[发明专利]电压自适应无线传感器网络时间同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络技术领域，具体涉及一种电压自适应无线传感网络时间同步方法，该方法适用于野生动物监测、土遗址监测等大规模区域监测无线传感器网络应用。

背景技术

作为无线传感器网络的一项重要支撑技术，时间同步得到了广泛的应用，如数据融合技术、休眠调度技术、基于TOA的定位技术以及目标追踪等都需要全网节点保持时间同步。在大规模的传感器网络中，网络节点众多，且节点的能量，处理能力，带宽等相对有限，网络环境相对恶劣，因此，这就要求传感器网络时间同步算法具有低通信开销、低计算复杂度、良好的扩展性和鲁棒性等特点。

在进行大规模监测(如野生动物，土遗址等)过程中，来自不同传感器的不同数据(文字数据，声音数据，视频数据等)需要被组合起来，并通过一系列的统计以及分析，最终得到有效的环境信息并且推测出有可能发生的事件。在对多种数据进行融合的过程中，需要采集数据的各个节点的时间同步，否则会得到错误的时间信息，最终导致错误的分析结果。除此之外，由于传感器网络能量受限的特点，节点需要进行周期性的休眠来降低能耗。这就需要全网的节点按照一个特定的规律来调节自己的休眠周期，从而保证数据的正确传输。然而，节点间时间的不同步将会导致节点在错误的时间进行休眠，从而影响数据传输成功率。现有技术中，为了保证全网节点之间的时间同步，在无线传感器网络中已经有许多时间同步策略：

第一类：基于数据包交换的时间同步方法

该方法首先通过节点间时间戳的交换来进行一对节点间的时间同步，再通过网络分层的方法进行逐层同步，最终达到全网的时间同步。该方法存在三方面缺陷：1)由于该方法是利用频繁的时间戳交换来进行时间同步的，因此会引入大量的通信开销。在无线传感器网络中，通信开销在总开销中所占比例远高于计算开销和数据采集带来的开销，因此该方法会造成节点能量的大量流失；2)由于时间戳在网络中是逐层传输的，因此会造成误差累积，从而影响时间同步精度；3)由于传感器网络中使用的是廉价晶振，该晶振易受到电压、温度、震动等工作环境的影响，而该方法并没有考虑到这一点。

第二类：基于外部周期性信号的时间同步方法

在这种方法中，全网所有节点都根据一个统一的周期性信号来调整自己的时钟频率。这种周期性信号包括：wifi信号、广播信号、日光的发出的光信号等。该方法在同步过程中主要依赖于本地信息，很大程度上减少了时间戳的交换，降低了能耗，减少了误差累积。该方法存在的缺陷有：1)对环境有一定的限制，该类方法不适用与各种信号无法到达的野外环境。而且根据日光灯进行同步的方法要求传感器网络必须工作在室内环境；2)WIFI信号和广播信号需要额外的硬件设备进行接收，这种设备不仅提高了经济开销，而且需要高能耗支撑，不适用于大规模部署；3)这种方法同样没有考虑到工作环境对廉价晶振的影响。

发明内容

工作在振荡电路的节点时钟同步会受到电压的影响，针对现有同步方法高能耗的现状，本发明提出一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法，该方法利用无线传感器的电压与频偏之间的关系进行时间同步，使得同步过程在不同电压下依然能够达到高精度以及低能耗的要求。

为了实现上述任务，本发明采用的技术方案是：

一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法，具体包括以下步骤：

步骤1，设置外部时钟同步

步骤S10，节点A向参考节点R发送同步请求；

步骤S11，参考节点R收到请求后，向节点A连续发送两个时间戳T_a和T_b；节点A在收到时间戳时记录自身本地时间T_a′和T_b′，则节点A频偏值f[i]为：

(公式1)

其中，f[i]表示第i次外部时钟同步的频偏值，i为自然数，T_a和T_b分别代表两个时间戳被发出时节点R的本地时间；

步骤S12，节点A根据以下公式更新自身当前的相偏:

(公式2)；

若节点A更新后的相偏OFFSET[i]满足：

(公式3)；

则节点A利用下式对自身本地时间进行更新，更新后的节点的自身本地时间CLOCK₀为：

CLOCK₀＝CLOCK+OFFSET[i](公式4)；

在公式3中,ε为节点A的本地时钟周期；CLOCK为更新前的节点A自身本地时间；