一种基于反向时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法技术

本发明专利技术属于无线传感器网络技术领域，尤其为一种基于反向时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法，该方法包括以下步骤：步骤一，根据场景的分布特点部署无线传感器网络节点，并在网络中添加一定数量的参考节点；步骤二，通过双节点时间同步算法对网络中的参考节点进行时间同步；步骤三，参考节点通过广播信息包的方式，以一定时间间隔向范围内所属的从节点发送信息包，从节点接收到信息包记录下自身的时间戳信息。本发明专利技术通过引入参考节点，解决了高密度无线传感器网络中时间同步过程中跳数多带来的误差大、同步时间长的问题，根据不同的应用场景部署参考节点，具有一定的自适应能力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反向时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法


[0001]本专利技术涉及无线传感器网络
，具体为一种基于反向时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法。

技术介绍

[0002]随着无线传感器网络(Wireless Sensors Networks，WSN)的深入研究与发展，因其成本低、组网方式灵活、适用性强等特点，满足了智能化和个性化的工业生产需求，目前无线传感器网络应用在包括智能物流、融合定位、高清机器视觉、运动控制等工业场景，而时间同步正是这些场景得以实现的基础，针对稳态环境下的无线传感器网络，高精度和低能耗的长时间网络同步是重点的研究方向。
[0003]要实现无线传感器网络节点间的长时间同步，需要对时钟频偏和时钟相偏进行联合估计，仅考虑时钟频偏会导致初始的时钟相位偏差一直存在，而仅考虑时钟相偏只能维持短时间的同步，因为时钟频率偏差会导致偏差快速累积。目前绝大多数无线传感器网络时间同步都需要节点间交换彼此的时间戳信息来达到无线传感器网络的时间同步，这种时间同步方法虽然对时钟频偏和时钟相偏进行了联合估计，但同步节点间的交互通信会带来额外的通信和计算开销，一定程度上限制了资源受限的无线传感器网络，因此如何在保证无线传感器网络时间同步精度的基础上，降低无线传感器的能量消耗，仍然是一个具有挑战性的问题。

