专利名称：一种适用于无线传感器网络的时间同步方法
技术领域：
本发明属于无线网络通信技术领域，尤其涉及无线传感器网络中的一种时间同步 方法。
背景技术：
无线传感器网络因其巨大的应用前景而受到了学术界和工业界越来越广泛的重 视，无线传感器网络能够协作的实时检测和采集网络布设区域内的各种监测对象的信息， 并对这种信息进行协同、融合处理，它在军事、环境监测、医疗卫生、工业自动化、公共安全 等方面具有广泛的应用前景。时间同步是无线传感器网络的重要组成部分，在许多应用中 需要网络中的节点相互协作共同完成工作，因此使各个节点工作在统一的时间标尺下至关 重要，一个好的时间同步机制可以保证传感器节点正常完成任务，并且可以减小网络的通 信开销以及功耗，延长传感器节点的使用寿命。近年来已经提出了一些适用于传感器网络的时间同步协议，如RBS (Reference Broadcast Synchronization)，其工作原理是一个节点发送广播消息，广播域内的两个 节点分别在本地记录消息到达的时间，然后交换记录时间来确定它们之间的时间偏移量， 实现同步。这种方法虽然消除了发送端传播延迟引入的同步误差，但网络中报文交换的 数量大，只适用于小规模的网络，扩展性差；TPSN (Timing-sync Protocol for Sensor Networks)主要针对全局时间同步，每进行一次全局同步有较大的能量消耗，而且如果根节 点失效，将会重新选择根节点并重新运行TPSN算法，收敛速度慢。由此可见一种时间同步机制在提高时间同步精度的同时，必然会增加时间同步报 文的交换数量或增大网络的能耗，因此单一的同步机制在能量消耗、同步精度和应用范围 等方面都存在着不足之处，随着无线传感器网络的应用范围愈来愈广泛，无线传感器网络 的节点通常具有不同的同步需求，因此使用单一的同步机制将不可避免的造成资源浪费。 因此本发明针对这类应用广泛的网络，提出了一种适用于无线传感器网络的时间同步方 法。旨在使用一种多层次的同步方法满足不同传感器节点的同步需要，增强网络的时间同 步稳定性，降低网络的通信开销以及节点的能耗。
发明内容
本发明为无线传感器网络提供一种时间同步方法，该方法针对无线传感器网络中 无线通信质量易受干扰，节点设备失效的问题，提出了多冗余时间源机制，保证了当时间源 节点失效时网络仍能够正常通信；同时提出一种多层次时间同步机制，该同步机制可以在 一个无线传感器网络中为节点设备提供不同精度的时间同步服务，以满足不同传感器节点 应用的需要，并且基于该时间同步机制提出一种“过度监听”的方法，该方法可以在保持时 间同步精度的前提下减少时间同步的通信开销和能量消耗。网关根据设备的同步能力和该设备邻居路由器节点的信息为每个路由设备配置 备选时间源；每个路由设备负责维护一个自己的时间源邻居表，时间源设备生成信标帧，并周期性广播发送信标帧，非时间源设备在信标帧的收发过程中获得时间戳，根据时间戳估 算得到本设备时钟与标准时钟的频率偏差和时间偏差，补偿本地时钟，实现与时间源的同 步；逐级进行时间同步，实现全网的时间同步。考虑到设备的应用环境和对时间同步精度的 要求不同，逐级时间同步可采用广播同步、匹配同步和监听同步相结合的多级多层次同步 机制。非时间源设备可以根据不同的需要向时间源申请时间同步命令帧同步，时间同步命 令帧同步是在信标帧同步后的再一次同步，没有申请同步命令帧的设备(普通节点)基于时 间同步命令帧的监听方法可以监听接收命令帧并完成同步，这样便减小了网络的整体通信 开销和能量开销，在满足无线传感器网络性能要求的前提下确保了整个网络运行在统一的 时间标尺下，保障网络正常的运行。具体包括以下内容
1.设计冗余时间源，提高网络的时间同步稳定性。网关根据设备入网时设备声明的同步能力和该设备邻居路由器节点的信息为每 个路由设备配置备选时间源，当路由设备失去与首选时钟源的联系，如果在最大同步周期 内没有收到首选时钟源的时钟更新，就主动选择备选时钟源进行通信，从时间源邻居表中 选择备选时间源并完成通信，直到再次收到首选时钟源的时钟更新信息为止。2.基于信标帧广播同步。将时间信息通过信标帧载荷内容装入信标帧中，网络中 父设备周期性发送附带时间信息的信标帧，子设备在接收信标帧过程中，记录接收到信标 帧时的本地时间戳，通过对比这两个时间，得到本地时钟与标准时钟的时钟偏差，用时钟偏 差补偿本地时钟，实现子设备与其父设备的时间同步，逐层逐级同步，由此实现全网设备同 步。具体为，父设备(时间源)广播带有时间信息的信标帧，子设备在规定的时间段内收集每
