共9字节)，确定同步模式标识字节，若处于同步建立时期，则将其设置为表示快速同步的标识0X00；否则，设置为表示普通同步的标识0XFF；确定反转标志，若当前主节点时钟计数超出所能表示的全局时间最大值，则反转标志置“1”，即0XFF；否则置为“0”，即0X00；确定全局时间戳，将上一次发送同步信息的本地时间戳作为当前同步信标帧的全局时间戳GT(i-1)。

优选的，步骤三中，选择重复码作为预设编码方案，包括如下步骤：

步骤b1、根据交织长度、交织系数生成线性同余交织序列；

步骤b2、将同步信标帧转化成二进制序列，并对同步信标帧进行重复编码；

步骤b3、对编码后的二进制序列进行线性同余交织，并转化成十六进制；

步骤b4、由CC1101射频模块广播编码后的同步信息。

需要说明的是，如图3所示，根据交织长度N和交织系数k通过公式

Π(i)＝(k*i+v)mod(N),(i＝0,1,2,...,N-1)

生成线性同余交织序列，其中，Π(i)为码字映射后在输出序列中的位置；将同步信标帧转化成二进制序列，并对同步信标帧进行3-重复编码。

优选的，步骤三中，选择卷积选择码作为预设编码方案，包括如下步骤：

步骤c1、配置CC1101射频模块的寄存器，进行前向纠错；

步骤c2、将微控制器中生成的同步信标帧传输至CC1101射频模块，实现同步信标帧的(2,1,3)卷积编码和矩阵交织；

步骤c3、由CC1101射频模块广播编码后的同步信息。

需要说明的是：如图4所示，配置CC1101寄存器MDMCFG1.FEC_EN＝1，开启前向纠错功能。

优选的，步骤三中，选择重复卷积码作为预设编码方案，包括如下步骤：

步骤d1、配置CC1101射频模块的寄存器，进行前向纠错，并根据交织长度和交织系数生成线性同余交织序列；

步骤d2、将同步信标帧转化成二进制序列，并对同步信标帧进行重复编码；

步骤d3、对编码后的二进制序列进行线性同余交织，并转化成十六进制；

步骤d4、将微控制器中生成的同步信标帧传输至CC1101射频模块，实现同步信标帧的(2,1,3)卷积编码和矩阵交织；

步骤d5、由CC1101射频模块广播编码后的同步信息。

需要说明的是：如图5所示，配置CC1101寄存器MDMCFG1.FEC_EN＝1，开启前向纠错功能，并根据交织长度N和交织系数k通过公式

Π(i)＝(k*i+v)mod(N),(i＝0,1,2,...,N-1)

生成线性同余交织序列，其中，Π(i)为码字映射后在输出序列中的位置，为v增量。

优选的，步骤六中，快速译码方法，包括：

若预设编码方案是重复码，则从属节点接收到同步信息后首先进行线性同余解交织，然后进行择多译码；

若预设编码方案是卷积码，则从属节点接收到同步信息后，硬件实现矩阵解交织和Viterbi译码；

若预设编码方案是重复卷积码，则从属节点接收到同步信息后，首先硬件实现矩阵解交织和Viterbi译码，然后进行线性同余解交织，最后进行择多译码。

优选的，步骤七中，对译码后的数据帧进行识别和校验，如图6所示，包括如下步骤：

步骤e1、根据标识位，判断译码后的数据帧是否为同步信标帧，若是，则执行步骤e2；否则，流程结束；

步骤e2、对同步信标帧进行循环冗余校验，若校验正确，则执行步骤e3；否则流程结束；

步骤e3、判断同步模式，若处于同步建立时期，则流程结束；否则，顺序执行步骤e4；

步骤e4、若当前反转标志为“1”，则从属节点本地时间计数置“0”，并且初始化同步时间表；

步骤e5、记录此时的所述本地时间，并更新同步时间表。

优选的，步骤e5中，记录此时的所述本地时间，并更新同步时间表，包括如下步骤：

步骤f1、将同步信标帧中携带的序列号、全局时间以及本地时间填充至同步时间表中的对应位置；

步骤f2、计算主从节点间的时间差，并将其填充至同步时间表中对应位置；

步骤f3、判断当前接收的同步信标帧序列号是否与上一次接收的同步信标帧连续，若是，则将其标记为有效，记为“1”；否则，将同步时间表中与当前同步信标帧对应的有效标志置为“0”。

