供在网络中使用的网络装置的制作方法

专利名称：供在网络中使用的网络装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于在网络中使用的网 络装置。本发明还涉及包括至少两个所述网络装置的网络。本发明还涉及
使网络装置所提供的信号与根据权利要求8的前序部分所述的另外网络装 置所提供的另外信号的同步的方法。
背景技术：
可以在传感器网络中采用根据开头段落所述的网络装置。传感器网络 要求在网络装置之间具有公用的时间概念。在"Time Synchronization in Sensor Networks: A survey", Fikret Sivrikaya等人，IEEE Network, July/ August2004中，讨论了诸如传感器网络的无线网络中的时间同步。网络中 的时间同步的目的在于为网络中所包含的网络装置的本地时钟提供公用的 时标。例如，需要采用公用的时间概念，这样才能使多个网络装置获取的 测量数据相关。为了实现测量结果的相关，要为每一测量提供反映完成测 量的时间的时间戳。其引出了使网络装置的时钟同步的需求。
通用的网络时间同步方法依赖于网络装置之间的某种消息交换。这样 的消息可以包括时间戳，所述时间戳包括发送网络装置的时钟值。在接收 到所述消息的同时，接收网络装置可以将其时钟值与所述消息中包括的接 收时间戳进行比较，并使其时钟同步。但是，接收网络装置的本地时钟可 能经常从发送网络装置的本地时钟上发生漂移，从而再次产生使所述本地 时钟同步的必要。
' 在无线网络中，网络装置可以具有诸如电池的有限能量源。每一时钟 同步需要时间戳的交换和一系列计算，因而每一同步都引起能量消耗。
因此，问题在于，尽管网络装置的可用能量源可能是有限的，网络装 置之间的时间同步所涉及的计算促进了能量消耗和电池寿命的縮短。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能够以降低的能耗实现时间同步的网络装 置，其用于在包括至少所述网络装置和另外网络装置的网络中使用。
这一目的是通过权利要求1中定义的网络装置实现的。根据本发明的 网络装置包括权利要求1的特征部分的特点。每一网络装置中包括的循环 计数的计数器在其计数器值达到所述末尾计数时提供信号。通过使所述信 号与另外信号同步而实现所述网络装置与另外网络装置的时间同步。为了 实现所述信号与另外信号的同步，所述网络装置响应于事件的检测而将末 尾计数的值调整至经修改的末尾计数。所述经修改的末尾计数依赖于第一 时间戳和第二时间戳，所述第一时间戳和第二时间戳二者都是在检测到所 述事件时取得的。作为调整的结果，由所述网络装置提供的信号将在时间 上提前或延迟。在提供了所述提前或延迟信号之后，恢复末尾计数的先前 值。因此，网络装置以最小的计算工作量实现了其信号与另外信号的同步。 通过限制时间同步所需的计算工作量，降低了网络装置之间的时间同步所 需的能耗，从而实现了本发明的目的。
权利要求1中定义的网络装置的实施例的优点在于，其可以以最低的 计算工作量使其信号与另外网络装置提供的另外信号同步，从而节约了其 可用的能源。
权利要求3中定义的网络装置的实施例的优点在于，所述网络装置可 以创建所述事件，其他网络装置可以使它的其他信号与所述网络装置的信 号同步。因而，所述网络装置可以在发送器一接收器情境中充当发送器， 在另外网络装置充当发送器的发送器-接收器网络装置的情境中充当接收 器。
权利要求4中定义的网络装置的另外实施例的优点在于，可以计算所 述信号和另外信号之间的时滞(skew),并且可以根据所述时滞调整所述计 数器的开始和/或末尾计数。因此，尽管在所述网络装置和另外网络装置之 间存在小的计数速率的差异，其需要的时间戳交换频率也可能更低，因而 降低了使所述网络装置的多个信号与另外网络装置的多个另外信号保持同 步所需的计算工作量，由此节约了能耗。
在权利要求5中定义的网络装置的另一实施例中，所述处理模块包括卡尔曼滤波器，其提供的优点在于，进一步降低了估算时滞所需的计算工 作量，从而进一步节约了能耗。
根据权利要求7所述的网络的实施例的优点在于可以使所述网络中包 含的网络装置执行的测量同步。可以通过所述信号起动所述网络装置执行 的测量。可以通过另外信号起动所述另外网络装置执行的另一测量。通过 使所述信号和另外信号同步，可以使所述测量和另外测量同步。因而，所 述同步所涉及的网络装置中的每者均以降低的能耗实现了所述测量和另外 测量的同步。这一点对于无线传感器网络尤为有利，在所述无线传感器网 络中每一传感器的能源有限而且不耐用。
根据权利要求8所述的方法的实施例以最低的计算工作量提供了由所
述网络装置和另外网络装置所提供的信号的同步。采用经同步的信号，可 以使这些节点上的另外的信号测量同步并相关。通过限制所述网络装置和 另外网络装置的同步所需的计算工作量，降低了所述网络装置的能耗。
在根据权利要求9的方法的另一实施例中，所述第一时间戳和第二时 间戳包括第一计数器值和第二计数器值。因而，所述经修改的末尾值依赖 于所述第一计数器值和第二计数器值。
在根据权利要求IO所述的方法的另一实施例中，可以由想要使其信号 与另外网络装置的另外信号同步的阿络装置创建所述事件。所述另外网络 装置也可以创建所述事件，从而使所述信号与另外信号同步。此外，其他 网络装置也可以创建所述事件。因而，包括所述网络装置、另外网络装置 和其他网络装置的网络的优点在于，每一所述网络装置都可以发起同步并 生成所述事件。
权利要求ll中定义的方法的另一实施例的优点在于，在所述网络装置 接收到所述第一时间戳之后很快就实现了所述信号与另外信号的同步。所 述网络装置将其计数器与所述经修改的末尾计数进行比较，所述经修改的 末尾计数处于开始计数和末尾计数之间。