次信标帧同步过程中时间源发送信标帧的时刻J^，以及子设备接收到信标帧的时刻f:，计
算本地时钟相对于时间源的时钟频率偏差率/7 .子设备根据偏差率动态更改本地时钟，逐
级完成网络各级子设备与父设备的同步，由此实现网络中设备的同步。本发明在信标帧同步的基础上还可采用时间同步命令帧进一步完成设备与时间 源的同步，当设备需要进行高精度的时间同步时，向时间源发起时间同步命令帧的请求帧， 设备同时监听时间源是否回复时间同步命令帧，时间源接收到设备发送的时间同步请求帧 时记录下接收时的本地时间，然后时间源向设备回复时间同步命令帧，设备接收时间同步 命令帧后，解析其中的两个时间戳，并且记录下本地时间，再调整自己的本地时钟，根据时 间同步命令帧完成同步。除此之外，根据不同的时间同步机制还引用了相应的算法来动态的估计子设备与 父设备之间的时钟偏差和频率偏差，以遏止在两次同步之间时间误差的自由增长，提高无 线传感器网络的时间同步精度。采用本发明的时间同步方法可以提高无线传感器网络中的时间同步可靠性，并且 由于采用了多级同步的同步机制使网络中的传感器节点可以根据自身的应用情况按需同 步，降低了网络的整体通信开销和能量消耗。
图1 :WIA_PA网络结构拓扑图 图2 时间同步命令帧同步流程图
图3 时间同步命令帧同步及监听示意图 图4:时间同步命令帧结构。
具体实施例方式为了提高整个网络的时间同步稳定性，本发明采用多时间源冗余技术，保证每个 传感器节点都可以连接到两个或两个以上的时间源节点。无线传感器网络中各个节点由于所完成的任务不同，对时间精度的要求也各不相 同，因此采用单一的同步机制必然不能满足网络的应用要求，带来不必要的能量消耗和通 信开销，因此本发明为了避免上述问题的发生，使节点设备能够周期性地或者按需与时间 源设备进行通信，且又能满足网络各个节点对时间同步精度的差异化需求，同时又根据工 业现场环境中传感器设备应用环境的不同，采取了基于信标帧广播同步、时间同步命令帧 匹配同步与过度监听相结合的新型多层次时间同步机制。信标帧广播同步
信标帧同步是时间源周期性的发送含有时间信息的信标帧完成网络的同步，这种同步 方式可以保证系统的基本运行，但是由于广播同步是单次同步，同步精度不高； 时间同步命令帧匹配同步
对于一些对时间同步精度要求较高的节点，我们采用时间同步命令帧匹配同步的方 式，即设备通过向时间源申请(除信标帧之外)时间同步命令帧的方式进行多次同步，并通 过精度更高的时间同步算法，对这些节点进行同步，同步方法在具体实施中介绍； 过度监听同步
对于一些时间同步精度处于中等需求层次上的节点，则采用过度监听的同步方法，这 种同步方式不需要设计专门的时间同步命令帧，只需利用无线信道的广播特性通过特殊的 监听方法监听同步精度需求较高的节点间的同步便可以完成自身的同步，同步方法在具体 实施中介绍。以下结合WIA-PA国际工业无线协议栈为具体实施例，并参照附图，对本发明作进 一步详细说明。、冗余时间源的选取和维护
通过设计合理的发现和维护机制设置冗余时间源，为设备配置冗余时钟源，设备本身 维护一个可用的冗余时间源列表，冗余时间源列表记录了冗余时间源的信息，保证设备可 以同时连接两个或者两个以上的时间源设备，设备在工作时只与首选时间源进行通信，当 通信受到干扰时，设备便切换与冗余时间源通信，保证系统的正常工作。1. 1网络层次划分
如图1所示在WIA-PA网络中，网络结构分为两层第一层由网关和路由设备构成的网 状结构；第二层由路由设备和现场设备或手持设备构成的星型结构。在网络中网关充当系 统最高级别的时间源，是网络中时钟精度最高的设备，负责网状网中路由设备的时间同步； 而在第二层星型网中路由设备则是每个星型网的时间源，负责为其所在星型网现场设备的时间同步，WIA-PA网络系统中网关是最高级别时间源。1.2冗余时间源的设计
