[发明专利]基于误差统计的无线传感器网络时间同步方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及在无线传感器网络中的时间同步技术，尤其是一种基于误差统计的无线传感器网络时间同步方法及装置。

背景技术

无线传感器网络是由大量传感器节点以自组织方式构成的多跳无线网络系统，其目的是协同地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络融合了传感技术、嵌入式技术、无线网络技术、分布式智能信息处理等技术，具有规模大、成本低、组网灵活等特点，已经广泛应用于军事、科研、工业监控、医疗等领域。

时间同步是无线传感器网络的基本功能之一，对于提高无线传感器网络的整体性能具有重要意义。如在目标跟踪系统中，多个传感器节点协同工作来完成对目标运动速度和运动轨迹的监测，这需要节点之间保持时间的一致，通过交换各自的监测信息，根据信息中的时间先后关系，来对目标的运动速度、方向和轨迹等进行计算。例如，在停车场车位管理系统中，无线传感器网络作为数据收集型网络，传感器节点需要定期地采集数据，并传送给汇聚节点进行处理，传感器节点需要保持时间的一致性，才能保证所有节点同时对数据进行采集。

在已知的现有技术中，无线传感器网络中的时间同步方法主要包括RBS(ReferenceBroadcast Synchronization)参考广播同步方法，DMTS(Delay Measurement TimeSynchronization)延迟测量时间同步方法和TPSN(Timing-sync Protocol for SensorNetworks)时间同步方法。这几种方法都从不同的角度入手，通过减少消息传播关键路径上的传播延迟引入的误差来提高时间同步精度，具有各自的优缺点。RBS时间同步方法中虽然消除了发送端传播延迟引入的同步误差，提高了同步精度，但是这种方法只适用于小规模的网络，扩展性差，交换消息数量多；DMTS时间同步方法复杂度低，容易扩展到大规模的网络，但对消息传播延迟的补偿是一个固定值，不能适应网络部署情况的变动，同步精度相对较低；TPSN时间同步方法将NTP时间同步方法引入到无线传感器网络中，取得了比较好的精度，但是同步过程复杂度相对较大，交换的消息数量多，收敛速度慢。具体而言，上述方法对传播延迟引入的误差的估计，不能实际反映出网络的整体延迟情况。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种基于误差统计的无线传感器网络时间同步方法(An Error Statistic Based Time Synchronization Protocol)，简称ESTS，以及用于实现该方法的装置。

基于误差统计的无线传感器网络时间同步方法中，通过动态均匀地抽取网络边缘节点作为延迟统计节点，对同步过程中消息的传播延迟进行实际测量，客观地反映了网络实际的部署情况和传播延迟，并通过洪泛过程对由此而引起的同步误差进行补偿。这种方法具有良好的自适应性、可扩展性和较高的同步精度，在同步精度和能量消耗之间取得了很好的折中。

基于误差统计的无线传感器网络时间同步方法包括以下步骤：

1)利用同步命令消息的洪泛过程在短时间内达到网络低精度时间同步，同时建立网络树状层次结构；

2)利用洪泛消息传播的单向性，根据网络的实际部署情况，动态均匀地选取部分网络边缘节点作为延迟统计节点；

3)延迟统计节点利用网络树状层次结构，通过向汇聚节点发送延迟统计消息，统计同步命令消息从汇聚节点到延迟统计节点、以及延迟统计消息从延迟统计节点到汇聚节点路径上的传播延迟；

4)根据收到的延迟统计消息，汇聚节点计算网络平均每跳传播延迟；

5)利用延迟补偿消息的洪泛过程，节点根据网络平均每跳传播延迟和距离汇聚节点的跳数，对同步精度进行补偿，达到网络高精度时间同步。

根据本发明的另一目的，用于实现上述方法的装置即无线传感器网络的结构示意图如图1所示。无线传感器网络通常包括汇聚节点和传感器节点，传感器节点负责采集各种感知数据，转发其它节点采集的数据；汇聚节点负责收集传感器节点采集的数据。网络中通常只有一个汇聚节点，其它节点均为传感器节点。这些节点在同步过程中被组织成树状的层次结构，以汇聚节点为根节点。

其中，汇聚节点包括消息的发送和接收模块、系统时间模块、时间戳模块、时间同步的启动模块、计算网络平均每跳延迟的模块和误差补偿的启动模块。各模块间的关系如图6所示。

消息的发送和接收模块负责发送和接收各种同步消息；系统时间模块维持节点的本地时钟；时间戳模块为各种同步消息添加时间信息，时间戳模块通过系统时间模块获取消息发送时的系统时间。