一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)雙向時(shí)間同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度雙向時(shí) 間同步方法。
【背景技術(shù)】
[000引時(shí)間同步技術(shù)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN)的關(guān)鍵技術(shù)之 一，它給全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供統(tǒng)一的時(shí)間度量標(biāo)準(zhǔn)，是全網(wǎng)協(xié)同工作的先決條件和技術(shù)保障。準(zhǔn)確 的時(shí)間同步保證了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的正常運(yùn)行，而且在其實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中也起到的關(guān)鍵性的作 用，如節(jié)點(diǎn)定位、休眠調(diào)度、數(shù)據(jù)融合、TDMA調(diào)度、路由協(xié)議、測(cè)量距離、數(shù)據(jù)同步等等，該些 應(yīng)用都對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步有著明確的要求。
[0003] 影響時(shí)間同步的因素；為了對(duì)時(shí)間同步算法進(jìn)行更加精確的研究，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)之 間消息傳輸過(guò)程中的影響時(shí)間同步精度的因素進(jìn)行詳細(xì)分析，W及制定出避免該些影響因 素的方法。在目前的研究中，可將從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)消息傳輸?shù)年P(guān)鍵路徑延遲劃分為 六個(gè)部分，具體的劃分如圖1所示；
[0004] (1)發(fā)送時(shí)間延遲（SendTime);-般指消息發(fā)送節(jié)點(diǎn)開(kāi)始構(gòu)造一條消息，到消息 達(dá)到底層做好發(fā)送準(zhǔn)備時(shí)消耗的時(shí)間，也就是產(chǎn)生消息并將該消息發(fā)送到MAC層所需的時(shí) 間。該個(gè)時(shí)間的消耗與處理器當(dāng)前的操作情況、系統(tǒng)的調(diào)度息息相關(guān)，延遲的時(shí)間最大可達(dá) 幾百毫秒；
[000引似訪問(wèn)時(shí)間延遲（AccessTime);等待傳輸信道空閑所需時(shí)間，與MAC層的協(xié)議 和網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前負(fù)載狀況有關(guān)。消息已經(jīng)從上層傳遞到MAC層，但是發(fā)送節(jié)點(diǎn)要對(duì)信道進(jìn)行 檢測(cè)，當(dāng)確認(rèn)信道時(shí)，才將消息發(fā)送出去。因此，在整個(gè)傳輸實(shí)驗(yàn)中，它是最不確定和不可預(yù) 測(cè)的一部分；
[0006] (3)傳輸時(shí)間延遲（TransmissionTime):消息在物理層發(fā)送所需的時(shí)間，取決于 消息的大小和射頻模塊的無(wú)線發(fā)射速率，該部分時(shí)間通過(guò)計(jì)算比較容易確定；
[0007] (4)傳播時(shí)間延遲（PropagationTime);消息W電磁波的方式在傳輸介質(zhì)中的傳 播時(shí)間，所W該部分的時(shí)延可看做只取決于節(jié)點(diǎn)間的距離。因?yàn)殡姶挪ㄔ诳諝庵袀鞑サ乃?度很快（接近光速），所W與其他時(shí)延相比，傳播時(shí)延是可W忽略不計(jì)的；
[000引（5)接收時(shí)間延遲化ec巧tionTime);接收時(shí)延和傳輸時(shí)延是相反的過(guò)程，是接 收節(jié)點(diǎn)在物理層按位接收信息產(chǎn)生的時(shí)延；
[0009] (6)接收處理時(shí)間延遲巧eceiveTime):接收處理時(shí)延和發(fā)送時(shí)延是相反的過(guò) 程，是接收節(jié)點(diǎn)在底層接收完信息后，往上傳遞給應(yīng)用層所消耗的時(shí)間。
[0010] 綜上所述，網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步的誤差主要是由該幾部分傳輸延遲造成的。如果在同 步過(guò)程中，能夠?qū)υ撔r(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，或者是直接消除該些時(shí)延，那么同步精度將會(huì)得到提 局。
[0011] 節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘模型：在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)都具有屬于自身的晶體振蕩 器（Oscillator),節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘就是通過(guò)該個(gè)晶振的脈沖計(jì)數(shù)來(lái)度量的。隨著晶體振蕩器的 頻率的變化和震蕩次數(shù)的增多，節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘也會(huì)隨之變化。因此，在任一節(jié)點(diǎn)i在物理 時(shí)刻t的本地時(shí)鐘讀數(shù)可W用式（2-1)表示：
[001引
