专利名称：无线传感器网络时钟同步方法
技术领域：
本发明涉及一种无线传感器网络时钟同步的方法，传感器节点又称无 线传送器，是一种具有感知、计算、存储和通讯功能的器件，所说的无线 传感器网络指传感器节点组成的网络，
(二)
背景技术：
集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线 传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，它能够协作地实时监测、 感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。时间同步对于 所有分布式系统来说都是一个重要的问题，精确的时间同步对于传感器网 络的设计和应用同样具有重要的意义，在数据汇聚算法、定位算法、能源
有效的MAC协议等都需要传感器节点具有统一的时间信号。比如多个传感 器联合来探测一个运动目标的轨迹，每个传感器将它观测到的位置和时间 返回到处理中心，如果这些时钟不事先同步，那么无法判断观测到的位置 的时序，从而无法计算出轨迹。无线传感器网络中节点众多，节点的能量、 带宽、处理能力等相对受限，这就要求时间同步算法必须具有扩展性好、 低通信开销、低计算复杂度等特性。有限的电池能量，存储以及带宽限制 等传感器固有的特性的存在，导致传统的时钟同步算法不适合无线传感器 网络时钟同步。
近年来提出的时间同步协议在不同的应用环境和性能评价指标下各 有千秋。TPSN算法采用链路层打时间戳技术,避免了协议发送时延、接入 时延和接收处理时延的影响，并通过构造分层网络实现多跳同步，具有良 好的扩展性，但是进行一次全局同步有较大的能量消耗。FTSP算法通过发 送节点发出一个包含本地发送时间戳的数据包，接收节点用本地时间记录 接受时间并取出同步消息中的时间戳，然后调整自身时间与同步节点时间 同步。该算法实现简单，具有较低的计算复杂度和较小的系统能量开销， 但是同步精度略有下降。RBS算法使用第三方节点广播若干次同步信令， 广播域内各节点利用本地时间记录信令的到达时刻，然后各接收节点之间 交换时间记录，进而两两校准。该算法有较高的网络流量开销和计算复杂 度。以上这些算法都没有考虑到无线介质的广播本质带来数据包的冲突 甚至丢失，从而增大了数据包路由的延迟方差及数据包传输的开销。
发明内容
因此，本发明为了提高数据包传输能力，有效提高同步精度，本发明 提出 一种多信道传感器网络时间同步方法。
为了实现本发明的发明目的，本发明采用以下技术方案
该发明无线传感器网络时钟同步方法，该方法首先把无线传感器网络 构建成树型网络拓扑，并以根节点的时间值为基准时间，且根节点与所述 网络的基站通过pair-wise算法同步；其后根节点沿各子树广播包含根节点 时间信息的同步数据包，各子树的父节点与其子节点间通过pair-wise算法 同步，并最终使各子树各层间同步；进而，直到树型网络各节点都具有一 个统一的时间信号。
基于本发明技术方案的无线传感器网络时钟同步方法采用树形网络 拓扑结构，数据包传输能力强。另一方面，树形拓扑层次分明便于同步数 据包的逐层传输，或者逐子树传输，并且每个子树出现问题，不会影响其 他子树的正常传输。而基于Pair-Wise的时间同步算法使节点一旦建立自己 的级别，就忽略任何其它分级数据包，以防网络拥塞；并且能够准确的计 算出时钟漂移和传输延迟，从而可以可靠并精确的实现各节点的时间同步。
上述无线传感器网络时钟同步方法，所述父节点与子节点同步步骤 中，所述同步数据包包含的本地时间为T1，所有的子节点记录下各自收到 这个数据包的时间T，父节点随机的选择一个子节点，该节点收到这个数 据包的时间为T，，然后父结点与该子节点间通过pair-wise算法获得同步时 间信息，之后父节点广播时间差值到其子节点，各子节点根据自身与父节 点的时间差值校正自身的时间偏差。
所述根节点通过GPS授时系统授时，且各个节点都设有时钟电路，并 除根节点外的各节点依据所述同步方法授时。
