[发明专利]一种应用于无线传感器网络的时钟同步精简信息交互方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中的时钟同步技术领域，特别涉及一种应用于无线传感器网络的时钟同步精简信息交互方法。

背景技术

精确时钟同步技术被广泛应用于智能电网等分布式设备间、分布式监测与控制系统等越来越多的技术领域中，成为人们关注与研究的焦点。

目前的时钟同步技术，通常分为有线和无线两种。有线时钟同步技术是传统的时钟同步技术，采用IEEE1588精确时钟同步协议，如图1所示，精确性好，计算公式简单，但因为受到线路铺设、维护困难、布点不灵活等因素的限制，在许多应用场景下，正逐渐被无线技术所替代。

目前无线传感器网络时钟同步技术，通常采用将IEEE1588精确时钟同步协议直接应用于IEEE802.15.4无线传感器网络标准下的协议栈，参考时钟终端与同步终端之间利用现有协议栈的发送接收模式进行同步信息传递，如图2所示，但是该方法十分复杂，需要接收和发送多个信息来实现时钟同步两个设备间的路径时延与时钟偏差的计算，增加了无线网络的系统消息开销，延长了同步时间，另外，考虑到无线传感器网络自身的特殊性，在传输信道中存在随机干扰或者突发性干扰时，容易造成同步信息丢失，而传统方法只要其中一个信号丢失或者错误，即会直接导致时钟同步失败，需要等待重新发送下一个同步信息，这将造成同步时间的进一步延长，进一步加大了无线网络系统的消息传输开销，影响时钟同步精度。

发明内容

针对现有无线传感器网络时钟同步技术同步时延不确定性、系统消息开销大等问题，本发明实施例的目的是提供一种同步时延小、同步消息开销小的应用于无线传感器网络的时钟同步精简信息交互方法，结合IEEE1588精确时钟同步协议和IEEE802.15.4无线传感器网络协议，每一次时间同步过程中至少省略2条信息发送及接收周期，可应用于智能电网等分布式设备间、分布式监测与控制系统的同步时钟建立与守时。

为了达到上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种应用于无线传感器网络的时钟同步精简信息交互方法，其特征在于，包括以下步骤：

Q1：簇头侧的时钟是主时钟，具有参考时钟的作用，簇头侧的主控单元确定要进行时钟同步的节点序号，并向该节点侧发送同步报文信号，并由FPGA记录同步报文信号发送的时间戳t1；

Q2：节点侧时钟需要与簇头侧进行时钟校准，节点侧的主控单元接收到同步报文信号，并由FPGA记录下接收同步报文信号的时间戳t2；

同时，按照IEEE802.15.4协议规范，节点在成功接收报文信号后，向簇头侧发送接收确认报文信号，并由FPGA记录确认报文信号的发送时间戳t3；

Q3：簇头侧接收到来自节点侧的接收确认报文信号，并由FPGA记录该报文信号的接收时间戳t4；

Q4：簇头侧的主控单元将所记录的同步报文信号的发送时间戳t1和来自节点侧的确认报文信号的接收时间戳t4组合成数据包，发送到节点侧；

Q5：节点侧的主控单元接收到数据包，发送确认报文信号给簇头侧，同时根据节点侧记录的同步报文信号的接收时间戳t2和确认报文信号的发送时间戳t3，以及从数据包中解析出的t1和t4，直接计算簇头侧与节点侧间的路径时延与簇头节点间的时钟偏差Offset，进行本地时钟校准，其具体的计算方法为：

t₂-t₁＝Delay+Offset

t₄-t₃＝Delay-Offset

Delay＝(t₂-t₁)+(t₄-t₃)/2

Offset＝(t₂-t₁)-(t₄-t₃)/2

Q6：簇头侧、节点侧按照步骤Q1-Q5每进行一次时间同步的完整有效信号的形式为：长脉冲、脉冲宽度为T1，脉冲间隔、宽度为T2，短脉冲、脉冲宽度为T3的形式，其中T1、T3的值在同步过程中保持不变，以符合IEEE802.15.4协议规范；

Q7：在上述步骤Q1-Q4过程中，无线传感器射频电路提供了发送接收数据的信号指示，可以作为发送接收时间戳指示信号使用，与射频电路指示信号相连接的FPGA每当检测到信号上升沿，即在寄存器R1中记录第一个上升沿对应的时钟值，在寄存器R2中记录随后的第二个上升沿的时钟值；