与权利要求11中定义的实施例相比，权利要求12中定义的方法的另 一实施例给出了延迟同步。但是，在采用运行于处理器上的软件实现所述 方法时，权利要求12中定义的方法可能是有利的。用于计算所述经修改的 末尾计数的指令的执行所用的时间可能比计数器达到所述经修改的末尾计
9数所需的时间要长，尤其是在所述经修改的末尾计数接近所述开始计数时。 为了避免出现这种情况，优选地将所述计数器与大于所述末尾计数的经修 改的末尾计数进行比较，从而为所述处理器提供更多的时间供其执行其指 令以计算所述经修改的末尾计数。
权利要求13中定义的方法的另一实施例提供了所述信号和另外信号的 重复同步。由于部件之间存在的差别(spread)和诸如温度的环境条件的差 异，所述另外网络装置的计数器可能以略微不同于所述网络装置的计数器 的速率计数。因此，在执行了根据权利要求8-13中的任何一项所述的方法 的步骤之后的某一时间，所述信号和另外信号可能再次失去同步。为了避 免发生这种情况，可以在一定时间之后重复根据权利要求8-13中的任何一 项所述的方法的步骤。因此，权利要求13中定义的方法的另一实施例的优 点在于提供了所述信号和另外信号的连续同步。
权利要求14中定义的方法的另一实施例的优点在于可以降低执行根据 权利要求8-13中的任何一项所述的方法的步骤的重复率，从而进一步降低 了同步所需的能耗。在由于部件之间存在的差别和诸如温度的环境条件的 差异而使得所述另外网络装置的计数器以略微不同于所述网络装置的计数 器的速率计数，从而在所述多个另外信号与所述多个信号之间引起时滞时， 可以改变所述网络装置的计数器的开始计数和/或末尾计数，从而使所述多 个信号与所述多个另外信号保持同步。
权利要求15中定义的方法的另一实施例的优点在于为时滞的计算提供 了准确的数据的集合，因为所述数据的集合包括所述数据集和另一数据集， 所述数据的集合不会因执行根据权利要求8-14中的任何一项所述的方法的 步骤而受到破坏。
权利要求16中定义的方法的另一实施例提供了用于由包括所述数据集 和所述另一数据集的数据的集合计算时滞的模块。将卡尔曼滤波器用于所 述的数据的集合的处理。将卡尔曼滤波器用于所述时滞的估算的优点在于 所述网络装置的信号花费很短的时间就能够变得与另外网络装置的另外信 号同步。应用卡尔曼滤波器的另一优点在于，获得对所述时滞的估算的计 算工作量低于采用借助线性回归的现有技术处理所需的计算工作量。因而， 借助卡尔曼滤波器的应用，可以进一步降低网络装置的能耗。本发明的这些和其他方面从下文中描述的实施例变得明显，并将参考 这些实施例对本发明的这些和其他方面进行阐述。


在附图中
图1示出了网络中所包含的网络装置的实施例； 图2示出了网络中所包含的网络装置的另一实施例； 图3a示出了 "尽快"同步； 图3b示出了 "延迟"同步；
图4示出了采用计数器和另一计数器的"尽快"同步； 图5示出了多个信号和多个其他信号之间的时滞。
具体实施例方式
微机电系统(MEMS)技术、数字电路设计、集成和封装以及无线通 信领域的进步催生了更小、更廉价、能耗更低的感测和计算装置。这些进 步实现了包括多个与环境相互作用并且相互通信的很小的计算网络装置的 网络的创建。
这样的网络的例子可以是用于监测应用的无线传感器网络，所述传感 器中的每者包含在网络装置内，并对应网络的无线节点。 一个监测应用的 例子是采用无线传感器监测建筑物或桥梁的结构完好性的应用。在另一个 例子中，可以采用无线传感器对具有某种医疗状况的人进行持久监测。
在这些应用中，每一网络装置的能量源都是有限的，对于这些网络装 置中的很多而言，能量源并非很耐用，这是由于这些网络装置处于远程且 难于操作的位置。
在包括多个网络装置的网络中，可能需要在一些或所有网络装置之间 实现时间同步，从而使一些或所有网络装置执行的任务同步。可能需要某 种所有网络装置公用的全局时基使在多个节点上取得的测量数据相关，以 及按照同步的方式起动一些或所有网络装置上的测量。
图1示出了包括网络装置110和另外网络装置120的网络100。网络装 置110被设置为提供信号180，另外网络装置120被设置为提供另外信号190。网络装置110包括被设置为使所述信号与另外信号同步的同步模块 440。网络装置可以采用所述信号开始测量，通过使所述信号与另外信号同 步，可以使所述测量与所述另外网络装置执行的另外测量同步。为了使所 述信号180与另外信号190同步，网络装置110接收所述另外网络装置120 的包括所述另外网络装置的本地时间值的"瞬象"的第一时间戳420，并将 其与包含在第二时间戳内的其自身的本地时间值的"瞬象"进行比较。重 要的是，在相同的或者几乎相同的时刻取得所述第一时间戳和第二时间戳， 或者在它们之间存在确定性延迟。
在发送器一接收器情境中，另外网络装置120向网络装置110发送第 一时间戳，网络装置110将取得第二时间戳。通过比较所述时间戳，网络 装置110可以对其信号180进行调整，即，使之延迟或提前，从而使网络 装置110的信号180与另外网络装置120的另外信号190同步。为了实现 这一目的，另外网络装置120创建事件170，并取得其本地时间值的第一时 间戳(即，瞬象)。 一旦网络装置110检测到了所述事件，那么其将取得其 本地时间值的第二时间戳。假设在所述另外网络装置创建所述事件之后， 网络装置110觉察到所述事件所用的延迟小到可忽略，或者能够测量出来， 那么所述第一时间戳和第二时间戳就是在大致相同的时刻上取得的，或者 它们具有能够校正的延迟。
