CN1832479A - 一种用于传感器网络的高效全网时钟同步协议 - Google Patents

一种用于传感器网络的高效全网时钟同步协议 Download PDF

Info

Publication number
CN1832479A
CN1832479A CN 200610025886 CN200610025886A CN1832479A CN 1832479 A CN1832479 A CN 1832479A CN 200610025886 CN200610025886 CN 200610025886 CN 200610025886 A CN200610025886 A CN 200610025886A CN 1832479 A CN1832479 A CN 1832479A
Authority
CN
China
Prior art keywords
node
time
sync packet
slots
synchronous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN 200610025886
Other languages
English (en)
Inventor
曾益
胡波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fudan University
Original Assignee
Fudan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fudan University filed Critical Fudan University
Priority to CN 200610025886 priority Critical patent/CN1832479A/zh
Publication of CN1832479A publication Critical patent/CN1832479A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Small-Scale Networks (AREA)

Abstract

本发明属于网络协议技术领域，具体为一种用于传感器网络的新型高能源、带宽利用率的全网时钟同步协议。由于传感器网络的特殊应用以及对能源利用率的苛刻要求，全网范围的时钟同步协议自身必须具有卓越的能源以及带宽利用率。本发明采用基于分时的泛洪机制，通过限定节点发送和接收的时间范围，有效地消除了“唤醒时间不确定性”问题，从而达到了更低的能源和带宽消耗。另外由于该协议的分时特性，它可以十分方便地与许多传感器网络中现有的MAC协议协同工作。