每个路由设备配置备选的时间源，也就是冗余时间源。在每个路由设备入网时，都会 向网关声明自己的同步能力，比如晶振的ppm，该参数表明了设备保持同步的能力。网关是 系统的最高级时间源，负责发布和维护系统的时间，同时也是网络的管理者，网关根据设备 入网时设备声明的同步能力和该设备邻居路由器节点的信息为每个路由器配置备选时间源； 每个路由设备都负责维护一个自己的时间源邻居表，该时间源邻居表中记录了其首选时间源 的信息，同时也包含了邻居路由器节点的时间源信息，该时间源信息包括邻居路由设备发送 信标帧的时刻，是否有能力成为它的备选时间源等等。当路由器失去与首选时钟源的联系时， 从时间源邻居表中选择备选时间源并完成通信，直到再次收到首选时钟源的信息为止。1. 3冗余时间源的选取条件判别
首先，冗余时间源为同步能力高的设备，只有同步能力较高才能保证能够提供与网关 (或者首选时间源)相似的时间信息；其次，由网关指定设备的备选时间源，因为设备在入网 时会将自己的同步能力、在网络中所担任的角色、邻居设备等信息通知网关，网关根据这些 信息判断并设定一个设备成为另一个设备的备选时间源；每个设备维护一个邻居时间源信 息表，此表中记录有它的备选时间源的信息，当设备不能收到首选时间源的时间更新时，根 据此表中的信息获取备选时间源的时间更新。1. 4设备启用与冗余时间源通信的条件判别
根据下面的依据来判断设备何时才应与冗余时间源进行通信并获取时间信息，设备如 果在最大同步周期内没有收到首选时钟源的时钟更新，就主动选择备选时钟源进行通信。 最大同步周期是设备在未收到时钟更新信息的状态下仍能够正常工作的最长时间，如果超 过这个时间设备仍未能收到时钟更新，那么设备则可能因为与时间源的时间偏差过大而导 致无法正常通信。设备的最大同步周期可以根据标准中的参数确定，标准中规定在最长的 超帧周期内路由设备之间的同步误差不应该超过基本时隙的10%，所以我们可以确定最大 的同步周期为T=t / ppm，其中t为一个基本时隙的10%，WIA-PA标准规定一个时隙长度是 31. 25ms,因此t为3. 125ms, ppm是设备的晶振频率漂移误差。1.5与备选时间源同步
A、设备从自己维护的时钟源邻居表中找出可用的备选时间源，
B、设备与备选时间源同步，可采用下面两种方式之一进行同步，
Bi、记录备选时间源发送信标帧的时刻，设备采取监听的方式接收冗余时间源的信标 帧并更新自己的本地时钟。B2、采用申请同步的方式，设备向备选时钟源发送时间同步请求，备选时钟源向设 备返回含有时间戳的同步命令帧。步骤Bl中监听冗余时间源信标帧的方式利用了无线信道的特性，冗余时间源发 送信标帧给自己的子设备时，这个信标帧同时也被其他所在这个无线信道上的邻居节点接 收到，因此利用此特性设备不需要冗余时间源发送额外的时间更新消息来完成同步，降低 了同步能耗的同时又达到了同步的目的。、基于信标帧的时间同步
本发明通过修改信标帧载荷内容将时间信息装入信标帧中，子设备通过接收信标帧完成同步。为了让设备能够在统一的时间标尺下正常工作，网络中的时间信息发布者和接 收者对时间的表示形式应该有一个统一的认知和标准，所以时间源(时间信息发布者)发出 的时间信息应有一个固定表达形式，其结构为这个时间信息由4个字节构成，它是定时器 当前计数值，每计数一次代表晶振每次震荡消耗的时间，如记为30. 52 μ s，30. 52 μ s是采 用频率为32768ΗΖ的晶振每次震荡消耗的时间。在WIA-PA工业现场网络中采用星型和网状结合的两层网络拓扑结构，如图1所示 为网络的物理结构。第一层是网状结构，由网关及路由设备构成；第二层是星型结构，由路 由设备及现场设备或手持设备构成。所以根据设备在网络中所处的位置，设置网络中各层 设备的级别，第一层为上级，第二层为下级，上一级设备作为下一级设备的父设备，下一级 设备作为上一级设备的子设备，将网络第一层中父设备的时钟设置为标准时钟，父设备作 为时间源周期性发送附带时间信息的信标帧；子设备在接收信标帧过程中，记录接收到信 标帧时的本地时间戳，通过对比这两个时间，得到本设备时钟与标准时钟的时钟偏差，用时 钟偏差补偿本地时钟，实现子设备与其父设备的时间同步；网络中其他子设备循环执行上 述过程，实现与其父设备的时钟同步，直至网络中所有的下一级设备都完成与其上一级设 备的时钟同步，实现全网的时间同步。、基于时间同步命令帧的同步
