[发明专利]基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法

说明书

技术领域

本发明属于信息技术领域，尤其涉及一种基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法。

背景技术

时间同步是所有分布式系统都需要解决的一个重要问题。在集中式系统中，由于任何进程或模块都可以从系统唯一的全局时钟中获取时间，因此系统内任何两个事件都有着明确的先后关系。而在分布式系统中，由于物理上的分散性，系统无法为彼此间相互独立的模块提供一个统一的全局时钟，而是由各个进程或模块各自维护它们的本地时钟。由于这些本地时钟的计时速率、运行环境存在不一致性，因此即使所有的本地时钟在某一时刻都被校准，一段时间后，这些本地时钟间也会出现失步。为了让这些本地时钟再次达到相同的时间值，必须进行时间同步。时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个统一时间标度的过程。

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种结合了微电子机械系统、片上系统、无线通信、低成本传感器等技术的新兴网络技术。它通常是由大量廉价的具有信息获取能力的节点组成的面向任务的自组织无线通信网络，作为“物联网”研究的前端感知层的重要组成部分，拥有十分广阔的应用前景，并已引起了学术界和工业界的广泛关注。时间同步是WSN的一项重要研究内容，也是WSN其他研究的支撑技术，其在测距、数据融合、MAC层协议、睡眠调度、协作传输等几乎所有的场合都有着非常重要的应用。与传统的分布式系统的时间同步不同，无线传感器网络的时间同步不仅有着高精度的要求，而且还面临着能耗、可扩展性、无线传输不可靠性等新的挑战。

针对无线传感器网络时间同步所面临的挑战—传输延迟的不确定性、低功耗、低成本、可扩展性等特点，在无线传感器网络领域出现了一些典型的时间同步协议。如TPSN（Time Protocol for Sensor Networks）、RBS（Reference Broadcast Synchronization）、LTS（Lightweight Tree-based Synchronization）、HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization）、FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）等。这些典型的时间同步算法侧重同步精度和同步能耗的需求，其从各个方面对同步问题进行了解决。它们力图提高时间戳的准确性来提高时间同步的精度，力图利用无线广播特性来降低同步功耗。目前，单跳WSN的时间同步协议已经很成熟，同步误差在Mica2平台上已经达到几至十几微秒的量级，同步功耗也较低，能够满足大多数应用场合的需要。然而，当这些时间同步协议被扩展到多跳网络时，目前普遍采取的方法是首先按照节点之间的通信连接关系建立起一定的网络拓扑结构，在该拓扑结构上，按照时间同步协议的约定，未同步节点和所选定的已同步节点之间通过交换含时间信息的同步报文，从而间接地实现与时间基准节点之间的同步。节点不能直接和时间基准节点同步，会造成节点的同步误差随着其离时间基准节点跳距的增加而增加的现象，即出现了同步误差的累积。另外，这些同步算法涉及较复杂的计算和较频繁的数据包交换，给WSN的正常运行带来了很大的负担。近些年来，研究者们开始寻找新的时间同步的思路和方法。如何利用自然界中的互同步（Mutual synchronization）现象来对WSN进行时间同步的研究逐渐又被大家重视起来。

萤火虫同步则是最著名的一种互同步现象。Peskin针对心肌细胞的同步跳动提出了一种脉冲耦合振荡器模型。他把互同步系统建模成许多互相耦合的相同的振荡器的集合，每个振荡器由一个状态变量x描述，x满足：

dxdt=-γx+S0,0≤x≤1---(1)]]>