[发明专利]一种短程无线通信网络的网络时钟同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种短程无线通信网络的网络时钟同步方法，尤其涉及Zigbee网络的网络时钟同步方法，属于无线通讯技术领域。

背景技术

在Zigbee网络中，网络节点可以根据功能不同分为两种，一种是网络协调器，一种是一般设备。节点之间有两种通信模式可供选择：信标使能通信和信标不使能通信。

在信标不使能的通信网络中，个人网协调器不发送信标帧，各个设备使用非时隙CSMA/CA机制访问信道，各个设备根据本地时钟工作，没有网络时钟的存在。

在信标使能的网络中，网络协调器以超帧为周期组织网络内设备间的通信。超帧结构如图1所示。一个超帧既是一段时间，网络协调器根据上一个超帧中各个设备的请求以及工作情况决定当前超帧中各个时间段网络的工作状态。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为开始。网络协调器定时广播信标帧，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。

在信标使能的网络中，因为网络协调器严格规定了一个超帧内各个时间段的网络工作状态，所以一般设备必须跟协调器的步调一致，才能根据信标帧中的信息安排自己的工作，和网络内的节点正常通讯，不干扰其他节点的通讯。例如，当网络协调器进入非活动周期休眠而一般设备的还在竞争访问期的时候，它们之间的通讯就会失败。保持一般设备和网络协调器的工作步调一致就是使一般设备的本地时钟所表示的时间和网络协调器的本地时钟所表示的时间相同或者控制在允许的误差范围之内。只有网络协调器和一般设备之间保持良好的时钟同步，整个网络才能在网络协调器的控制下正常、高效率的工作。

网络中节点之间的时钟要保持良好的同步取决于两个主要因素，一是有效的同步办法，二是精确的本地时钟。

对于同步办法，目前比较普遍的是使用Network Time protocol或者Network Timeprotocol的精简版，但是因为Zigbee网络的带宽有限，如果加入一些复杂的通讯协议势必会占用大量的网络资源和硬件资源，影响网络通讯的效率，并且这些办法的实现只能放到应用层或者网络层来处理，相对于IEEE 802.15.4-2006来说未免太过复杂，因此它们不适合在Zigbee网络中应用。

对于本地时钟，影响本地时钟精度的关键器件是晶振。普通晶振的价钱便宜但是精度比较低，精度一般是±20ppm左右。如果网络时钟和本地时钟一起计时，那么1秒之后由于晶振造成的本地时钟和网络时钟的最大误差是40微秒，而且误差还会随着时间的增加累积，变的越来越大。调整这个误差的办法一个是提高晶振的精度，但是高精度晶振的价钱比较高，这对于强调低成本节点的Zigbee网络来说显然不适合，另外一个办法就是通过较好的网络时钟同步方法，定期的对本地时钟进行调整，消除误差的累计，使误差控制在Zigbee网络允许的误差范围之内。

发明内容

本发明的目的是提出一种短程无线通信网络的网络时钟同步方法，在不增加通讯协议以及不占用网络带宽的情况下完成网络协调器和一般设备之间的时钟同步工作，并降低对使用晶振的精度要求，以适应Zigbee网络的特殊要求。

本发明提出的短程无线通信网络的网络时钟同步方法，包括以下步骤：

(1)短程无线通信网络中协调器的微控制器向本地的无线收发芯片发送一个信标帧发送命令，无线收发芯片接收到该命令后将信标帧发送至一般设备，计算该微控制器发送命令开始至无线收发芯片发送完信标帧中的同步开始字节所用的时间F1；

(2)一般设备的无线收发芯片接收到上述信标帧中的同步开始字节后，对本地微控制器发送一个从低电平到高电平的跳变信号，本地微控制器接收该跳变信号后记录本地时钟的当前时间F2；

(3)上述一般设备接收到完整信标帧后，记录本地时钟的当前时间F3，根据上述F1、F2和F3，对本地时钟进行调整，本地时钟的新的当前时间＝F1+(F3-F2)，并以该新的当前时间更新旧的当前时间。

本发明提出的短程无线通信网络的网络时钟同步方法，在由单片机C8051F121和RF芯片CC2420构成的Zigbee平台上测试之后收到了良好的效果。