需要说明的是：将同步信标帧中携带的序列号i、全局时间GT(i-1)以及本地时间LT(i)填充至同步时间表中的对应位置；计算主从节点间的时间差Diff(i-1)＝GT(i-1)-LT(i-1)，并将其填充至同步时间表中对应位置；判断当前接收的同步信标帧序列号是否与上一次接收的同步信标帧连续，若连续，则将其标记为有效，记为“Valid(i)＝1”；否则，将同步时间表中与当前同步信标帧对应的有效标志置为“Valid(i)＝0”。

优选的，步骤八中，根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并在预定时隙切换至发送模式发送用户数据包，包括如下步骤：

步骤g1、判断同步时间表中有效参考点数目是否达到门限值，若是，则进行线性回归运算，重新计算时间漂移和频率偏移；否则，使用上一次线性回归运算得到的时间漂移和频率漂移；

步骤g2、从属节点根据当前的时间漂移和频率漂移，估计本地时间对应的全局时间，实现与主节点间的时间同步；

步骤g3、计算当前同步周期的起始时刻，并在预定的传感器数据发送时隙切换至发送模式，发送传感器数据。

需要说明的是：如图7所示，判断同步时间表中，有效参考点数目是否达到门限值，若达到门限值，则进行线性回归运算，根据

以及

重新计算时间漂移offset和频率偏移skew，其中

为平均本地时间；否则，使用上一次线性回归运算得到的时间漂移offset和频率漂移skew；从属节点根据当前的时间漂移offset和频率漂移skew，估计本地时间LT(i)对应的全局时间

计算当前同步周期的起始时刻GT_S，

并在预定的传感器数据发送时隙切换至发送模式，发送传感器数据。

本实施例中，主节点首先进行CC1101射频芯片初始化，设置功能实现的基本参数，主要参数如表1所示，并设置同步建立时期的时隙数n＝16，其次生成同步信标帧，然后进行低复杂度编码，最后周期性广播同步信标帧，并等待接收处理传感器数据，其中，每个同步周期包括8个时隙，每个时隙为500ms，即每个同步周期为4s；主节点在同步建立时期，采用快速同步模式，在连续16个时隙的中间时刻发送同步信息，在同步保持期采用普通同步模式，即在每个同步周期的第1个时隙的中间时刻发送同步信息，并在第3个时隙接收从属节点1的传感器数据包，在第5个时隙接收从属节点2的传感器数据包，此外，由于本发明中长度为9字节的同步信标帧经二进制转化以及重复编码后，二进制序列长度为9*8*3＝216比特，故当选择重复码方案或重复卷积码方案时线性同余交织公式中N＝216，并设置交织深度为k＝17、增量v＝3。

表1主要测试参数设置

本实施例中，2个从属节点接收到数据包后首先根据所采用的时间同步协议，对接收到的数据包进行处理；然后，对处理后的数据包进行识别和校验，通过识别标识位，对判定为同步信标帧的数据帧进行循环冗余校验、填充同步时间表等处理；最后，根据FTSP协议实现与主节点的时间同步，并计算当前同步周期的起始时刻以在各自的传感器数据发送时隙，发送传感器数据包，其中，2个从属节点用户帧共20字节，包括1字节的设备号，从属节点1的设备号为0x00，从属节点2的设备号为0x01，另外还包括17字节的传感器数据区域以及2字节的循环冗余校验信息；从属节点1搭载了温度传感器和光照传感器，其传感器数据区域包括3字节的温度信息、2字节的光照信息以及12字节的空字节，从属节点2在从属节点1的基础上加载了GPS模块，故在传感器数据区域分别为3字节的温度信息、2字节的光照信息、6字节的GPS地理位置信息以及6字节的空字节；为保证传感器数据传输的可靠性，对用户帧进行了码率为1/2的turbo编码；进一步，由于在误码率一定的情况下，数据包长度越长，误包率越大，因此为减小误包率，将用户帧分为4个数据包，并将第4个数据包填充2个字节的零字节，以与另外3个数据包对齐，即传输帧分成4个长度为11字节的数据包；另外，为便于在主节点识别数据包所属节点和实现数据包的合并，在每个子数据块前分别添加了3个字节的节点号和1个字节的包序号，4个数据包的包号分别设置为0X00、0X01、0X02以及0X03；从属节点1在每个同步周期的第3个时隙发送传感器数据包，从属节点2在每个同步周期的第5个时隙发送传感器数据包，在测试过程时，主节点和从属节点相距40m，2个从属节点之间的距离为1m，每次测试共1000个同步周期。

