一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法技术

本发明专利技术涉及一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法，采用全新同步设计方法，用于实现各ZigBee节点分别所对应时隙之间的同步，其中，应用WiFi节点周期广播时间戳，各ZigBee节点接收时间戳开始计时，以各ZigBee节点所对应时隙长度与WiFi节点所对应时隙长度相等，实现各ZigBee节点分别所对应时隙之间的同步；使得目前时间同步时间误差由近1毫秒提升至200微秒左右，而当前的时间戳传输时间大概需要800微秒，所以所提出的时钟同步方法可以实现较为精确的全局时钟同步。

A ZigBee low delay clock synchronization method based on cross technology communication

【技术实现步骤摘要】
一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法
本专利技术涉及一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法，属于

技术介绍
在无线网络中，由于振荡频率的不同，不同的时钟以不同的速率跳动，网络设备有自己的内部时钟和时间观念。时间同步是一种允许组中的各个实体使它们的时钟相对于彼此或某个协调的通用时间同步的方法。与传统的有线网络(如Internet和局域网)使用全球定位系统或网络时间协议通过网络实现时间同步不同，对于无线网络而言，由于能量补充有限，实现全局时间同步代价较高，且节点启动时不一定始终保持同步。目前，无线网络中还没有适用于分布式系统的全局时钟或公共时间。这可能会给依赖于同步时间概念的应用程序(例如，野火监视)带来严重问题。CTC技术在最近的文献中被引入，以提供跨技术的直接通信。CTC允许不同无线技术之间在同一频谱范围内进行直接通信。例如，WiFi和ZigBee都驻留在2.4GHz的ISM频带上，而WEBee、TwinBee、LongBee则使用高速WiFi无线电来模拟低速ZigBee无线电所需的信号，这是通过仔细选择WiFi分组的有效载荷来完成的，该有效载荷被商品ZigBee设备透明地识别为合法的ZigBee帧；在WEBee中，从WiFi节点到ZigBee节点的数据速率高达126Kbps，而WEBee纯粹是基于软件的解决方案，无需修改WiFi或ZigBee硬件，它可以在现有的WiFi和ZigBee设备上运行。CTC允许WiFi节点向所有附近的传感器发送消息，并且此WiFi节点可以充当传感器的中央协调器。显然，这种中央协调器可以显著地简化传感器之间的协调，不需要转发数据就可以将命令直接广播给所有覆盖的节点，从而大大减少了命令的分发时间。由于WiFi和ZigBee设备运行在同一ISM频段，这两个异构设备相互竞争访问频谱资源，因此ISM频段变得越来越拥挤。因此，提高光谱效率是CTC应用的迫切需要。目前，WiFi热点因其低成本和高效的数据传输而拥有庞大的安装基础。报告显示，在大范围内，53％的时间都可以访问WiFi。根据思科的预测，从2018到2022年，WiFi热点将增加一倍以上，全球公共设备数量将达到6亿台。我们可以方便地利用现有的WiFi基础设施，ZigBee节点可以近乎零的成本轻松加入现有的WiFi网络。此外，ZigBee器件(即MICAz)的最大传输功率一般为1mW(0dBm)，传输范围仅为70m左右，而WiFi的最大传输功率可达100mW(-20dBm)，传输距离接近300m。因此，WiFi的最大传输范围远大于ZigBee。WiFi节点可以轻松覆盖ZigBee节点的区域。在传统无线传感器网络中，对于两个传感器之间的时间同步，信号传输时间一般包括六个部分：发送时间、访问时间、传输时间、传播时间、接收时间和接收时间。其中，发送时间表示从在应用层构造并传递到MAC层的时间戳所经过的时间，大约为0-100ms，由操作系统负载决定。接入时间是指到达MAC层的时间戳到达后等待信道访问所花费的时间，约为10-500ms，是由发送方使用的系统负载和MAC协议决定的导致时间同步延迟的最关键因素。传输时间是指时间戳在物理层通过无线链路传输的时间，大约为10-20毫秒，主要受数据包的大小影响。传播时间表示从发送方到接收方接收时间戳所需的时间，大约为1μs，通常可以忽略不计。接收时间表示接收戳记并传递到MAC层的时间，大约为10-20ms。接收时间是指将接收到的比特构造为数据包并将该数据包传递到应用层的时间，该时间约为0-100ms，由操作系统负载决定。访问时间和接收时间的值，受所使用的操作系统负载和MAC协议的影响，这些协议是无法控制的，并且由特定的网络负载决定。而传输时间、传播时间和接收时间的大小对分组大小或射频收发器的影响是可控的或确定的。换句话说，如果我们得到时间戳的长度和射频器件的性质，我们就可以计算出这些时间的结果。依靠CTC技术，WiFi节点可以直接向其所覆盖的传感器发送命令。在一定程度上，WIFI节点充当传感器网络的网关和根节点。由于WiFi节点不能识别ZigBee设备的信号。换句话说，由于WiFi节点只接受WiFi信号，因此无法从ZigBee设备接收任何响应。因此，当WiFi节点准备广播时间戳时，它无法判断信道是否空闲。我们可以让WiFi节点定期播放时间戳。基于CTC的时间同步分组时延分解包括五个部分，与传统的无线传感器网络相比，减少了接入时间，由于WiFi节点可以直接向传感器发送命令，因此WiFi节点可以作为中心协调器，直接向传感器广播全局时间戳。使用WiFi节点代替普通传感器向网络中的所有节点广播时间信息，就像在传统的无线系统中所做的那样。因此，如果所有传感器都被多个WiFi节点覆盖，则所有传感器都将同时实现全局时间同步。基于CTC的全球时间同步至少有两个显著优势。首先，它是一种基于CTC的传感器同时实现全局时间同步的简单而有效的方法。其次，由于所有传感器只需侦听信道并等待时间戳的到来，因此传感器用于时间同步的能量消耗比传统的无线传感器网络和没有CTC的EH-WSN要低。由于WiFi节点对能量预算没有限制，它可以频繁地向其覆盖区域广播命令包。这些命令包可以用于全局时间同步和路由路径建立。由于WiFi节点无法区分ZigBee信号，同时由于WiFi信号与ZigBee节点一起工作在同一ISM频段和信道中，因此WiFi信号会干扰ZigBee通信，这表明ZigBee节点无法与其他设备通信WiFi节点占用信道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法，采用全新策略方法设计，能够保证各ZigBee节点分别所对应时隙之间实现同步的同时，避免信号之间的干扰，保证同步工作效率。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法，用于实现各ZigBee节点分别所对应时隙之间的同步，应用WiFi节点，并定义WiFi节点所对应时隙长度、与ZigBee节点所对应时隙长度彼此相等；同步过程中，WiFi节点对应其各时隙的起始时刻，分别广播以其时钟信号所构成的时间戳；各ZigBee节点分别基于收听状态、接收来自WiFi节点所广播的时间戳；接收到时间戳的ZigBee节点随即以其时钟进行计时，执行其所对应的时隙，实现各ZigBee节点所对应时隙、分别与WiFi节点所对应时隙之间的同步，进而实现各ZigBee节点分别所对应时隙之间的同步。作为本专利技术的一种优选技术方案：针对各Zigbee节点所对应的时隙，依时序划分成t1和t2两部分，其中，t1的时长等于WiFi节点发送时间戳、至ZigBee节点接收到时间戳所经过的时间，ZigBee节点针对其所对应时隙中t1和t2两部分、分别设定工作模式。作为本专利技术的一种优选技术方案，根据如下公式：获得ZigBee节点所对应时隙的时长T，即WiFi节点所对应时隙的时长为T，其中，d表示Z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法，用于实现各ZigBee节点分别所对应时隙之间的同步，其特征在于：应用WiFi节点，并定义WiFi节点所对应时隙长度、与ZigBee节点所对应时隙长度彼此相等；/n同步过程中，WiFi节点对应其各时隙的起始时刻，分别广播以其时钟信号所构成的时间戳；各ZigBee节点分别基于收听状态、接收来自WiFi节点所广播的时间戳；接收到时间戳的ZigBee节点随即以其时钟进行计时，执行其所对应的时隙，实现各ZigBee节点所对应时隙、分别与WiFi节点所对应时隙之间的同步，进而实现各ZigBee节点分别所对应时隙之间的同步。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法，用于实现各ZigBee节点分别所对应时隙之间的同步，其特征在于：应用WiFi节点，并定义WiFi节点所对应时隙长度、与ZigBee节点所对应时隙长度彼此相等；
同步过程中，WiFi节点对应其各时隙的起始时刻，分别广播以其时钟信号所构成的时间戳；各ZigBee节点分别基于收听状态、接收来自WiFi节点所广播的时间戳；接收到时间戳的ZigBee节点随即以其时钟进行计时，执行其所对应的时隙，实现各ZigBee节点所对应时隙、分别与WiFi节点所对应时隙之间的同步，进而实现各ZigBee节点分别所对应时隙之间的同步。