在另一发送器一接收器情境中，网络装置110创建事件170，并取得其 本地时间的第二时间戳。 一旦所述另外网络装置120检测到了所述事件， 那么其将取得其本地时间值的第一时间戳，并将所述第一时间戳发送至网 络装置110。
事件170可以是在网络装置110和另外网络装置120上发生的共有事 件。只要所述事件为两网络装置共有，所述网络装置110和所述另外网络 装置120中的任一个都可以创建事件170。
在接收器一接收器情境中，网络100中还包括图2所示的其他网络装 置130，并创建由所述网络装置110和另外网络装置120检测的事件170。 一旦所述网络装置110和另外网络装置120检测到了所述事件，就取得所 述第一时间戳和第二时间戳。为了使所述网络装置110与所述另外网络装 置120同步，所述另外网络装置120向所述网络装置发送第一时间戳。通过比较所述时间戳，网络装置110可以对其信号180进行调整，gp，使其 在时间上延迟或提前，从而使其与另外信号190同步。
图3a示出了关于信号180和另外信号190的同步的更多细节。如本发 明中的图2所示，所述网络装置和另外网络装置包括同步模块440。所述同 步模块包括被设置为提供计数器值80、 90，并且从开始计数20、 30循环计 数至末尾计数50、 60的计数器150、 450。最初将所述开始计数20、 30设 置为预定开始计数值，但是其可以响应于时滞补偿步骤发生变化，稍后将 对此进行讨论。最初将所述末尾计数50、 60设置为预定末尾计数值，但是 其可以响应于主要校正步骤而发生变化，稍后也将对此进行讨论。所述末 尾计数值也可以响应于时滞补偿步骤发生变化。 一旦达到末尾计数50、 60， 就将计数器值80、 90重置为开始计数20、 30。计数器150、 450每次重置， 同步模块440都提供另外信号和所述信号，由于所述计数器被设置为循环 计数，因而提供了多个另外信号190a、 190b、 190c、 190d和多个所述信号 180a、 180b、 180c、 180d。
尽管在下述讨论中，计数器150、 45周期性地递增计数，但是也可以 将所述计数器实现为周期性递减计数的计数器。就周期性递增计数的计数 器而言，末尾计数将大于开始计数，就周期性递减计数的计数器而言，末 尾计数将小于开始计数。
在使来自所述多个信号的信号180与来自所述多个另外信号的另外信 号190同步时，网络装置110的计数器值90将变得等于另外网络装置120 的计数器值80。可以采用网络装置IIO提供的信号180d开始诸如测量的任 务，其中使信号180d与另外网络装置120提供的另外信号190e同步。因 而，通过使信号180d与另外信号190e同步，可以使所述网络装置110和 所述另外网络装置120的测量同步。
参考图1和图3，用于在网络100中使用的网络装置110包括被设置为 检测事件170的模块400和用于接收另外网络装置120的第一时间戳420 的模块410，以及用于取得第二时间戳的模块。网络装置110被设置为提供 信号180，并包括被设置为使信号180与另外网络装置120提供的另外信号 190同步的同步模块440。所述同步模块440包括计数器450，其被设置为
-从开始计数到末尾计数循环计数，并且
13-根据计数器达到末尾计数而提供信号180，并且
-响应于事件170的检测将末尾计数60的值调整至经修改的末尾计数 230,所述经修改的末尾计数依赖于所述第一时间戳和第二时间戳，
-在根据计数器达到所述经修改的末尾计数而提供信号180d之后，在 调整至所述经修改的末尾计数之前将末尾计数的值调整至其值60。
同样地，参考图1和图2， 一种用于使来自网络装置IIO提供的多个信 号的信号180与来自由另外网络装置120提供的多个另外信号的另外信号 190同歩的方法包括的步骤为
-另外网络装置120响应于事件170的检测而取得第一时间戳420;
-网络装置110响应于事件170的检测而取得第二时间戳；
-网络装置110从另外网络装置120接收第一时间戳420;
-网络装置110根据循环计数计数器450达到末尾计数60而提供信号 180a、 180b、 180c、 180d，所述计数器从开始计数30计数到末尾计数，
-响应于事件170的检测将末尾计数60调整至经修改的末尾计数230， 所述经修改的末尾计数依赖于所述第一时间戳和第二时间戳，
-在根据所述计数器达到所述经修改的末尾计数而提供信号180d之 后，将所述经修改的末尾计数230调整至末尾计数60。
权利要求2中定义的网络装置110的优点在于，可以使其计数器450 与另外网络装置120的计数器150同步。因而，可以使所述网络装置的由 其计数器值90表示的本地时间值与另外网络装置的由其计数器值80表示 的本地时间同步。发送至所述网络装置的第一时间戳包括由所述另外网络 装置的计数器提供的第一计数器值210。所述第一计数器值210对应于由所 述另外网络装置对事件170的检测。在检测到所述事件170的同时，网络 装置110取得包括第二计数器值200的第二时间戳。所述经修改的末尾计 数依赖于所述第一计数器值210和第二计数器值200。所述同步只需要很少 的计算工作量，因而节约了能耗。
权利要求3中定义的网络装置可以充当网络100中的主装置，其创建 其他事件240，并向其他网络装置130发送第三时间戳。其他网络装置130 将使其计数器与网络装置110的计数器450同步。因而，采用权利要求3 中定义的多个网络装置，可以创建网络100，其中，所述网络的网络装置110、 120、 130可以使其计数器和信号同步。
返回至图3a和3b，可以通过下述至少两种可能的方式完成所述网络装 置110和所述另外网络装置120的计数器45G、 15G的同步，进而完成所述 信号180和另外信号190的同步图3a所示的"尽快"同步或者图3b所 示的"延迟"同步。