该无线网络传感器网络采用多信道传输方式以减少同步中数据包的 传输数目。
所述多信道传输方式采用两个信道传输方式，其一为用于传输标志信 息和控制数据包的控制信道，另一为用于传输时间的时间信道。
所述控制信道为各节点间共享信道，时间信道为父节点与子节点间的 专用信道。
5在基站与根节点建立同步步骤前，根节点广播层发现包含发送者所从 属层数的层次请求数据包，当根节点的直接邻接点收到这个数据包后，设 置层数1，然后广播包含该层数的新发现数据包，依次进行，直到网络中 所有节点都从属于一个确定层次。
在确定节点所述层次的步骤中，在网络中设置一定时模块，以用于设 定层次请求数据包最大相应时间，并在超过该设定值时，重新发送层次请 求数据包。
(四)
图l为建立同步树的示意图。
图2为同步数据包的交换过程示意图。
图中1-16为节点，11-14为层。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步的说明，使本领域
的技术人员更好的理解本发明
参照说明书附图1和2，基于本发明技术方案的无线传感器网络时钟 同步方法，该方法首先把无线传感器网络构建成树型网络拓扑，并以根节 点的时间值为基准时间，且根节点与所述网络的基站通过pair-wise算法 同步；其后根节点沿各子树广播包含根节点时间信息的同步数据包，各子 树的父节点与其子节点间通过pair-wise算法同步，并最终使各子树各层 间同步；进而，直到树型网络各节点都具有一个统一的时间信号。
图l示出了建立同步数的结构，根节点广播层次发现数据包，这个数 据包中包含发送者所从属的层数，即数据包定了该层信息，当根节点的直 接邻接点收到这个数据包后，设置层数为1，然后广播包含该层数的新发 现数据包，这个过程如此进行下去，直到网络中所有节点都从属于一个确 定层次。
如果一个节点要加入到该网络中，但是网络中的层次发现阶段已经结 束，那么它可以广播层次请求数据包，接收到该请求的邻接点通过发送其 所在层次的数据包作为回应，那么该节点层次就是其邻接点所在层次加1。
所述父节点与子节点同步步骤中，所述同步数据包包含的本地时间为 1\，所有的子节点记录下各自收到这个数据包的时间T，父节点随机的选 择一个子节点，该节点收到这个数据包的时间为T'，然后父结点与该子 节点间通过pair-wise算法获得同步时间信息，之后父节点广播时间差值到其子节点，各子节点根据自身与父节点的时间差值校正自身的时间偏差。
对于pair-wise同步算法，要在建立树形网络拓扑之后，假设Tb T4
为基站的本地时间，T2 、 T3为根节点的本地时间。1\时刻，基站发送一个
包含L的数据包到根节点，根节点在T2时刻收到此数据包，则T^Ti+D+d，
其中D和d分别为数据包在基站和根节点间的传输时间和它们之间的时间
偏差。同样，T3时刻，根节点发送一个确认数据包到基站，基站在T4时刻
收到此数据包，则有T^T3+D-d ，假设在这段时间里，时间偏移量和传输
延迟不变，可以计算出 D,2-i;)+(T4-T3)]/2
H(vt;)-(T4-T3)〗/2
根节点可以根据d纠正其时间偏差，从而达到同基站同步。然后根节
点会沿着各子树开始广播时间数据包，开始整个同步树的同步过程，进而 实现同步树各节点的同步。
所述根节点通过GPS授时系统授时，以获取一个基准时钟，且各个节
点都设有时钟电路，并除根节点外的各节点依据所述同步方法授时，即以 所述基准时钟校正时间偏移量和延迟，以此获取同步。
如果使用单一信道传输数据，当来自不同子节点的数据包同时到达父 节点，会造成父节点数据包的堵塞排队，因此该无线网络传感器网络采用 多信道传输方式以减少同步中数据包的传输数目以解决父节点数据包堵塞 排队的技术问题。
优选地，所述多信道传输方式采用两个信道传输方式，其一为用于传 输标志信息和控制数据包的控制信道，另一为用于传输时间的时间信道。
所述控制信道为各节点间共享信道，时间信道为父节点与子节点间的 专用信道。