2.根据权利要求1所述一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法，其特征在于：针对各Zigbee节点所对应的时隙，依时序划分成t1和t2两部分，其中，t1的时长等于WiFi节点发送时间戳、至ZigBee节点接收到时间戳所经过的时间，ZigBee节点针对其所对应时隙中t1和t2两部分、分别设定工作模式。


3.根据权利要求2所述一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法，其特征在于，根据如下公式：



获得ZigBee节点所对应时隙的时长T，即WiFi节点所对应时隙的时长为T，其中，d表示ZigBee节点的占空比。


4.根据权利要求3所述一种基于跨技术通信的ZigBee低延迟时钟同步方法，其特征在于：还包括分别针对各个ZigBee节点，按如下过程A，获得ZigBee节点所对应的时钟单位时间偏移TA；则当ZigBee节点接收到来自WiFi节点所广播的时间戳时，ZigBee节点以其时钟计时至T-TA所获的值，即完成当前时隙的执行；
过程A.ZigBee节点β顺序接收到、来自WiFi节点α所广播的两次时间戳，其中，第一个时间戳对应WiFi节点α时钟的发射时间点为T(α,1)，第一个时间戳对应ZigBee节点β时钟的接收时间点为T(β,1)，以及第二个时间戳对应WiFi节点α时钟的发射时间点为T(α,2)，第二个时间戳对应ZigBee节点β时钟的接收时间点为T(β,2)；
首先按获得T(α,1)与T(α,2)之间时隙数目k；然...

【专利技术属性】
技术研发人员：高德民，张朔，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32