技术实现思路

[0004](一)解决的技术问题
[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于反向时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法，解决了上述
技术介绍
中所提出的问题。
[0006](二)技术方案
[0007]本专利技术为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
[0008]一种基于反向时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法，该方法包括以下步骤：
[0009]步骤一，根据场景的分布特点部署无线传感器网络节点(从节点)，并在网络中添加一定数量的参考节点；
[0010]步骤二，通过双节点时间同步算法对网络中的参考节点进行时间同步；
[0011]步骤三，参考节点通过广播信息包的方式，以一定时间间隔向范围内所属的从节点发送信息包，从节点接收到信息包记录下自身的时间戳信息；
[0012]步骤四，引入反向时间戳同步方法，从节点将每次接收信息包所记录下的时间戳信息整理发送给所属的参考节点；
[0013]步骤五，参考节点接收自己所属范围内从节点的时间戳信息，计算出每个从节点的时钟频偏和时钟相偏；整理后以信息包的形式发送给所属范围内从节点；
[0014]步骤六，从节点根据接收到信息包中对应的时钟频偏和时钟相偏，周期性的进行自身时钟校正。
[0015]进一步地，所述步骤二的双节点时间同步方法是基于TPSN算法改进的，两节点间通过多次的时间戳信息交互，通过引入卡尔曼滤波器，得到滤波后的时钟相位偏差数据，对采样周期内的时钟相位偏差数据进行基于最小二乘的线性回归处理，得到线性回归系数(时钟频偏和时钟相偏)。
[0016]进一步地，所述步骤四，步骤五中引入反向时间戳信息同步的方法，从节点将整理打包好的数据发送到自己所属的参考节点中，参考节点通过接收每个从节点的时间戳信息，根据从节点的预设ID(0、1、2、3等)，通过最小二乘法的线性回归计算出每个从节点与ID为0的从节点之间的相对时钟频偏和时钟相偏，参考节点将这些时间信息整理打包以广播包的形式发送给从节点。
[0017]进一步地，所述步骤六中从节点接收到广播包后，找到自己节点ID对应的时间信息，周期性的进行自身的时钟校正，从节点不必再需要周期性的进行时间戳信息交互，降低了无线传感器节点的能耗，使无线传感器网络的时间同步达到最佳效果。
[0018](三)有益效果
[0019]与现有技术相比，本专利技术提供了一种基于反向时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法，具备以下有益效果：
[0020]本专利技术通过引入参考节点，解决了高密度无线传感器网络中时间同步过程中跳数多带来的误差大、同步时间长的问题，根据不同的应用场景部署参考节点，具有一定的自适应能力。
[0021]本专利技术通过在从节点时间同步中引入基于反向时间戳信息的同步方法，通过将信息传递到参考节点，减少了从节点互相的信息包传递，同时也减少因此带来的通信、计算和能量开销，不但缩短了无线传感器网络时间同步的完成时间，而且减少了传感器节点的能量消耗。
[0022]本专利技术在算法上通过引入卡尔曼滤波对数据进行预处理，随后利用基于最小二乘法的线性回归求解出线性回归系数(时钟相偏和时钟频偏)，在不增加额外时间信息的情况下，使时钟相偏和时钟频偏的值更加接近真实值。
附图说明
[0023]图1为本专利技术流程框图；
[0024]图2为本专利技术根据无线传感器网络节点的分布、添加参考节点的示意图；
[0025]图3为本专利技术从节点与参考节点之间信息包传递流程图。
具体实施方式
[0026]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]实施例
[0028]如图1
‑
3所示，本专利技术一个实施例提出的一种基于反向时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法，该方法包括以下步骤：
[0029]步骤一，根据场景的分布特点部署无线传感器网络节点(从节点)，并在网络中添加一定数量的参考节点；根据超宽带无线传感器定位系统，我们选取24个无线传感器节点，按照所需定位区域分布在路径两侧，并根据区域划分添加了3个参考节点，具体的分布示意图如图2所示。
[0030]步骤二，通过双节点时间同步算法对网络中的参考节点进行时间同步；双节点同步算法主要由传统的TPSN算法改进而来，通过一次的双向时间戳交互，节点可以计算出时钟相偏，我们了解到一次相互通信可以得到一个时间相偏T
offset
(n)，从而根据T
offset
(n)多次的信息传递，可以得到多个时间相偏；在时间同步过程中运用卡尔曼滤波来降低信号传输过程中噪声的干扰；本文的采样时间用T0来表示，将nT0的时间相偏的实际值设为，而T
offset
(n)则表示在nT0时刻采样得到的时间相偏值。表达式为：
[0031]T
offset
(n)＝T
offset
′
(n)+v(n)
[0032]假设主参考节点时钟的时钟频率为f，且无噪声影响，记nT0时从参考节点时钟的时钟频率为f(n)，频率漂移率为f
′
(n)，正常情况频率漂移率可以表示为：
[0033]f
′
(n)＝a(n)+w(n)
[0034]其中a(n)是从时钟与主时钟正常的频率偏移，w(n)是高斯白噪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反向时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一，根据场景的分布特点部署无线传感器网络节点，并在网络中添加一定数量的参考节点；步骤二，通过双节点时间同步算法对网络中的参考节点进行时间同步；步骤三，参考节点通过广播信息包的方式，以一定时间间隔向范围内所属的从节点发送信息包，从节点接收到信息包记录下自身的时间戳信息；步骤四，引入反向时间戳同步方法，从节点将每次接收信息包所记录下的时间戳信息整理发送给所属的参考节点；步骤五，参考节点接收自己所属范围内从节点的时间戳信息，计算出每个从节点的时钟频偏和时钟相偏；整理后以信息包的形式发送给所属范围内从节点；步骤六，从节点根据接收到信息包中对应的时钟频偏和时钟相偏，周期性的进行自身时钟校正。2.根据权利要求1所述的一种基于反向时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于：所述步骤二的双节点时间同步方法是基于TPSN算法改进的，两节点间通过多次的时间戳...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云清，董士博，李晓龙，高曼的，曹微，蔡雪东，孙雪东，赵婷，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：