Description

一种用于传感器网络的高效全网时钟同步协议
技术领域
本发明属于网络协议技术领域，具体涉及一种用于传感器网络中的新型高能源、带宽利用率的全网时钟同步协议。
背景技术
无线传感器网络[1]通过大量高密度的自组织传感器节点协同监测较大范围的外部环境，在传感器网络应用的大部分环境(如战场，森林，野外)下，节点能源的更换非常困难甚至不可能，因此传感器中的能源效率问题是限制其应用的重要因素，自然也是传感器网络协议的首要指标。
大多数传感器网络的工作原理如下：某个感兴趣事件发生时，处于感知范围的节点记录下一组或多组数据(Tl，Pe)，其中Tl表示事件发生时节点的本地时钟，而Pe表示该事件的一些有用参数，多个节点的数据经过某种数据融合方法的处理后形成对该事件的认识。然而，数据融合的前提是各节点的本地时钟在规定尺度下的一致或者至少存在可知的确定关系，于是全网的时钟同步协议成为传感器网络正常工作的前提。另一方面，为了提高能效，现有的许多MAC协议都采用TDMA类型的工作方式，而这些也是以全网同步为基础的。
正如文章[2]，[3]所提到的，单跳范围内的时钟同步主要通过接收并处理同步包来实现。然而传感器网络所监测的范围远超出节点的传输距离，于是形成了多跳网络。为了在密集分布的多跳网络中实现全网同步，有效的泛洪机制不可或缺。在传统的泛洪机制中，节点发送权竞争的随机性导致不同传递路径下同步包扩散速度的巨大差异，且该差异将随着路径增长而变得愈发严重。在这种情况下，长期处于睡眠状态的节点无法预知唤醒到接收状态的准确时间，只能提前苏醒，不可避免地造成能源浪费，我们称其为“唤醒时间不确定性”问题。
近年来提出的一些新奇的时钟同步协议如：RBS(Reference Broadcast Synchronization[6])，TPSN(Timing-sync Protocol for wireless Sensor Network[4])，DMTS(DelayMeasurement Time Synchronization[7])，FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol[5])等，都没有解决“唤醒时间不确定性”问题，因此无法进一步降低能耗。然而，无线传感器网络的发展必然需要高效的全网同步协议，故我们发明了一种用于传感器网络的高效全网时钟同步协议。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于传感器网络、能消除“唤醒时间不确定性“问题的新型的高能源、带宽利用率全网时钟同步协议。
本发明提供的高效全网时钟同步协议，是一种分时泛洪全网同步协议。协议采用基于分时的泛洪机制，通过限定节点发送和接收的时间范围，有效地消除了“唤醒时间不确定性”问题，仿真结果表明其具有极高的能源和带宽利用率。
同步协议与其它MAC协议分时享用信道。采用该协议后节点在每个同步周期的可确定的指定时间范围内(假定为To)采用同步协议执行同步操作，而MAC协议只需每同步周期中放弃信道使用权To时间，其余时间照常工作。
协议采用如下同步方式，首先定义已经获得同步的节点为同步源节点，同步源节点在获得信道使用权之后，将此时的本地时钟填入同步包中的时间戳字段，进行广播，未同步节点在接收到同步包之后，读取时间戳字段并记录下此时节点的本地时钟；然后，根据硬件特性估计传输延时，组合同步包中时间戳字段，估计出的该时刻同步源节点的本地时钟；最后，结合记录下的本地时钟，对时钟进行调整，从而到达同步的目的。因此，所有在同步源发送范围之内的未同步节点只要能在适当时间苏醒到接收状态，便可同时与同步源同步。
全网同步由唯一的根节点发起，它在每个同步周期的起始时刻发送同步包，刚上电的未同步节点持续监听信道等待接收同步包，一旦正确接收即采用如上方法与根节点取得同步，成为新的同步源节点，并应用分时泛洪机制发送新的同步包同步网络中的其他节点。
本发明中的分时泛洪机制由以下几部分组成：
1.协议为每个节点分配一个级数(Level)以指示该节点到根结点的跳数，通过以下方法获得：节点在同步包的层值字段中填入自己的级数(根节点的级数为0)，接收到该同步包的节点将级数定为同步包中的相应字段加一。如果节点在占用时间内收到多个不同级数的同步包，节点选取其中的最小值。
2.协议中，节点拥有独立的发送时间段与接收时间段，节点在接收时间段内唤醒，切换到接收状态接收同步包，而在发送时间段内竞争信道以发送同步包。接收时间段中接收到同步包后，节点须等到接下来的发送时间段才能参与发送。
3.节点的发送时间段和接收时间段时间区间由节点级数唯一确定，并采用一定公式算出。第n级节点的接收时间段与第n-1级节点的发送时间段重合。
4.发送时间段内又可分为一定数量的发送子时隙，每个发送子时隙只允许一个节点发 送，节点在单个同步周期内至多发送一次同步包。同样，接收时间段也可分为同样数量的接收子时隙，每个接收子时隙与上一级节点的发送子时隙相对应。