权利要求10定义的方法的另一实施例定义了 "尽快"同步。在图3a 中，第一时间戳包括第一计数器值210，其小于第二时间戳中包括的第二计 数器值200。因此，将经修改的末尾计数230作为下述项的和计算
-网络装置110的计数器450的开始计数30和
-第二时间戳中包括的第二计数器值200与第一时间戳中包括的所接 收到的第一计数器值210之间的差；
但是，当第一时间戳中包括的第一计数器值210大于第二时间戳中包 括的第二计数器值200时，将所述经修改的末尾计数230作为下述项之间 的差计算
-网络装置110的计数器450的末尾计数60和
-所接收到的包括在第一时间戳中的第一计数器值210与包括在第二 时间戳中的第二计数器值200之间的差。
在"尽快"同步中，在达到经修改的末尾计数230的同时对网络装置 的计数器450的同步重置，其中，所述经修改的末尾计数小于所述计数器 的末尾计数50。
图3b示出了权利要求12中定义的方法的另一实施例。这一实施例涉 及"延迟"同步，其中，在达到所述经修改的末尾计数230的同时对所述 另外网络装置110的计数器450重置，其中，所述经修改的末尾计数大于 所述计数器450的末尾计数60。将所述经修改的末尾计数230作为下述项 的和计算
-网络装置110的计数器450的末尾计数60和
-包括在第二时间戳中的第二计数器值200与所接收到的包括在第一 时间戳中的第一计数器值210之间的差的绝对值。
在采用被设置为在处理器上执行的指令实现所述同步方法时，"延 迟"同步比较有利。假设采取"尽快同步"，并存在这样一种情况，其中，
15包含在第一时间戳中的第一计数器值210小于包含在第二时间戳内的第二
计数器值200。在检测到事件170以及接收到第一时间戳之后，网络装置110中的处理器可能必须开始中断服务例程，从而将末尾计数60改为经修改的末尾计数230。所述经修改的末尾计数230的值可以很小，也就是说接近开始计数30，而且在中断发生和中断服务例程的开始执行之间可能存在延迟。如果所述中断服务例程的延迟和执行时间比网络装置110的计数器450用来达到经修改的末尾计数230的时间长，那么不提供重置，所述计数器将持续递增，直到达到计数器450所采用的位数所能定义的最大可能值为止。
在"尽快"和"延迟"同步中，在检测到事件170之后响应于第一时间戳的接收而改变网络装置110的计数器450的末尾计数60。在所述方法的另一实施例中，可以将所述网络装置的计数器设置为从开始计数倒数至小于所述开始计数的末尾计数。可以在检测到事件170之后响应于第一时间戳的接收改变网络装置110的计数器150的开始计数。由于所述计数器是递减的，并且在达到末尾计数时被重置为所述改变后的开始计数，因而可能降低了所述中断服务例程的延迟和执行时间比网络装置的计数器450用来达到末尾计数所需的时间长的可能性。因而，这一实施例可能更适于"尽快"同步。 ；
所述网络装置110和所述另外网络装置120中的每者可以包括提供时钟信号的振荡器，并且可以响应于所述时钟信号使所述网络装置和所述另外网络装置的计数器150、 450递增计数。当网络装置和另外网络装置IIO、120的振荡器提供具有完全相同的频率的时钟信号时，只需一个使所述信号与另外信号同步的动作就足以使每一将来提供的信号180和另外信号190保持同步。但是，由于生产过程中存在的差别(production spread)以及诸如温度的环境条件的差异的原因，所述网络装置110和另外网络装置120的振荡器不太可能提供完全一样的频率。图5示出了网络装置110提供的多个信号180a、 180b、 180c、 180d与另外网络装置120提供的多个另外信号190a、 190b、 190c、 190d之间的时滞。如上文中讨论的，网络装置110的时钟信号的频率与另外网络装置120的时钟信号的频率可能是不同的。这意味着，网络装置110使其计数器450从开始计数30计数到末尾计数60所要采用的时间可能不等于另外网络装置120使其计数器150从其开始计数20计数到其末尾计数50所要采用的时间。在所述网络装置110和所述另外网络装置120的计数器450、 150未以等同的计数速率计数时，在某一段时间之后，所述多个信号180a、 180b、 180c、 180d和所述多个另外信号190a、 190b、 190c、 190d之间就将失去同步。图5示出了在第一时间600上，使信号180a和另外信号190a同步。所述另外网络装置120的计数器150的计数速率高于所述网络装置110的计数器450的计数速率，因此，在第二时间610上，网络装置110提供的信号180b相对于另外网络装置120提供的另外信号190b发生了延迟。在第三时间320上，信号180c和另外信号190c之间的延迟进一步增大。但是，当信号180和另外信号190之间的某一延迟大于所说的丧失同步的预定值时，所述信号与另外信号之间的所述延迟是容许的。为了避免所述信号和另外信号180、 190之间的延迟变得大于所述预先确定的值，应当重复在权利要求8-12中的任何一个中定义的信号与另外信号之间的同步方法。将权利要求8-12的任何一个中定义的方法称为主要校正步骤。因此，在权利要求13中定义的同步方法的另一实施例中，重复所述主要校正步骤，从而使所述网络装置110和所述另外网络装置120提供的信号180和另外信号190保持同步。可以定期或者根据网络100中包含的一个或多个网络装置110、 120测量的诸如温度的环境条件的变化完成所述主要校正步骤的重复。
为了进一步改进所述同步方法，应当降低所述主要校正步骤的重复率，从而进一步降低能耗。
