一种适用于无线传感器网络的时间同步方法技术

本发明专利技术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。

Time synchronization method suitable for wireless sensor network

The invention requests a time synchronization method for wireless sensor network, relating to wireless network communication technology. The time source device generates a beacon frame, and periodically broadcasts beacon frames, non time source equipment get timestamp in the process of sending and receiving the beacon frame, calculate the frequency deviation and the deviation of the equipment time clock and clock time source equipment according to the time stamp collection times, compensation for local clock synchronization and time source; by the time synchronization, finally achieve the whole network time synchronization. Considering the application environment of the equipment and the requirement of the time synchronization accuracy, the multi-level synchronization mechanism based on broadcast synchronization, matching synchronization and listening synchronization is adopted. Non time source device can according to different requirements apply to the time synchronization source command frame synchronization, do not apply for the time synchronization command frame equipment can also monitor the received time synchronization and complete synchronization command frame, reduces the overall communication overhead and energy consumption of the network, network security and normal operation.

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线网络通信
，尤其涉及无线传感器网络中的一种时间同步 方法。
技术介绍
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。 因此本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。采用本专利技术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。附图说明图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，本专利技术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，因此本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恒，王平，于萌萌，王颋，段未红，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：85