在WIA-PA网络中，采用时间同步命令帧完成时间同步，时间源接收到设备发送的时间 同步请求后向设备发送时间同步命令帧，设备根据时间同步命令帧完成同步。出于节能的 考虑，时间源不像信标帧那样周期性的广播，而是在接收到设备发出的时间同步请求时才 会发出时间同步命令帧。设备可以在两种情况下发出时间同步请求一种情况是设备在最 大同步周期内没有收到时间源的信标帧，这时设备向冗余时间源发送时间同步请求，然后 等待冗余时间源的时间同步命令帧；另一种情况是，由于设备自身应用的需求，需要更高的 同步精度，那么设备向时间源请求时间同步命令帧。3. 1在第一种情况下时间同步命令帧中的时间信息和同步机制与信标帧一样，用 来完成时间信息的更新。WIA-PA标准的时间同步命令帧的帧结构如图4(实线)所示，其中 的命令帧载荷即为时间信息，该时间信息由4个字节组成，也是定时器当前计数值，而且单 位增量也与信标帧中的时间信息相同，保证了与信标帧中的时间信息一样方便设备更新自 己的本地时钟。3. 2在第二种情况下时间同步命令帧和已有的信标帧一起完成多次同步，以满足 设备的应用需要。此时的时间同步命令帧与第一种有所区别在设备发送时间同步请求时， 在其载荷中加入发送时的本地时间。时间源回复的时间同步命令帧包含的时间信息要较第 一种情况增加4个字节，如图4 (虚线)所示，也就是说，时间源在回复时间同步命令帧时将 装载两个时间，分别是时间源接收到设备的同步请求帧的时刻以及时间源发送(回复)时间 同步命令帧的时刻。、网络设备的同步方法及同步机制 4.1.信标帧广播同步
本发明采用FTSP同步机制来实现网络中设备同步，时间源广播带有时间信息的信标 帧，设备通过接收信标帧完成与时间源的同步，每次接收到信标帧时设备会对比两个时间 戳(接收到信标帧时的本地时间和解析信标帧得到的时间信息)得到一个时间偏差At，然后根据At相应的增大或者减小本地时钟，使其与时间源同步。然而这样的更改并不能动 态的估计设备的本地时钟与时间源之间的时钟速率偏差，为了使设备能够动态的估计此偏 差，并利用估计的时钟速率偏差对本地时钟进行补偿，遏制在两次同步操作之间时间段内 时钟误差的自由增长，可以在规定的时间段内收集每次信标帧同步过程中时间源发送信标 帧的时刻，以及设备接收到信标帧的时刻，根据相邻两次发送和接收信标帧时间差，假设这 段时间内发送信标帧次数为M，调用以下公式计算本地时钟相对于时间源的时钟频率偏差
率p, P的计算公式如下
式中，ζ为时间源发送信标帧的时刻，z为时间源下次发送信标帧的时刻. ;为设
备接收到信标帧的时刻，为设备下一次收到信标帧的时刻，J/为时间段内共发送次信 标帧的次数。它反映了本地时钟相对于时间源的快慢程度，设备可以根据此偏差率动态的更改 本地时钟。该算法计算复杂度低，适合应用于传感器网络节点。时间同步命令帧的匹配同步和监听同步
本发明还可采用时间同步命令帧完成设备与时间源的同步，非时间源设备可以根据 不同的需要向时间源申请时间同步命令帧同步，时间同步命令帧同步是在信标帧同步前提 下的再一次同步，对于没有申请同步命令帧的设备同样可以监听接收得到命令帧并完成同 步。时间同步命令帧可采用两种方式一种是为满足同步需求的普通的时间同步命令帧，它 包含的时间信息与信标帧的一样，用来保持设备与时间源的同步；另外一种是为满足设备 高时间精度需求而设计的时间同步命令帧，用来满足某些设备的应用需求。对于第一种情况我们采取与信标帧同步一样的同步机制即可满足需要，设备在发 送同步请求时，在请求帧中不需要包含时间信息。对于第二种情况我们采取如下同步机制， 其流程可以用图2表示。当设备需要进行高精度的时间同步时，向时间源发起时间同步命 令帧的请求帧，该请求帧中需包含本地时钟的时间信息，设备同时监听时间源是否回复时 间同步命令帧，时间源接收到请求帧时记录下接收时的本地时间，然后时间源向设备回复 时间同步命令巾贞，其中包含时间源接收到设备的请求帧时的时间以及发送(回复)时间同步 命令帧的本地时间。设备接收时间同步命令帧后，解析其中的两个时间戳，并且记录下本地 时间，再调整自己的本地时钟。图3是命令帧同步示意图，节点R为申请命令帧节点，节点S为时间源节点，节点C 为普通节点。其中Ti为申请节点R发出请求的时刻，被装入请求帧，而·rS是时间