无线传感器网络的应用以及其采用的诸如基于TDMA的MAC协议的很多连网协议都要求在网络装置之间存在公用的时间概念。在所述方法的另一实施例中，网络100的网络装置110和另外网络装置120采用诸如洪泛时间同步协议(FTSP)的时间同步协议相互通信。由"The flooding Timesynchronisation Protocol", M. Maroti等人，proceedings of the secondinternational conference on embedded networked sensor systems, Baltimore,MD， USA， November 2004 了解到的洪泛时间同步协议(FTSP)是一种可以用于无线传感器网络中的时间同步的协议。FTSP依赖于MAC层上的时间同步消息的时间标戳以及对网络装置之间的时钟时滞的估算。FTSP的目标在于实现参与的网络装置的本地时间值的网络范围同步。FTSP利用在发
送器一侧和接收器一侧都打上了时间戳的单个无线消息实现发送器和可能的多个接收器之间的时间同步。所述广播消息含有发送器时间戳，所述发送器时间戳包括所谓的全局时间值。在接收到所述消息时，接收器提供包括其本地时间的接收器对应的时间戳。通过这种方式， 一个广播消息向每一接收器提供了包括发送器和接收器时间戳的同步点。
图4示出了所述同步方法的另一实施例。在所述实施例中，所述网络装置110和另外网络装置120还包括提供另外计数值340、 330的另外计数器310、 300。每当计数器值90、 80达到其对应的末尾计数60、 50时就更新所述的另外计数器值。在所述另外网络装置120向所述网络装置110发送第一时间戳时，所述第一时间戳包括第一计数器值210和对应于所述另外网络装置对事件170的检测的第一另外计数器值360。在检测到事件170的同时，网络装置110存储第二时间戳，所述第二时间戳还包括计数器值200和对应于网络装置110对事件170的检测的所述网络装置的第二另外计数器值370。所述事件170可以是来自另外网络装置120的包括第一时间戳的广播信息。第一时间戳和第二时间戳对为网络装置IIO提供了同步点。
可以响应于振荡器提供的时钟信号使所述网络装置和所述另外网络装置的计数器递增。所述振荡器的例子为晶体振荡器。作为硬件的替代，也可以通过软件实现计数器150、 450。在试验设置中，通过软件管理计数器150、450，并使其按照(l/f)w的步长递增，f是时钟信号的频率，从而每320p生成信号190、 180，其中，将所述信号用作中断。每次发生中断，所述另外计数器300、 310的另外计数器值330、 340也递增，其中，所述另外计数器300、 310也是通过软件管理的。为了找到网络装置110和另外网络装置120的当前本地时间值，将所述另外计数器值340、 330乘以320(is，并将除以了时钟源的频率的当前计数器值90、 80加到其上。
一般而言，通过下述公式将接收网络装置110上的本地时间c与发送另外网络装置120上的本地时间7联系起来
二 a.x + 〃其中
_y是另外网络装置120的本地时间，由另外网络装置120的计数器值80和另外计数器值330提供；
义是网络装置IIO的本地时间，由网络装置110的计数器值90和另外计数器值340提供；
a是网络装置110的本地时间值与另外网络装置120的本地时间值之间的时滞；
卩是网络装置IIO和另外网络装置120之间的初始时间偏移。如上文中讨论的，单个同步点可能不足以使网络装置110的信号180和另外装置120的另外信号190保持同步。如果所述网络装置和所述另外网络装置中的振荡器的短时稳定性好，那么计数器450、 140的计数速率差异将是恒定的，所述网络装置110和所述另外网络装置120的计数值90、80和另外计数值340、 330的差异和偏移将按照线性方式变化。通过使数据集包括针对多个同步点的对应的时间戳对可以获得多个数据点。就这些数据点而言，可以确定上述公式中采用的时滞a和时间偏移(3。在"The floodingtime synchronisation protocol", M. Maroti等人中，采用线'性回归借助包括8个数据点的数据集找到对网络装置110和另外网络装置120的本地时间之间的关系给出了最佳近似的线。采用所述数据集和最小平方线性回归，可以估算出所述本地时间值之间的时滞a，并由此估算所述信号180和另外信号190之间的时滞。知道了所述时滞就可以调整网络装置110的计数器450的计数距离510 了。通过对应的末尾计数60、 50和开始计数30、 20的差的绝对值确定计数器150、 450的计数距离500、 510。为了使网络装置110提供的多个信号190中的每两个信号之间的时间等于或者近似等于另外网络装置110提供的多个另外信号180中的每两个另外信号之间的时间，应当使网络装置110中包括的计数器450的计数距离510等于所述另外网络装置120中包含的计数器150的时滞计数距离500除以所述时滞a。通过改变开始计数30,或者改变末尾计数60，或者改变开始计数30和末尾计数60 二者可以调整计数器450的计数距离510。将响应于对所述网络装置110的本地时间值和所述另外网络装置120的本地时间值之间的时滞的估算而做出的对所述网络装置的计数器450的计数距离510的调整称为时滞补偿
19步骤。
因此，用于所述网络装置110和所述另外网络装置120的信号180和另外信号190的同步的方法的实施例可以包括后面跟随着至少一个时滞步骤的主要校正步骤。