5.发送子时隙由竞争信道时间和实际发包时间组成。在某个发送子时隙拥有优先发送权力的节点定义为该发送子时隙的默认发送节点，而该发送子时隙则被定义为该节点的默认发送子时隙。节点通过在竞争信道时间中选取不同的退避时间产生不同的发送优先级。默认发送节点从默认退避窗口中随机选择退避值，而非默认发送节点则从非默认退避窗口中取值，其中非默认退避窗口最大值大于默认退避窗口中的最小值。节点的初始默认发送子时隙序号由节点的唯一标识产生。
6.节点在其默认发送子时隙中从默认退避窗口选取退避值，延时该段时间后检测载波，如果没有检测到载波，节点将获得信道使用权并在随后发送同步包。否则，节点设置默认发送子时隙为-1，并取消发送。默认发送子时隙为-1的节点将在本同步周期剩下的子时隙及下一个同步周期的所有发送子时隙中竞争信道，但此后它必须在非默认退避窗口中选择退避值。
7.在如上的发送机制下，只要网络拓扑结构不发生改变，节点将始终在其固定的默认发送子时隙中无碰撞地发送。故节点每隔指定周期监听整个接收时间段，掌握有效接收子时隙(能够接收到同步包的子时隙)序号信息，在接下来的周期中，节点仅在感兴趣的某个有效接收子时隙中切换到接收状态，而不需要监听整个接收时间段。因此，节点的唤醒时间可精确到子时隙长度。
本发明通过特殊的分时泛洪机制达到了更低的能源和带宽消耗。另外由于该协议的分时特性，它可以十分方便地与许多传感器网络中现有的MAC协议协同工作。
附图说明
图1是采用本发明后节点的时间组成图示。
图2是协议占用时间组成示意图。
图3是发送时间段组成示意图。
图4是仿真场景A。
图5是仿真场景B。
图6是单周期内平均发送时间仿真结果。
图7是单周期内平均接收时间仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图说明以及具体的实施方式对本发明作进一步说明。
在某个需要全网同步的传感器网络中，采用本发明后，节点的时间组成见图1。图中的协议占用时间又可分为前级节点发送时间段，接收时间段，发送时间段，后级节点接收时间段等，见图2。
假定单次同步包的发送时间为Ts(包括必要的退避时间)，节点的发送区域平均存在Ns同级节点(即Ns节点在同一发送时间段内争抢信道)。则发送时间段的长度Tc选取为Ts*Ns。根节点在每同步周期的起始时刻进入发送时间段，即第i周期中，根节点的发送时间段范围为[i*Tp，i*Tp+Tc](Tp为同步周期)。那么第一级节点的发送时间段范围为[i*Tp+Tc，i*Tp+2*Tc]，由此我们推算出第n级节点的发送时间段范围为[i*Tp+n*Tc，i*Tp+(n+1)*Tc]。第n级节点必须通过接收第n-1节点的同步包来获得同步，于是接收时间段定为第n-1节点的发送时间段范围，即[i*Tp+(n-1)*Tc，i*Tp+n*Tc]，故协议的占用时间区间为[i*Tp+(n-2)*Tc，i*Tp+(n+2)*Tc]。
图3表示了发送时间段的组成。具体的发送方法举例如下：
如果选取Ns为5，并假定同一碰撞域中存在相同级数且标识号分别是5，6，8，13，9的五个节点。那么，它们的初始默认发送子时隙可采用标识号余Ns产生，因此分别为5％5＝0，6％5＝1，8％5＝3，13％5＝3，9％5＝4。在该级节点的发送子时隙0中，有且只有节点5的默认发送子时隙为0，它将在默认退避窗口中随机选择退避值，因为没有其它的竞争者，它将获得信道使用权并成功发送同步包；在发送子时隙1中，同理，节点6将获得信道使用权成功发送同步包。发送子时隙2没有默认发送节点且不存在默认发送子时隙为-1的节点，因此没有节点在该时隙中发送。在发送子时隙3中，节点8和13分别从默认退避窗口中随机选择退避值，值小者将获得信道的使用权，而值大者(假定为节点13)将设置默认发送子时隙为-1。在最后的子时隙4中，由于此时节点13的默认发送子时隙已经变为-1，所以它将和节点9竞争该子时隙，显然默认发送节点9将获胜。那么，在该同步周期内没有获得发送机会的节点13将在下个同步周期内的所有发送子时隙重新尝试发送，恰好发送子时隙2没有默认发送节点，于是它将在子时隙2中成功发送并重新设置默认发送子时隙为2。这样，在接下来的同步周期里，此五个节点都将在自己的默认发送子时隙中无碰撞地发送同步包。
因此，本发明的流程如下：
(1)节点启动后，通过指定或其它选举方法选择某节点为该网络的根结点；
(2)根结点在某时刻开始发送同步包，并从此在每个同步周期的起始时刻即i*Tp定时发送；
(3)其它节点持续监听信道一定同步周期等待接收同步包，如果在该段时间内没有接收到任何同步包，节点进入周期唤醒状态，每隔较长同步周期监听一个同步周期，直到成功接收；节点正确接收到同步包后，提取出包中的时间戳和级数字段，获得自己的级数值，根据其标识号计算出初始默认发送子时隙序号，并采用以上所提到的同步方法与其上一级节点同步，由于上一级节点已与根结点保持同步，所以节点同样与根结点取得同步；
