[发明专利]一种基于三级无线传感网的时间同步架构及时间同步方法

说明书

本发明公开的一种基于三级无线传感网的时间同步架构及时间同步方法，该时间同步架构由参考节点、转发节点和采集节点组成；该时间同步方法首先由参考节点发送时间同步指令，之后转发节点接收同步时间指令，并进行延时测量和时间同步指令的帧结构重组，接着转发重组帧后的时间同步指令，采集节点接收时间同步指令，判断指令来源，根据不同的指令来源对时间同步指令进行不同的补偿，并对采集节点的本地晶振时钟抖动进行校准，最后输出高精度的时间信息。本发明公开的时间同步架构能够满足公里级以上的远距离广播时间同步要求，具有可扩展性，公开的时间同步方法能用较小的硬件资源开销来实现稳定、可靠的无线传感网时间同步。

技术领域

本发明属于无线传感网领域，具体涉及一种基于三级无线传感网的时间同步架构及时间同步方法。

背景技术

时间同步是无线传感网络中数据传输节点同步采集和网络调度等技术的基础。在无线传输带宽、节点计算能力和能量受限的前提下，无线传感网中时间同步技术的实现，需尽可能的保证其较低的硬件资源开销和设计复杂度。作为无线传感网技术中的一项关键技术，时间同步技术不仅需要提高时间同步精度来满足高精度信号同步采集的需求，还需要减少时间同步开销，延长设备工作时长，保证系统运行的可靠性。

无线传感网中各采集节点间的时钟差异主要源于采集节点晶振的不一致性。采集节点上电时间的不同引起节点时钟不同的时间偏移，晶振制作工艺和设备工作环境的影响也会产生频率偏差和频率漂移，并进一步导致节点时钟的输出时间产生偏差和漂移。

无论是估计同一时刻不同采集节点的时间差值，还是通过对采集节点的晶振建立时间模型来实现时间同步，节点间进行报文交互的过程都必须面临报文时延的不精确性。报文时延主要是指同步报文从节点发送之后分别经过的发送延时、信道访问延时、传播延时、接收延时和接收处理延时。发送延时是指节点构建同步报文并将报文递交到物理层所用的时间。信道访问延时是指同步报文从检测信道是否空闲到物理层开始发送报文所用的时间，信道访问延时随机性较大，受当前信道空闲度和网络负载状况的影响。传播延时是指节点在媒介中从发送节点传播至接收节点所用的时间。接收延时是指接收节点的物理层通过天线接收同步报文所用的时间。处理延时是指接收节点对报文进行处理的时间。除了上述随机性较大的发送延时、信道访问延时和处理延时之外，传输过程中存在的噪声经常会在同步报文的时延中引入部分符合高斯或者指数分布的时延。

为了解决上述各种非理想因素引起的时间同步的不准确性，现有技术方案多是基于接收-接收模式的时间同步机制。

基于接收-接收模式的同步机制由参考节点向其广播范围内的采集节点广播不携带任何时间信息的参考同步报文。收到参考同步报文的节点会向另一个节点发送接收到该参考同步报文的绝对本地时间。此时另一个节点可以根据收到的接收时间和自身记录的接收时间得到参考同步报文到达不同节点的时间差值，即两个节点的时间差值。

接收-接收模式下的同步协议以同一参考同步报文到达不同节点应当为同一个时刻为出发点。通过节点间交换接收时间得到节点间的时间差值。补偿该时间差值来实现节点间的时间同步，接收-接收模式下节点m和节点n的时间差值为：

N为接收节点总数，T_mi和T_ni分别代表参考节点发送同步报文到达节点m和n的时间值。

接收-接收模式的同步机制下的同步协议虽然能够实现较高的同步精度，但是需要大量的参考同步报文和节点间交互报文。这种时间同步方法硬件资源开销较大，对网络节点的部署要求较高。随着节点数目的增加，时间同步计算的复杂度将成倍增加。若其中一个节点的本地绝对时间出现偏差，将会影响整个无线传感网所有节点的同步精度，所以稳定性和可靠性较差。在特殊应用领域，如隧道和水下监测无线传感网领域，该机制的时间同步协议无法满足公里级以上的远距离广播时间同步的要求，由此限制了应用场合，扩展性较差。