为了实现所速时滞补偿步骤，在所述同步方法的另一实施例中采用的所述网络装置110的同步模块440还包括时滞确定模块500和另外计数器310，参考图2。将所述另外计数器310设置为提供另外计数器值340，每当所述计数器值450达到末尾计数60、 230就更新所述另外计数器值(例如，使其递增)。由所述另外网络装置120接收的第一时间戳420包括第一计数器值210和对应于事件170的检测的第一另外计数器值360。所述网络装置110还被设置为在第二时间戳内包括第二计数器{直200和对应于事件170的检测的第二另外计数器值370。所述时滞确定模块500被设置为确定网络装置IIO提供的多个信号180a、 180b和另外网络装置120提供的多个另外信号190a、 190b之间的时滞。所述时滞确定模块包括存储模块，所述存储模块被设置为响应于事件170的检测而存储包括第一时间戳和第二时间戳的数据集。所述时滞确定模块还包括处理模块，其被设置为对所述数据集进行处理，并提供所述时滞。所述同步模块440还被设置为根据所提供的时滞调整计数器450的开始计数计数30和末尾计数60之一或二者的值。
这一实施例的优点在于可以扩大主要补偿步骤之间的时间。尽管可以生产出具有"等同"部件的网络装置，但是由于生产过程中存在的差别，所述部件之间仍将存在小的差异。因而网络装置的计数器将以不同的计数速率工作，即使当其振荡器应该提供具有相同的频率的时钟信号时。在主
要补偿步骤之后，可能失去同步，从而需要另一主要补偿步骤。在这一实施例中，所述网络装置110能够确定其多个信号180和另外网络装置120的多个另外信号190之间的时滞。借助所述时滞，可以调整开始计数30或末尾计数60或二者，由此将所述多个信号180的频率调整至另外网络装置120的多个另外信号190的频率。确定时滞的模块包括对数据集的处理，所述数据集包括多个时间戳对。 一对时间戳包括接收自另外网络装置120的第一时间戳和从网络装置110取得的第二时间戳。借助所述处理，确定网络装置110的本地时间值和另外网络装置120的本地时间值之间的关系。 由于另外网络装置120现在作为主装置作用，因而另外网络装置120的本 地时间值又被称为全局时间值，这是由于主装置迫使接收网络装置110将 其本地时间值调整至主装置的本地时间值。在现有技术中，如上文讨论的， 采用最小平方线性回归执行所述处理。 一旦确定了本地时间值和主时间值 之间的关系，就计算时滞和偏移，尔后可以调整所述本地时间值。
在M. Maroti等人的"The flooding time synchronisation protocol"中， 对包括对应于8个同步点的8对时间戳的数据集执行最小平方线性回归， 每一同步点提供一对时间戳，包括第一时间戳和第二时间戳。为了对所述 时间戳对执行线性回归，优选使所述时间戳对具有适当的时间间隔，因为 这样将提高时滞估算的准确度。因此，设置时间取决于数据集中包括的时 间戳的对数，所述设置时间为网络100中包括的网络装置的本地时间值第 一次变得同步所需的时间。就诸如线性回归的统计方法的应用而言，通常 认可较大的数据集将降低所获得的ct和P值存在的差别，因而将提供更为 准确的a和P值。但是，在本发明中，采用了包括两对时间戳的数据集。 对于时滞而言，与较大的数据集可以提供更为准确的值的这种预期相反， 实验表明，包括两对时间戳的小数据集提供了可比的同步性能。减少用于 估算时滞所需的时间戳对数的第一个优点在于縮短了设置时间。第二个优 点在于采用减少的时间戳对数降低了计算工作量，从而进一步节约了功耗。 第三个优点是较小的数据集涉及较小的存储空间，即存储器。
在所述方法的另一实施例中，不采用线性回归而是采用卡尔曼滤波器 执行时滞估算，卡尔曼滤波器是一种递归法，其能够基于一系列噪声测量 估算进程的状态。所述递归法包括一组数学方程，其提供了一种按照使均 方误差最小化的方式估算进程的状态的有效计算手段。自1960年以来卡尔 曼滤波器就为人们所知。由于数字计算的进步，它已经成为了应用主体 (subject),尤其是在自主或辅助导航领域。 一个应用的例子是在仅给定有 关对象的位置的观测值序列，而且每一观测值均包括一定误差的情况下提 供有关对象的位置和速度的准确的连续更新信息。
卡尔曼滤波器遵循预测器—校正器机制。所述滤波器估算进程的状态， 其中，所述状态是先验估算，之后接收关于所述状态的具有噪声测量的形
21式的信息。之后，所述滤波器更新其状态估算，由此执行校正，进而提供 后验估算。
在所述应用中，采用卡尔曼滤波器估算包括偏移P和时滞(X参数的估 算值的矢量T1的状态。这些参数通过下述公式将接收网络装置no上的本地 时间值X与发送方的另外网络装置120的本地时间值少联系起来
采用卡尔曼滤波器方程可以获得偏移和时滞参数的估算值。可以在 http:〃www-linux.gsi.de/~ikisd/reco/CLEO/BilloirFitterForCLEO—cbx—96-20.p
<formula>formula see original document page 22</formula>
http:〃www-linux.gsi.de/~ikisel/reco/Methods/Kalman—Filter—Kutschke.pdf 上 的文献"Example of a Kalman filter on a straight line", R. Kutschke， March 1998中找到卡尔曼滤波器方程的推导。
在所述滤波器方程中，iu是时滞a和偏移p参数的估算值，4表示网 络装置中的本地时间值的第一值，cr表示有关dm的误差。此外，d(rik)表示 由矢量1U预测的所述网络装置中的本地时间值的第二值，D表示所述第一 值相对于所述时滞和偏移的导数
3 77,.