(4)一旦第n级节点被成功同步，在之后的第i同步周期，；将在接收时间段即[i*Fp+(n-1)*Tc，i*Tp+n*Tc]中选定的有效接收子时隙中切换到接收状态，等待接收同步包，从而周期性更新时钟以保证一定的同步误差；
(5)在发送时间段即[i*Tp+n*Tc，i*Tp+(n+1)*Tc]中的默认发送子时隙中，节点还将按照分时泛洪机制发送同步包以同步其下级节点。
我们在仿真软件Ns2[8]中使用仿真场景A，B(见图4，5)对协议进行仿真。其中在场景A中225个节点有规则地分布在168*168m2的区域中，节点间最小水平及垂直距离为12m；在场景B中200个节点随机地分布在150*150m2区域中。两图中被圆圈包围的节点均为选中的ROOT节点。
仿真中使用的部分物理信道参数和协议设置如下表1，2。
  物理信道参数   参数值
  传输模型   TwoRayGround
  载波频率   433MHz
  传输码率   76.8Kbps
  接收范围   20m
  载波监测范围   40m
  晶振时钟   10MHz
  频率误差范围   ±10ppm
  协议设置   设置值
  同步包大小   18Bytes
  同步周期   30s
  占用时间   72ms
  子时隙时间   3ms
  子时隙数量   6
  仿真时间   100min
表1：物理信道参数
表2：协议设置
以下仿真基于如下四种配置：场景A同步周期为15s，场景A同步周期为30s，场景B同步周期为15s，场景B同步周期为30s。
选取Ns为6，我们分别得出节点的接收(包括载波监测时间)、发送时间与级值的关系图6和图7，其中横坐标为节点的级值，而纵坐标分别为单周期内的平均发送和接收时间。
从上两图中我们可以看出，单周期内节点平均发送时间小于2ms，而监听时间平均为3.8ms，略大于子时隙时间3ms。当同步周期为30s时，平均发送时间仅占总时间的0.06％，而平均接收时间占0.127％，由此可见，该同步协议拥有极高能源利用率。
另外，平均接收时间基本与同步周期，级值(根节点除外)以及场景无关，而平均发送时间则与拓扑结构有一定关系，这是因为相同级值的同一碰撞域中只有Ns节点能够成功发送同步包，在节点密度较高的区域一些节点不允许发送，故平均发送时间相应下降。
参考文献(References)
[1].I.F.Akyildiz，W.Su，Y.Sankarasubramanian，and E.Cayirci.“A Survey on SensorNetworks.”IEEE Communications Magazine，40(8)：102-114，Aug.2002.
[2].B.Sundararaman，U.Buy，and A.D.Kshemkalyani，“Clock synchronization for wirelesssensor networks：a survey.”Ad Hoc Networks，vol.3，no.3，pp.281-323，2005.
[3].Fikret Sivrikaya and Bülent Yener.“Time Synchronization in Sensor Networks：A Survey”IEEE Network，July/Augest 2004
[4].M.Maro′ti，B.Kusy，G.Simon，and A′.Le′deczi，“The flooding time synchronizationprotocol.”in Proc.Of the Second ACM Conference on Embedded Networked SensorSystems(SenSys)，Nov.2004，pp.39-49
[5].S.Ganeriwal，R.Kumar，andM.Srivastava.“Timing-Sync Protocol for SensorNetworks.”Proc.First Int.Conf.on Embedded Networked Sensor Systems，Los Angeles，California，Nov.2003.
[6].J.Elson，L.Girod，and D.Estrin.Fine-Grained Network Time Synchronization usingReference Broadcasts.Proc.Fifth Symposium on Operating Systems Design andImplementation(OSD1 2002)，Vol 36，pp.147-163，2002
[7].Su.Ping，“Delay measurement time synchronization for wireless sensor networks，”IntelResearch，June 2003.
[8]. Http：//www.isi.edu/nsnam/ns。