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)雙向時(shí)間同步方法，是基于發(fā)送者-接收者雙向的同步方法，將 傳感節(jié)點(diǎn)同步到參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘，其特征在于，包括以下步驟： (a) 在傳感節(jié)點(diǎn)向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步請(qǐng)求消息SYNC_REQ的起始階段，當(dāng)物理層傳送完 同步頭時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)立刻處理物理層的發(fā)送中斷事件，并記錄時(shí)標(biāo)Tl ; (b) 傳感節(jié)點(diǎn)將時(shí)標(biāo)Tl寫(xiě)入TXFIFO寄存器中，將時(shí)標(biāo)嵌入該SYNC_REQ消息中，然后繼 續(xù)將該消息按位發(fā)送至參考節(jié)點(diǎn)； (c) 參考節(jié)點(diǎn)接收到SYNC_REQ消息時(shí)，在物理層接收完同步頭后，參考節(jié)點(diǎn)處理物理 層的接收中斷事件，并記錄時(shí)標(biāo)T2 ; (d) 參考節(jié)點(diǎn)成功接收完SYNC_REQ消息后，提取消息中的時(shí)標(biāo)Tl和自身記錄的時(shí)標(biāo) T2,組建SYNC_ACK消息，并將Tl和T2放入消息中； (e) 同步驟（a)和（b)，參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送SYNC_ACK時(shí)在物理層記錄時(shí)標(biāo)T3,并嵌入該消息 發(fā)送至傳感節(jié)點(diǎn)； (f) 同步驟（c)，傳感節(jié)點(diǎn)接收SYNC_ACK時(shí)在物理層記錄該消息的時(shí)標(biāo)T4 ; 至此，發(fā)起同步請(qǐng)求的傳感節(jié)點(diǎn)已經(jīng)獲取到了 Tl、T2、T3和T4四個(gè)時(shí)標(biāo)，并通過(guò)
長(zhǎng)取傳感節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移量△， 假設(shè)在t時(shí)刻時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘是& (t)，傳感節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘時(shí)Ci (t)，則能夠通過(guò)Λ值 修正傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移量，即Cj(t) = Ci (t) + A，即實(shí)現(xiàn)了基于offset補(bǔ)償?shù)耐椒?法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)雙向時(shí)間同步方法，其特征在于，在ZigBee網(wǎng) 絡(luò)中，選擇協(xié)調(diào)器為參考節(jié)點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)雙向時(shí)間同步方法，其特征在于，所述同步 方法還包括自適應(yīng)晶振頻率偏移skew補(bǔ)償機(jī)制，其具體過(guò)程為： 根據(jù)式 Cj (t) = BijCi (t) +bij， 可知，要使得傳感節(jié)點(diǎn)i的時(shí)鐘與參考節(jié)點(diǎn)j的時(shí)鐘同步，需計(jì)算出skew補(bǔ)償值ay和 offset補(bǔ)償值bij;ofTset補(bǔ)償值為Δ ; 通過(guò)統(tǒng)計(jì)同步消息的數(shù)據(jù)，計(jì)算出ay，即完成對(duì)skew的補(bǔ)償。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)雙向時(shí)間同步方法，其特征在于，所述通過(guò)統(tǒng) 計(jì)同步消息的數(shù)據(jù)計(jì)算出a#是采用了一個(gè)循環(huán)隊(duì)列存放N-I個(gè)當(dāng)前的skew補(bǔ)償值，具體 過(guò)程為： 在經(jīng)過(guò)2個(gè)同步周期后，傳感節(jié)點(diǎn)獲取到了兩組同步數(shù)據(jù)，計(jì)算出skew補(bǔ)償值aij，并 把它入隊(duì)，作為當(dāng)前的skew補(bǔ)償值對(duì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整并實(shí)現(xiàn)同步；
$書(shū)·占了 M次同步時(shí)，M〈N，隊(duì)列里將會(huì)有M-I個(gè)補(bǔ)償值，skew補(bǔ)償值的計(jì)算公 式是 把當(dāng)前隊(duì)列中各元素的算術(shù)平均數(shù)作為skew補(bǔ)償值； N-l 當(dāng)節(jié)點(diǎn)間完成了 N次同步后，該隊(duì)列被填滿，此時(shí)的skew補(bǔ)償值是： 護(hù)』 Clii=--; ，J N-I 此后，當(dāng)節(jié)點(diǎn)間完成了 Ν+k-l次同步后，再經(jīng)過(guò)一個(gè)同步周期，完成了第N+k同步時(shí)， 此時(shí)將隊(duì)列首元素出隊(duì)，并將最新計(jì)算得到的入隊(duì)，完成對(duì)該循環(huán)隊(duì)列的更新，此時(shí) 1+N-1 skew補(bǔ)償值的計(jì)算公式是： U a；； = -〇 11 N-\
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)雙向時(shí)間同步方法，是基于發(fā)送者-接收者雙向的同步方法，將傳感節(jié)點(diǎn)同步到參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘，是采用了物理層的時(shí)標(biāo)記錄技術(shù)和時(shí)標(biāo)嵌入技術(shù)，且時(shí)標(biāo)的記錄、嵌入及發(fā)送/接收是在同一條消息中完成，使得在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施發(fā)送者-接收者的雙向同步算法時(shí)，理論上消除了同步過(guò)程中的發(fā)送時(shí)間延遲、訪問(wèn)時(shí)間延遲傳輸時(shí)間延遲、傳播時(shí)間延遲、接收時(shí)間延遲和接收處理時(shí)間延遲這6個(gè)因素的影響，從而獲得了非常高的同步精度。并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的skew補(bǔ)償，最后在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中對(duì)該算法進(jìn)行了驗(yàn)證，得到的測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期設(shè)想。
【IPC分類】H04W56-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104837197
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510176407
【發(fā)明人】黃曉, 陳曉杰, 保延翔
【申請(qǐng)人】中山大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年4月14日