权利要求
1.一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，该方法包括网关根据设备的 同步能力和该设备邻居路由器节点的信息为每个路由设备配置时间源；每个路由设备负责 维护一个时间源邻居表，时间源设备生成信标帧，并周期性向全网广播信标帧，非时间源设 备接收信标帧获得时间戳，根据时间戳采用信标帧同步方法使全网设备逐级实现设备与时 间源的同步，完成全网设备的时间同步。
2.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，如果在最大同步周期内非时间 源设备没有收到首选时钟源的时钟更新，则从时间源邻居表中选择备选时间源完成通信。
3.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，所述信标帧同步具体 为，通过修改信标帧载荷内容将时间戳信息装入信标帧中，网络中父设备周期性 发送信标帧，子设备在规定的时间段内收集每次父设备发送信标帧的时刻，以及 设备接收到信标帧的时刻，计算本地时钟相对于父设备时间源的时钟频率偏差率P ,设备根据偏差率动态更改本地时钟，实现子设备与其父设备的时间同步。
4.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，设备在最大同步周期内没有收 到首选时间源的信标帧，向备选时间源发送时间同步命令请求帧，等待备选时间源的时间 同步命令帧；当设备需要进行高精度时间同步时，向首选时间源发起时间同步命令请求帧， 首选时间源记录接收时间同步命令请求帧时的本地时间，并向设备回复时间同步命令帧； 设备根据时间同步命令帧确定时钟偏差完成与时间源的同步。
5.根据权利要求3所述的时间同步方法，其特征在于，根据公式计算本地时钟与时间源的时钟频率偏差率,式中，I；为时间源发送信标帧的时刻，I；—:为时间源下次发送信标帧的时刻，为设备接收到信标帧的时刻， κ为设备下一次接收到信标帧的时刻，M为时间段内发送信标帧次数。
6.根据权利要求4所述的时间同步方法，其特征在于，当设备需要进行高精度时间同 步时，设备根据以下公式计算时钟偏差V并调整自己的本地时钟与时间源同步其中，为设备发出时间同步命令请求的时刻，是时间源节点接收到时间同步命令请求帧的时刻，J7f;,是时间源发出时间同步命令帧的时刻，是设备R接收到时间同步命令帧的时刻。
7.根据权利要求4所述的时间同步方法，其特征在于，网络中普通节点通过监听请求节点和时间源节点之间的命令帧同步完成普通节点与时间源的同步，普通节点根据公式
全文摘要
本发明请求保护一种于无线传感器网络的时间同步方法，涉及无线网络通信技术。时间源设备生成信标帧，并周期性广播发送信标帧，非时间源设备在信标帧的收发过程中获得时间戳，根据多次收集的时间戳计算得到本设备时钟与时间源设备时钟的频率偏差和时间偏差，补偿本地时钟，实现与时间源的同步；逐级进行时间同步，最后实现全网的时间同步。考虑到设备的应用环境和对时间同步精度的要求不同，采用了广播同步、匹配同步和监听同步相结合的多级多层次同步机制。非时间源设备可以根据不同的需求向时间源申请时间同步命令帧同步，没有申请时间同步命令帧的设备同样可以监听接收得到时间同步命令帧并完成同步，减小了网络的整体通信开销和能量消耗，保障网络正常的运行。
文档编号H04W56/00GK102118849SQ20111004898
公开日2011年7月6日 申请日期2011年3月2日 优先权日2011年3月2日
发明者于萌萌, 段未红, 王平, 王恒, 王颋 申请人:重庆邮电大学