Claims (4)

1、一种用于传感器网络的高效全网时钟同步协议，其特征在于：采用基于分时的泛洪机制，通过限定节点发送和接收的时间范围，以有效地消除唤醒时间不确定性问题。
2、根据权利要求1所述的高效全网时钟同步协议，其特征在于同步协议与其它MAC协议分时分享信道。
3、根据权利要求1或2所述的高效全网时钟同步协议，其特征在于协议采用如下同步方式，首先定义已经获得同步的节点为同步源节点，同步源节点在获得信道使用权之后，将此时的本地时钟填入同步包中的时间戳字段，进行广播，未同步节点在接收到同步包之后，读取时间戳字段并记录下此时节点的本地时钟；然后，根据硬件特性估计传输延时，组合同步包中时间戳字段，估计出的该时刻同步源节点的本地时钟；最后，结合记录下的本地时钟，对时钟进行调整，从而到达同步的目的。
4、根据权利要求3所述的高效全网时钟同步协议，其特征在于具体流程如下：
(1)节点启动后，通过指定或其它选举方法选择某节点为该网络的根结点；
(2)根结点在某时刻开始发送同步包，并从此在每个同步周期的起始时刻即i*Tp定时发送；
(3)其它节点持续监听信道一定同步周期等待接收同步包，如果在该段时间内没有接收到任何同步包，节点进入周期唤醒状态，每隔较长同步周期监听一个同步周期，直到成功接收；节点正确接收到同步包后，提取出包中的时间戳和级数字段，获得自己的级数值，根据其标识号计算出初始默认发送子时隙序号，并采用以上所提到的同步方法与其上一级节点同步，由于上一级节点已与根结点保持同步，所以节点同样与根结点取得同步；
(4)一旦第n级节点被成功同步，在之后的第i同步周期，它将在接收时间段即[i*Tp+(n-1)*Tc，i*Tp+n*Tc]中选定的有效接收子时隙中切换到接收状态，等待接收同步包，从而周期性更新时钟以保证一定的同步误差；
(5)在发送时间段即[i*Tp+n*Tc，i*Tp+(n+1)*Tc]中的默认发送子时隙中，节点还将按照分时泛洪机制发送同步包以同步其下级节点；
其中，T为同步包发送时间段长度，Tp为同步周期。
CN 200610025886 2006-04-20 2006-04-20 一种用于传感器网络的高效全网时钟同步协议 Pending CN1832479A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200610025886 CN1832479A (zh) 2006-04-20 2006-04-20 一种用于传感器网络的高效全网时钟同步协议

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200610025886 CN1832479A (zh) 2006-04-20 2006-04-20 一种用于传感器网络的高效全网时钟同步协议

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1832479A true CN1832479A (zh) 2006-09-13

Family

ID=36994478

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 200610025886 Pending CN1832479A (zh) 2006-04-20 2006-04-20 一种用于传感器网络的高效全网时钟同步协议

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN1832479A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009009939A1 (fr) * 2007-07-18 2009-01-22 Zte Corporation Procédé de synchronisation de la diffusion/multidiffusion multimédia
CN101909345A (zh) * 2010-08-03 2010-12-08 清华大学 一种广域传感器网络的多跳动态自组网方法
CN103974442A (zh) * 2014-04-24 2014-08-06 东南大学 一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法
CN104394581A (zh) * 2014-10-29 2015-03-04 南京南瑞集团公司 一种无线传感器自组网方法
CN104717739A (zh) * 2015-04-02 2015-06-17 江苏省无线电科学研究所有限公司 基于Zstack协议栈的WSN网络时间同步方法
CN106102096A (zh) * 2015-04-28 2016-11-09 德州仪器公司 用于超低功率模式传输的系统及方法
EP4132134A4 (en) * 2020-05-08 2023-10-04 Sonas, Inc. MULTIHOP RELAY SYSTEM, COMMUNICATION METHOD AND COMMUNICATION DEVICE