这里主要考虑两个优选的信道完全可以满足数据传输，不会造成父节 点数据包的堵塞，过多的信道设置会造成资源的占用过多，因此，基于上 述方案的多信道设置方式占用资源少，且能够解决父节点数据包堵塞的问 题。
相应于前面建立同步树步骤，该步骤在基站与根节点建立同步步骤
-、/
目"
由于传感器节点会随时耗尽资源，当位于i-l层的所有节点都因为资
源耗尽而退出网络时，为了避免位于第i层的节点收不到任何回复而与网络失去联络，在确定节点所述层次的步骤中，在网络中设置一定时模块， 以用于设定层次请求数据包最大相应时间，并在超过该设定值时，重新发 送层次请求数据包。如果此时网络处于连接状态，它至少会收到一个回复， 从而可以确定新的层次。所说的定式模块可以是软件定时，也可以采用定 时器。
权利要求
1.一种无线传感器网络时钟同步方法，该方法首先把无线传感器网络构建成树型网络拓扑，并以根节点的时间值为基准时间，且根节点与所述网络的基站通过pair-wise算法同步；其后根节点沿各子树广播包含根节点时间信息的同步数据包，各子树的父节点与其子节点间通过pair-wise算法同步，并最终使各子树各层间同步；进而，直到树型网络各节点都具有一个统一的时间信号。
2. 根据权利要求1所述的无线传感器网络时钟同步方法，其特征在 于所述父节点与子节点同步步骤中，所述同步数据包包含的本 地时间为T\，所有的子节点记录下各自收到这个数据包的时间T， 父节点随机的选择一个子节点，该节点收到这个数据包的时间为 T'，然后父结点与该子节点间通过pair-wise算法获得同步时间 信息，之后父节点广播时间差值到其子节点，各子节点根据自身 与父节点的时间差值校正自身的时间偏差。
3. 根据权利要求2所述的无线传感器网络时钟同步方法，其特征在 于所述根节点通过GPS授时系统授时，且各个节点都设有时钟 电路，并除根节点外的各节点依据所述同步方法授时。
4. 根据权利要求2所述的无线传感器网络时钟同步方法，其特征在 于该无线网络传感器网络采用多信道传输方式以减少同步中数 据包的传输数目。
5. 根据权利要求4所述的无线传感器网络时钟同步方法，其特征在于所述多信道传输方式采用两个信道传输方式，其一为用于传输标志信息和控制数据包的控制信道，另一为用于传输时间的时 间信道。
6. 根据权利要求5所述的无线传感器网络时钟同步方法，其特征在于所述控制信道为各节点间共享信道，时间信道为父节点与子 节点间的专用信道。
7. 根据权利要求2所述的无线传感器网络时钟同步方法，其特征在于在基站与根节点建立同步步骤前，根节点广播层发现包含发 送者所从属层数的层次请求数据包，当根节点的直接邻接点收到 这个数据包后，设置层数1，然后广播包含该层数的新发现数据 包，依次进行，直到网络中所有节点都从属于一个确定层次。
8. 根据权利要求7所述的无线传感器网络时钟同步方法，其特征在于在确定节点所述层次的步骤中，在网络中设置一定时模块， 以用于设定层次请求数据包最大相应时间，并在超过该设定值时， 重新发送层次请求数据包。
全文摘要
本发明公开了一种无线传感器网络时钟同步的方法。该发明无线传感器网络时钟同步方法，该方法首先把无线传感器网络构建成树型网络拓扑，并以根节点的时间值为基准时间，且根节点与所述网络的基站通过pair-wise算法同步；其后根节点沿各子树广播包含根节点时间信息的同步数据包，各子树的父节点与其子节点间通过pair-wise算法同步，并最终使各子树各层间同步；进而，直到树型网络各节点都具有一个统一的时间信号。基于本发明技术方案的无线传感器网络时钟同步的方法能够提高数据包传输能力，有效提高同步精度。
文档编号H04B7/26GK101588628SQ20091001640
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月19日 优先权日2009年6月19日
发明者刘瑞霞, 吕家亮, 孔祥龙, 强 郭, 诺 魏 申请人:山东省计算中心