[发明专利]一种智能的无线传感器网络时间同步方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种智能的无线传感器网络时间同步方法，具体是为无线传感器网络提供一种稳定、可靠的时间同步方法。

背景技术

无线传感器网络是一种多跳自组织网络，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽准确的信息，并传送给需要这些信息的用户。因此无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一。

在无线传感器网络应用中，往往需要多个节点感应的信息进行信息协同处理或数据融合。这就要求相关的传感器节点所采集的数据在时间上是关联的，有时甚至要求是同步的，但如果各个传感器节点不同步，这样来自传感器节点数据的相关性就会受到影响。无线传感器网络的许多应用对于时间同步都有要求，例如，要测量声音的传播时间就需要节点非常精确的时间；形成分布式波束成型阵列；构成低能量的TDMA无线调度；多传感器节点时序信息的融合以估计目标移动速度；识别许多节点对同一时间的重复探测以压缩冗余信息。一些诸如数据库查询、加密和验证方案、未来行动的协调、与用户交互、系统调试时有序的日志事件等应用都需要传感器节点间精确的时间同步。准确的时间同步是实现传感器网络自身协议的运行、定位、多传感器数据融合、移动目标的跟踪以及基于睡眠/侦听模式的节能等技术的基础

无线网络中的节点都有各自的本地时钟。由于一些内在因素（如晶体振荡频率存在偏差等）和一些外在因素（如温度变化和电磁干扰等）的影响，节点之间很难达到长期的时间同步，即使在某个时刻所有节点都能够达到时间同步，节点之间的时间也会逐渐出现偏差。时间同步通过估算节点间的物理时钟之间的关系构造出对应的逻辑时钟，以达成时间同步。对于网络化的时间同步，需要构造便于进行时间同步的拓扑结构，并以此使得网络中各节点具备统一的逻辑时间，最终实现全网的时间同步。

目前，无线传感器网络时间同步研究主要集中在同步精度、网络规模、低开销等方面，典型的无线传感器网络时间同步算法如RBS算法中，每一次同步都需要节点数平方级别的同步报文交互，大量同步报文的交互导致能量利用效率相对较低，而且在干扰严重的工厂环境下，报文的丢失使得同步的效率更低。TPSN协议也需要频繁的执行时间同步过程，而且同步过程是双向报文交互，一旦一次同步交互过程中的报文丢失一个，本次同步将无效，需要重新进行，在干扰严重的区域，算法执行效率较低。FTSP协议为单向广播式时间同步算法，单向的广播报文使得同步的方式更简单实用，但基于最小二乘法的线性拟合方法仍然需要消耗较多的计算资源。TPSN协议和FTSP协议在同步开始之前都需要单独的拓扑形成过程，延长了网络同步建立过程，不适合对网络快速性要求较高的无线传感器网络应用系统。因此，无线传感器网络与时间相关的应用领域迫切需要一套稳定、可靠的时间同步方法。

发明内容

针对现有技术中无线传感器网络应用中存在同步效率低、可靠性差等不足之处，本发明提供一种智能的时间同步方法实现无线传感器网络中稳定、可靠的时间同步方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

三个前提：1、无线设备能够在发送无线报文同时具有将发送时间戳放在无线报文中一起发送的能力；2、无线设备在接收无线报文时具有将接收时间以接收时间戳的形式保存下来的能力。3、一次发送和接收对应的发送时间戳和接收时间戳应当在相同的物理时刻记录各自维持的时间信息，即使不能够在相同的物理时刻记录时间戳，其时间差值也应当是可以通过计算得出其在相同物理时刻各自对应的时间信息。

本发明采用同步方法需要网络中具有时间基准源节点，基准源节点维持网络全局时间，其他节点通过直接或者间接的形式与基准源节点同步，使得自身的时间运转与基准源节点保持同步。

本发明主要包括如下步骤：

S100）点到点时间同步。时间基准源节点和同步完成节点周期性广播带有全局时间信息的同步广播报文（以下简称同步报文），待同步节点监听同步报文选择父节点，通过对父节点同步报文的监听进行时间校准和同步误差漂移计算，从而实现与父节点同步的目的。

S200）同步误差智能分析。同步完成节点通过分析与父节点之间的同步误差，结合接收同步报文同步误差漂移补偿的变化以及与父节点之间计时频率的差异智能分析并计算新的同步误差漂移补偿，从而获得更稳定的同步方法。