本实施例对采用重复码方案的FTSP协议、采用卷积码方案的FTSP协议、采用重复卷积码方案的FTSP协议以及未加编码的传统FTSP协议分别进行了实际测试。

在同步信标帧发送数量一定时，信标帧编码的无线传感器网络时间同步方法可通过统计丢包数验证同步信息传输可靠性，如图8所示，不同FTSP协议的平均丢包数，从中可以看出采用重复码、卷积码和重复卷积码方案的洪泛时间同步协议中同步信标帧的错包数分别为25、13以及10，与传统FTSP协议62个包错误数相比分别降低了59.68％、79.03％、83.87％，说明重复卷积码方案的同步信息传输可靠性最高，卷积编码方案次之，重复码方案再次，且均明显优于传统的FTSP协议。

一般情况下，在相同的同步周期内，线性回归运算的次数越多，则表示时间漂移和频率偏移更新越及时，同步精度越高，如图9所示，不同FTSP协议的平均线性回归运算次数，从中可以看出3种采用不同编码方案的FTSP协议在相同的周期内均明显增加了线性回归运算次数，在一定程度上保证了同步信息接收的连续性，另一方面，通过对同步误差的分析结果表明，连续同步情况下基于编码的洪泛时间同步协议的时间同步误差最大值为2，即同步误差在2个定时周期(2*100μs)内，与传统FTSP协议最大同步误差一致，说明基于编码的洪泛时间同步协议中并未因时间同步信息编解码所产生的时延，而影响FTSP协议的同步精度，此外，在通信环境较差时，传统FTSP协议和采用重复码方案的FTSP协议由于连续丢包或错包，出现同步误差较大的情况，最大同步误差分别为251个定时周期(即25.1ms)和205个定时周期(即20.5ms)，而采用卷积码方案和重复卷积码方案的FTSP协议不存在类似情况，可见信标帧编码的无线传感器网络时间同步方法可以减小同步误差。

本文实施例中将主节点完成一次数据融合，即在同一个同步周期内第3个时隙接收到从属节点1的传感器数据，且第5个时隙接收到从属节点2的传感器数据，认为实现了一次时间同步，在这种按需同步的过程中，数据融合的次数越多，同步的生存时间越长，如图10所示，汇聚节点平均数据融合次数，从中可以看出，3种采用不同编码方案的FTSP时间同步协议均增加了数据融合次数，表明信标帧编码的无线传感器网络时间同步方法可在一定程度上延长时间同步的生存时间。

本发明提供的技术方案的有益效果：

(1)实现复杂度低，同步信标帧传输可靠性高：本发明针对同步信标帧在无线信道中传输因错包率较高而影响时间同步性能的问题，在综合考虑传感器节点软硬件资源特性和编译码方法的复杂度基础上，采用实现复杂度较低且纠错能力较高的编码方案，从属节点可在纠错码纠错范围内自动纠正同步信息在传输过程中产生的随机或突发错误，与未加编码的传统FTSP协议相比，同步信标帧传输可靠性较高。

(2)时间同步精度高、生存时间长：本发明通过增强同步信息传输的可靠性进一步增加了从属节点进行线性回归运算的次数和每次进行线性回归运算时同步时间表中有效参考点的数目，与未加编码的传统FTSP协议相比，在一定程度上，提高了时间同步精度，延长了同步的生存时间。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将主节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度，根据同步周期设置时钟计数初值，并设置同步信标帧标识位、快速同步模式时隙数；

步骤二、所述主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成同步信标帧；

步骤三、根据CC1101射频模块及其微控制器的软硬件资源，选择重复码、卷积码或重复卷积码作为预设编码方案，对所述同步信标帧进行低复杂度编码，切换至发送模式周期性广播编码后的同步信息，并记录此时的本地时间戳；

步骤四、所述主节点切换至接收模式，等待接收处理用户数据包；

步骤五、对从属节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度；

步骤六、所述从属节点接收数据包，并根据所述预设编码方案，进行快速译码；

步骤七、提取译码后数据包中的同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳以及循环冗余校验信息，对译码后的数据帧进行识别和校验，并更新同步时间表；

步骤八、根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并在预定时隙切换至发送模式发送所述用户数据包。

2.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤二中，所述主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成所述同步信标帧，包括如下步骤：

