一种无线传感网络双向时间同步方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线传感网络领域，更具体地，设及一种无线传感网络高精度双向时 间同步方法。
【背景技术】
[000引时间同步技术是无线传感网络（WirelessSensorNetwork,WSN)的关键技术之 一，它给全网节点提供统一的时间度量标准，是全网协同工作的先决条件和技术保障。准确 的时间同步保证了网络协议的正常运行，而且在其实际的应用场景中也起到的关键性的作 用，如节点定位、休眠调度、数据融合、TDMA调度、路由协议、测量距离、数据同步等等，该些 应用都对网络中节点的时间同步有着明确的要求。
[0003] 影响时间同步的因素；为了对时间同步算法进行更加精确的研究，需要对节点之 间消息传输过程中的影响时间同步精度的因素进行详细分析，W及制定出避免该些影响因 素的方法。在目前的研究中，可将从发送节点到接收节点消息传输的关键路径延迟划分为 六个部分，具体的划分如图1所示；
[0004] (1)发送时间延迟（SendTime);-般指消息发送节点开始构造一条消息，到消息 达到底层做好发送准备时消耗的时间，也就是产生消息并将该消息发送到MAC层所需的时 间。该个时间的消耗与处理器当前的操作情况、系统的调度息息相关，延迟的时间最大可达 几百毫秒；
[000引似访问时间延迟（AccessTime);等待传输信道空闲所需时间，与MAC层的协议 和网络的当前负载状况有关。消息已经从上层传递到MAC层，但是发送节点要对信道进行 检测，当确认信道时，才将消息发送出去。因此，在整个传输实验中，它是最不确定和不可预 测的一部分；
[0006] (3)传输时间延迟（TransmissionTime):消息在物理层发送所需的时间，取决于 消息的大小和射频模块的无线发射速率，该部分时间通过计算比较容易确定；
[0007] (4)传播时间延迟（PropagationTime);消息W电磁波的方式在传输介质中的传 播时间，所W该部分的时延可看做只取决于节点间的距离。因为电磁波在空气中传播的速 度很快（接近光速），所W与其他时延相比，传播时延是可W忽略不计的；
[000引（5)接收时间延迟化ec巧tionTime);接收时延和传输时延是相反的过程，是接 收节点在物理层按位接收信息产生的时延；
[0009] (6)接收处理时间延迟巧eceiveTime):接收处理时延和发送时延是相反的过 程，是接收节点在底层接收完信息后，往上传递给应用层所消耗的时间。
[0010] 综上所述，网络中时间同步的误差主要是由该几部分传输延迟造成的。如果在同 步过程中，能够对该些时延进行补偿，或者是直接消除该些时延，那么同步精度将会得到提 局。
[0011] 节点时钟模型：在无线传感网络中，每一个传感节点都具有属于自身的晶体振荡 器（Oscillator),节点的时钟就是通过该个晶振的脉冲计数来度量的。随着晶体振荡器的 频率的变化和震荡次数的增多，节点的本地时钟也会随之变化。因此，在任一节点i在物理 时刻t的本地时钟读数可W用式（2-1)表示：
[001引
【主权项】
1. 一种无线传感网络双向时间同步方法，是基于发送者-接收者双向的同步方法，将 传感节点同步到参考节点的时钟，其特征在于，包括以下步骤： (a) 在传感节点向参考节点发送同步请求消息SYNC_REQ的起始阶段，当物理层传送完 同步头时，传感节点立刻处理物理层的发送中断事件，并记录时标Tl ; (b) 传感节点将时标Tl写入TXFIFO寄存器中，将时标嵌入该SYNC_REQ消息中，然后继 续将该消息按位发送至参考节点； (c) 参考节点接收到SYNC_REQ消息时，在物理层接收完同步头后，参考节点处理物理 层的接收中断事件，并记录时标T2 ; (d) 参考节点成功接收完SYNC_REQ消息后，提取消息中的时标Tl和自身记录的时标 T2,组建SYNC_ACK消息，并将Tl和T2放入消息中； (e) 同步骤（a)和（b)，参考节点发送SYNC_ACK时在物理层记录时标T3,并嵌入该消息 发送至传感节点； (f) 同步骤（c)，传感节点接收SYNC_ACK时在物理层记录该消息的时标T4 ; 至此，发起同步请求的传感节点已经获取到了 Tl、T2、T3和T4四个时标，并通过
长取传感节点与参考节点的时钟偏移量△， 假设在t时刻时，参考节点的时钟是& (t)，传感节点的时钟时Ci (t)，则能够通过Λ值 修正传感器节点的时钟偏移量，即Cj(t) = Ci (t) + A，即实现了基于offset补偿的同步方 法。
2. 根据权利要求1所述的无线传感网络双向时间同步方法，其特征在于，在ZigBee网 络中，选择协调器为参考节点。
3. 根据权利要求1或2所述的无线传感网络双向时间同步方法，其特征在于，所述同步 方法还包括自适应晶振频率偏移skew补偿机制，其具体过程为： 根据式 Cj (t) = BijCi (t) +bij， 可知，要使得传感节点i的时钟与参考节点j的时钟同步，需计算出skew补偿值ay和 offset补偿值bij;ofTset补偿值为Δ ; 通过统计同步消息的数据，计算出ay，即完成对skew的补偿。
4. 根据权利要求3所述的无线传感网络双向时间同步方法，其特征在于，所述通过统 计同步消息的数据计算出a#是采用了一个循环队列存放N-I个当前的skew补偿值，具体 过程为： 在经过2个同步周期后，传感节点获取到了两组同步数据，计算出skew补偿值aij，并 把它入队，作为当前的skew补偿值对节点时钟进行调整并实现同步；
$书·占了 M次同步时，M〈N，队列里将会有M-I个补偿值，skew补偿值的计算公 式是 把当前队列中各元素的算术平均数作为skew补偿值； N-l 当节点间完成了 N次同步后，该队列被填满，此时的skew补偿值是： 护』 Clii=--; ，J N-I 此后，当节点间完成了 Ν+k-l次同步后，再经过一个同步周期，完成了第N+k同步时， 此时将队列首元素出队，并将最新计算得到的入队，完成对该循环队列的更新，此时 1+N-1 skew补偿值的计算公式是： U a；； = -〇 11 N-\
【专利摘要】本发明公开一种无线传感网络双向时间同步方法，是基于发送者-接收者双向的同步方法，将传感节点同步到参考节点的时钟，是采用了物理层的时标记录技术和时标嵌入技术，且时标的记录、嵌入及发送/接收是在同一条消息中完成，使得在网络中实施发送者-接收者的双向同步算法时，理论上消除了同步过程中的发送时间延迟、访问时间延迟传输时间延迟、传播时间延迟、接收时间延迟和接收处理时间延迟这6个因素的影响，从而获得了非常高的同步精度。并在此基础上实现了自适应的skew补偿，最后在ZigBee网络的实验测试中对该算法进行了验证，得到的测试结果符合预期设想。
【IPC分类】H04W56-00
【公开号】CN104837197
【申请号】CN201510176407
【发明人】黄晓, 陈晓杰, 保延翔
【申请人】中山大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月14日