此外，V描述了所述时滞和偏移参数的协方差矩阵。于是，通过下式
给出了所述卡尔曼方程
<formula>formula see original document page 22</formula>
要想获得有关卡尔曼滤波器的详细解释，请进一步参考在
http:〃www.cs.unc.edu/ welch/media/pdf/kalman intro.pdf 上公开的 "Anintroduction to the Kalman filter", Gerg Welch禾口 GaryBishop， University of North Carolina, Department of Computer Science, USA 1995。
实验表明，对于单跳网络而言，假设已经选择了时间主装置，那么设 置时间为2T，而在M. Maroti等人的"洪泛时间同步协议"中，所述设置 时间为8T，其中，T是两个同步点之间的时间。因而，将卡尔曼滤波器应 用于时滞估算的第一个优点在于，縮短了网络装置110变得与另外网络装 置120同步所需的时间。将卡尔曼滤波器应用于时滞估算的第二个优点在 于，即使采用线性回归，所述数据集只包括两对时间戳，采用卡尔曼滤波 器获得时滞估算的计算工作量仍然低于采用线性回归所需的计算工作量。 因而，借助卡尔曼滤波器的应用，可以进一步降低网络装置110的能耗。 此外，应用卡尔曼滤波器的第三个优点在于，比采用线性回归需要更小的 存储空间，即存储器。应用卡尔曼滤波器的第四个优点在于其适应于同步 点之间的时间T的显著增长的能力。
在根据权利要求5的网络装置110的另一实施例中，处理模块包括卡 尔曼滤波器。如上文中解释的，与线性回归相比，卡尔曼滤波器具有计算 工作量更小的优点。因而，根据这一实施例的网络装置110可以消耗更低 的能量，这一点对于无线应用尤其有利。而且，在采用卡尔曼滤波器时， 对数据集进行处理以获得时滞估算值所涉及的存储空间更小。
在所述网络装置110和所述另外网络装置120的信号180和另外信号 190的同步方法的另一实施例中，重复后面跟随着至少一个时滞补偿步骤的 主要校正步骤的序列。
跟随时滞补偿步骤的主要校正步骤将使得将网络装置110的计数器值 90调整至另外网络装置120的计数器值80，从而实现所述信号180和另外 信号190的同步。但是，所述网络装置110的经调整的计数器值将妨碍在 跟随所述主要校正步骤的另一时滞补偿步骤中对所述信号和另外信号之间 的时滞的估算。而且，所述时滞补偿步骤导致了对计数器值90的调整，因 为在时滞补偿步骤中可能响应于所确定的时滞对开始计数30或末尾计数60 或者开始计数和末尾计数二者进行调整。因此，在所述方法的另一实施例 中，网络装置110还可以包括用于记录由于主要校正步骤而对其计数器值 90和另外计数器340的值做出的调整的模块，以及用于记录由于时滞补偿步骤而对其开始计数30和/或末尾计数60做出的调整的模块。对于跟随所
述主要校正步骤或者跟随另一时滞补偿步骤的时滞补偿步骤而言，将包含 在第二时间戳内的计数器值和另外计数器值重新调整为其对应的"自由运 行"值，就像未发生过前面的主要校正步骤或时滞补偿步骤一样。之后， 采用包括多个"自由运行"计数器值和另外计数器值的另外数据集可以确
定多个信号180和多个另外信号190之间的时滞。
在根据权利要求15的方法的另一实施例中，每当响应于事件的检测而 将网络装置的末尾计数从末尾计数60改为数字230时，就将所述末尾计数 60和所述数字230之间的差存储到另外数据集内。所述差反映了由所述主 要校正步骤引起的网络装置110的计数器值的变化。对于跟随主要校正步 骤的时滞补偿步骤而言，可以通过将所述差加到所述计数器值90上而重新 调整将要存储到所述数据集内的网络装置110的计数器值90。因而，所述 时滞确定模块可以进一步根据所述差确定时滞。将由于所述时滞补偿步骤 而对开始计数30或末尾计数60或二者做出的调整存储到另外数据集内。 所述时滞确定模块可以进一步根据对所述另外数据集的处理而确定时滞。
在根据权利要求8-17中的任何一个的方法的另一实施例中，网络100 中的网络装置110还包括用于进行无线通信以交换数据的模块。所述数据 可以包括接收自另外网络装置120的第一时间戳，或者所述数据可以包括 发送至其他网络装置130的第三时间戳。
网络100可以至少包括网络装置110和另外网络装置120。这样的网络 100的例子可以是人体传感器网络，其中，每一网络装置对应于无线节点。
2权利要求
1、一种供在网络(100)中使用的网络装置(110)，所述网络至少包括所述网络装置和另外网络装置(120)，所述网络装置和所述另外网络装置包括被设置为检测事件(170)的模块(400)、用于接收所述另外网络装置的第一时间戳(420)的模块(410)和用于取得第二时间戳的模块，所述网络装置的特征在于-被设置为提供信号(180)，-包括同步模块(440)，所述同步模块被设置为使所述信号(180)与由所述另外网络装置(12)提供的另外信号(190)同步，-所述同步模块(440)包括计数器(450)，所述计数器被设置为-从开始计数到末尾计数循环计数，并且-根据所述计数器达到所述末尾计数而提供所述信号(180)，并且-响应于所述事件的检测而将所述末尾计数的值调整至经修改的末尾计数，所述经修改的末尾计数依赖于所述第一时间戳和所述第二时间戳，-在根据所述计数器达到所述经修改的末尾值而提供所述信号之后，将所述末尾计数的值调整至其被调整为所述经修改的末尾计数之前的值。
2、 根据权利要求1所述的网络装置(110)，其中，还将所述计数器(450) 设置为提供计数器值(90)，并且所述经修改的末尾计数(230)依赖于所 接收到的包含在所述第一时间戳(420)内第一计数器值与包含在所述第二 时间戳内的第二计数器值的差，所述第一计数器值对应于由所述另外网络 装置(120)对所述事件(170)的检测，所述第二计数器值对应于由所述 网络装置(110)对所述事件的检测。
3、 根据权利要求2所述的网络装置(110)，所述网络装置供在还包括 其他网络装置(130)的所述网络(100)中使用，所述网络装置(110)还 包括-被设置为创建其他事件(240)的模块(460); -被设置为检测所述其他事件的模块(430);-用于响应于所述其他事件的检测而向所述其他网络装置(130)发送 第三时间戳(250)的模块(470)，所述第三时间戳包括对应于所述其他事 件的检测的第三计数器值。
