[发明专利]一种低功耗无线传感器网络时间同步方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感网技术领域，涉及无线传感网中同步消息的发送方式，具体是一种低能耗、高精度无线传感网时间同步方法。 

背景技术

无线传感网(WSN)是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。它以低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革，在环境感知与监测，无线定位与跟踪，医疗监护，智能家居等领域都展现出广泛的应用前景。 

时间同步是WSN的一项关键支撑技术。WSN是一种分布式系统，各个节点的本地时钟相互独立，这就导致各个节点的系统时间互不相同。许多WSN应用需要各节点协同工作，单个节点采集的原始数据需要和其他节点数据统一处理才能获取有用信息。例如在目标跟踪应用场景中需要对相关节点采集的数据进行卡尔曼滤波才能提取出有用的位置信息。诸如此类的数据处理与数据融合都需要相关节点保持时间同步。另一方面，时间同步在WSN通信协议的设计方面也有重要的应用。MAC(Medium Access Protocol)协议的设计目标主要包括节省能耗和防止冲突碰撞，TDMA在这方面具有先天的优势，而时间同步是TDMA的基础。 

传感器节点的系统时间由计时器产生，计时信号一般由晶振(晶体振荡器)提供。由于晶振的制造工艺有差别，运行环境有变化，计时频率很难保持一致，导致各个节点的时间很容易失去同步。因此需要设计专门的同步算法来保证网络中节点的时间同步。 

传统的时间同步方法主要有NTP(Network Time Protocol)和GPS(Global Positioning System)。NTP是Internet上的标准时间同步协议，主要为互联网中所有主机提供标准UTC(Coordinated Universal Time)时间。GPS用于进行全球高精度导航和定位。NTP和GPS都需要特定的设备或专用节点才能实现同步。由于传感器节点硬件资源有限，节能要求比较高等特点使得这两种传统时间同步方法都无法直接在WSN中使用。 

目前针对WSN的时间同步方法主要分为以下三种：(1)基于接收者-接收者的时间同步方法。例如RBS(Reference Broadcast Synchronization)。(2)基于发送者-接收者的单向时间同步方法。典型代表为DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)和FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)。(3)基于发送者-接收者的双向时间同步方法。例如TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)和LTS(Lightweight Tree-based Synchronization)。下面以采用LTS算法对无线传感网进行时间同步为例对此进行详细介绍： 

LTS轻量级生成树同步算法的核心任务是降低同步算法的复杂度，它由加州大学伯克利分校Jana van Greunen等提出的。在有些传感器网络应用中对时间同步的精度要求并不是很高，同时需要时间同步的节点可能不是整个网络的所有节点，这样就可以使用简单的轻量的时间同步机制，通过减少时间同步频率和参与同步的节点数目，在满足同步精度要求的同时降低节点的通信和计算开销，减少网络的能量消耗。在分析单跳节点对之间基于发送-接收方式的时间同步机制基础上提出了集中式和分布式两种LTS多跳时间同步算法。 

集中式多跳同步算法是单跳同步的简单线性扩展，其基本思想是构造低深度的生成树，然后以树根为参考节点，依次向叶节点进行逐级同步，最终达到全网同步。根节点通过同步其邻居子节点启动时间同步过程；接着每个子节点再与它的子节点同步；如此反复，直到树的叶子节点都被同步。在需要时该根节点还要发起再同步。集中式多跳同步算法中，根节点初始化同步，所以节点采用相同频率进行重同步，算法的运行时间正比于生成树的深度，优化的生成树具有最小的深度，沿着所有树枝并行进行同步操作。由于生成树的深度影响整个 网络的同步时间以及叶子节点的精度误差，需要把树的深度传回到根节点以让根节点在决定再同步时利用这个信息。多跳同步的通信复杂度和精度与生成树的构造方法以及树的深度相关，重同步频率与时钟漂移以及单跳同步精度相关。