步骤a1、确定所述同步模式标识字节，若处于同步建立时期，则将其设置为表示快速同步的标识；否则，设置为表示普通同步的标识；

步骤a2、确定所述反转标志，若当前主节点时钟计数超出所能表示的全局时间最大值，则反转标志置“1”；否则置为“0”；

步骤a3、确定所述标识位；

步骤a4、确定当前同步信标帧序列号，若当前所述反转标志为“1”，则所述序列号重置为“0”；每发送1次同步信息，所述同步信标帧序列号数值加1；

步骤a5、确定所述全局时间戳，将上一次发送同步信息的本地时间戳作为当前所述同步信标帧的所述全局时间戳；

步骤a6、计算循环冗余校验信息完成组帧。

3.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，步骤三中，选择所述重复码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：

步骤b1、根据交织长度、交织系数生成线性同余交织序列；

步骤b2、将所述同步信标帧转化成二进制序列，并对所述同步信标帧进行重复编码；

步骤b3、对编码后的所述二进制序列进行线性同余交织，并转化成十六进制；

步骤b4、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。

4.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，步骤三中，选择所述卷积选择码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：

步骤c1、配置所述CC1101射频模块的寄存器，进行前向纠错；

步骤c2、将所述微控制器中生成的所述同步信标帧传输至所述CC1101射频模块，实现所述同步信标帧的(2,1,3)卷积编码和矩阵交织；

步骤c3、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。

5.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，步骤三中，选择所述重复卷积码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：

步骤d1、配置所述CC1101射频模块的寄存器，进行前向纠错，并根据交织长度和交织系数生成线性同余交织序列；

步骤d2、将所述同步信标帧转化成二进制序列，并对所述同步信标帧进行重复编码；

步骤d3、对编码后的所述二进制序列进行所述线性同余交织，并转化成十六进制；

步骤d4、将所述微控制器中生成的所述同步信标帧传输至所述CC1101射频模块，实现所述同步信标帧的(2,1,3)卷积编码和矩阵交织；

步骤d5、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。

6.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤六中，所述快速译码方法，包括：

若所述预设编码方案是重复码，则所述从属节点接收到所述同步信息后首先进行线性同余解交织，然后进行择多译码；

若所述预设编码方案是卷积码，则所述从属节点接收到所述同步信息后，硬件实现矩阵解交织和Viterbi译码；

若所述预设编码方案是重复卷积码，则所述从属节点接收到所述同步信息后，首先硬件实现矩阵解交织和Viterbi译码，然后进行线性同余解交织，最后进行择多译码。

7.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤七中，对译码后的所述数据帧进行识别和校验，包括如下步骤：

步骤e1、根据所述标识位，判断译码后的所述数据帧是否为所述同步信标帧，若是，则执行步骤e2；否则，流程结束；

步骤e2、对所述同步信标帧进行循环冗余校验，若校验正确，则执行步骤e3；否则流程结束；

步骤e3、判断同步模式，若处于同步建立时期，则流程结束；否则，顺序执行步骤e4；

步骤e4、若当前所述反转标志为“1”，则所述从属节点本地时间计数置“0”，并且初始化所述同步时间表；

步骤e5、记录此时的所述本地时间，并更新所述同步时间表。

8.如权利要求7所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤e5中，记录此时的所述本地时间，并更新所述同步时间表，包括如下步骤：

步骤f1、将所述同步信标帧中携带的序列号、全局时间以及本地时间填充至所述同步时间表中的对应位置；

步骤f2、计算所述主从节点间的时间差，并将其填充至所述同步时间表中对应位置；

步骤f3、判断当前接收的同步信标帧序列号是否与上一次接收的所述同步信标帧连续，若是，则将其标记为有效，记为“1”；否则，将所述同步时间表中与当前所述同步信标帧对应的有效标志置为“0”。

9.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤八中，根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并在预定时隙切换至发送模式发送所述用户数据包，包括如下步骤：

步骤g1、判断所述同步时间表中有效参考点数目是否达到门限值，若是，则进行线性回归运算，重新计算时间漂移和频率偏移；否则，使用上一次线性回归运算得到的所述时间漂移和所述频率漂移；

步骤g2、所述从属节点根据当前的所述时间漂移和所述频率漂移，估计所述本地时间对应的全局时间，实现与所述主节点间的时间同步；

步骤g3、计算当前同步周期的起始时刻，并在预定的传感器数据发送时隙切换至发送模式，发送所述传感器数据。

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