4、 根据权利要求2或3所述的网络装置(110)，所述同步模块(440) 还包括用于提供另外计数器值(340)的另外计数器(310)，所述另外计数 器值被设置为每次当所述计数器值(90)达到所述末尾计数(60， 230)就 被更新，所述第一时间戳(420)还包括对应于由所述另外网络装置(120) 对所述事件(170)的检测的第一另外计数器值(360),所述网络装置还被 设置为在所述第二时间戳内包括对应于所述事件的检测的第二另外计数器 值(370)，所述网络装置还包括被设置为确定多个信号(180a， 180b)和 另外网络装置(120)的多个另外信号(190a， 190b)之间的时滞的时滞确 定模块(500)，所述时滞确定模块包括被设置为响应于所述事件(170)的 检测而存储包括所述第一时间戳和所述第二时间戳的数据集的存储模块， 所述时滞确定模块还包括被设置为对所述数据集进行处理并提供所述时滞 的处理模块，所述同步模块(440)还被设置为根据所提供的时滞而调整所 述计数器(450)的所述开始计数(30)和所述末尾计数(60)之一或二者 的值。
5、 根据权利要求3所述的网络装置(110)，其中，所述处理模块(440) 包括卡尔曼滤波器。
6、 一种至少包括根据权利要求1-5中的任何一项所述的网络装置(110) 和另外网络装置(120)的网络(100)。
7、 一种用于使由网络装置(110)提供的信号(180a， 180b......)和由另外网络装置(120)提供的另外信号(190a， 190b......)同步的方法，其包括如下步骤-所述另外网络装置响应于事件(170)的检测而取得第一时间戳(420);-所述网络装置(110)响应于所述事件(170)的检测而取得第二时 间戳；-所述网络装置从所述另外网络装置接收所述第一时间戳； 所述方法的特征在于下述步骤-所述网络装置(110)根据循环计数的计数器(450)的计数器值(卯) 达到末尾计数(60)而提供所述信号(180a， 180b......)，所述计数器(450)从开始计数(30)到所述末尾计数进行计数，-响应于所述事件(170)的检测而将所述末尾计数(60)的值调整至 经修改的末尾计数(230)，所述经修改的末尾计数依赖于所述第一时间戳 和所述第二时间戳，-在根据所述计数器值(90)达到所述经修改的末尾计数而提供所述 信号(180d)之后，将所述经修改的末尾计数(230)调整至所述末尾值(60)。
8、 根据权利要求7所述的同步方法，其中，所述经修改的末尾值(230) 依赖于所接收到的包含在所述第一时间戳(420)内第一计数器值(200) 与包含在第二时间戳内的第二计数器值(210)的差，所述第一计数器值对 应于由所述另外网络装置(120)对所述事件(170)的检测，所述第二计 数器值对应于由所述网络装置(110)对所述事件的检测。
9、 根据权利要求8所述的方法，其中，网络(100)至少包括所述网 络装置(110)、所述另外网络装置(120)和其他网络装置(130)，所述事 件(170)由包括所述网络装置(110)、所述另外网络装置(120)和所述 其他网络装置(130)的组中的一个网络装置创建。
10、 根据权利要求8所述的方法，其中，-在所述第二时间戳中包含的所述第二计数器值(210)大于所述第一 时间戳中包含的所述第一计数器值(200)的情况下，所述经修改的末尾计 数(230)等于所述网络装置(110)的所述开始计数(30)与所述第二计数器值(210)和所述第一计数器值(200)之间的差的和；-在所述第二时间戳中包含的所述第二计数器值(210)小于所述第一 时间戳中包含的所述第一计数器值(200)的情况下，所述经修改的末尾计 数(230)等于所述网络装置(110)的所述末尾计数(60)与所述第一 计数器值(200)和所述第二计数器值(210)之间的差之间的差。
11、 根据权利要求8所述的方法，其中，所述经修改的末尾计数(230) 等于所述网络装置(110)的所述末尾值(60)与包含在所述第二时间戳内 的所述第二计数器值(210)和包含在所述第一时间戳内的所述第一计数器 值(200)之间的差的绝对值的和。
12、 根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述网络装置(110) 和所述另外网络装置(120)还包括-提供另外计数值(340， 330)的另外计数器(310， 300)，每次当所 述计数器值(90， 80)达到所述末尾计数(60， 230, 50)时，所述另外计 数器值就被更新，-时滞确定模块，-所述第一时间戳还包括对应于由所述另外网络装置对所述事件 (170)的检测的第一另外计数器值(360);-所述第二时间戳还包括对应于由所述网络装置对所述事件的检测的 第二另外计数器值(370);所述方法还包括下述步骤-所述网络装置(110)的所述时滞确定模块存储包括所述第一时间戳 和所述第二时间戳的数据集，-所述时滞确定模块根据对所述数据集的处理确定所述网络装置 (110)的多个信号(180a， 180b......)和所述另外网络装置(120)的多个另外信号(190a， 190b......)之间的时滞，以及-根据所述时滞调整所述网络装置(110)的所述末尾值(60)和所述 开始值(30)之一或二者。
13、 根据权利要求12所述的方法，其中，响应于所述事件(170)的 检测改变所述网络装置(110)的所述计数器(450)的所述末尾计数(60)， 并将所述改变存储到另外数据集内，并且其中，还将对所述末尾计数(60) 和开始计数(30)之一或二者的调整存储到所述另外数据集内，所述时滞 确定模块还根据对所述数据集和所述另外数据集的处理确定所述时滞。
14、 根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，将卡尔曼滤 波器用于对所述数据集进行处理。
15、 根据权利要求12-14中的任何一项所述的方法，其中，通过所述末 尾计数(60)和所述开始计数(30)的差的绝对值来确定计数距离(510)， 其中，所述网络装置(110)的计数距离取决于所述另外网络装置(120) 的计数距离(500)除以所述时滞。
全文摘要
一种包括至少网络装置(110)和另外网络装置(120)的网络(100)。所述网络装置(110)包括被设置为检测事件(170)的模块(400)、用于接收所述另外网络装置的第一时间戳(420)的模块(410)和用于取得第二时间戳的模块。所述网络装置被设置为根据计数器(450)达到末尾计数而提供信号(180)。所述网络装置包括同步模块(440)，其被设置为通过将所述末尾计数(60)的值调整至经修改的末尾计数(230)而使所述信号(180)与所述另外网络装置(120)提供的另外信号(190)同步，所述经修改的末尾计数依赖于所述第一时间戳和第二时间戳。在提供了所述经同步的信号(180c，180d)之后，将所述末尾计数的值从所述经修改的末尾计数重新调整至其调整前的值。
文档编号H04J3/06GK101682443SQ200880019935
公开日2010年3月24日 申请日期2008年6月9日 优先权日2007年6月14日
发明者J·卡塔拉诺, M·奥恩, N·兰贝特, P·D·V·范德施特克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司