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009009939A1 (fr) * 2007-07-18 2009-01-22 Zte Corporation Procédé de synchronisation de la diffusion/multidiffusion multimédia
CN101909345A (zh) * 2010-08-03 2010-12-08 清华大学 一种广域传感器网络的多跳动态自组网方法
CN101909345B (zh) * 2010-08-03 2013-03-27 清华大学 一种广域传感器网络的多跳动态自组网方法
CN103974442A (zh) * 2014-04-24 2014-08-06 东南大学 一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法
CN103974442B (zh) * 2014-04-24 2017-03-22 东南大学 一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法
CN104394581A (zh) * 2014-10-29 2015-03-04 南京南瑞集团公司 一种无线传感器自组网方法
CN104717739A (zh) * 2015-04-02 2015-06-17 江苏省无线电科学研究所有限公司 基于Zstack协议栈的WSN网络时间同步方法
CN106102096A (zh) * 2015-04-28 2016-11-09 德州仪器公司 用于超低功率模式传输的系统及方法
CN106102096B (zh) * 2015-04-28 2021-07-23 德州仪器公司 用于超低功率模式传输的系统及方法
EP4132134A4 (en) * 2020-05-08 2023-10-04 Sonas, Inc. MULTIHOP RELAY SYSTEM, COMMUNICATION METHOD AND COMMUNICATION DEVICE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1832479A (zh) 一种用于传感器网络的高效全网时钟同步协议
Gandham et al. Distributed minimal time convergecast scheduling in wireless sensor networks
Kumar et al. A survey on scheduling algorithms for wireless sensor networks
CN102083163B (zh) 无线传感器网络随机休眠调度路由方法
Kim et al. Cluster-based hierarchical time synchronization for multi-hop wireless sensor networks
Gautam et al. Time synchronization protocol for wireless sensor networks using clustering
Swain et al. An energy efficient and fault-tolerant clock synchronization protocol for wireless sensor networks
Seth et al. Energy efficient timing-sync protocol for sensor network
Chipara et al. Efficient power management based on application timing semantics for wireless sensor networks
Kawabata et al. Mixed synchronous and asynchronous duty-cycling protocol in sensor networks
Nayyer et al. A comparative study of time synchronization protocols in wireless sensor network
Dobson et al. Network-level synchronization in decentralized social ad-hoc networks
Xia et al. COPESM-MAC: A contention-based medium access protocol using parallel reservation and sleep mode for underwater acoustic sensor networks
Li et al. An improved hybrid time synchronization approach in wireless sensor networks for smart grid application
Gong et al. CESP: A power efficient, accurate coefficient exchange synchronization protocol
Zhai et al. Asynchronous reservation MAC protocol for underwater acoustic sensor network
Zhang et al. A Lightweight Time Synchronisation for Wireless Sensor Networks
Chen et al. MTSP: multi-hop time synchronization protocol for IEEE 802.11 wireless ad hoc network
Zeng et al. Time division flooding synchronization protocol for sensor networks
Parmar et al. Power efficient and low latency MAC for wireless sensor networks
Bae et al. Time synchronization with fast asynchronous diffusion in wireless sensor network
Gilavan et al. Eglossy: An energy-efficient glossy-based synchronization and flooding protocol in iot
Bae Time Synchronization by Indirect-Broadcasting for Wireless Sensor Networks
Wang et al. Time Synchronization Method based on a Virtual Node for Wireless Sensor Networks
Rao et al. Energy efficient time synchronization in WSN for critical infrastructure monitoring

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication