一种低功耗无线传感器网络时间同步方法
【专利摘要】本发明提供了一种低功耗无线传感器网络时间同步方法，该方法利用控制包携带同步信息，将时间戳打在周期性的控制包包尾，当接收者接收到同步包后，提取时间戳信息，在线估计同步时延。接收者根据时间校准原理校准自己时间，以局部同步实现全网同步的同步机制。在同步过程中，仅父子节点之间进行同步。利用本发明，可以大大的减少网络中发送时间消息的节点数量，降低同步过程中的网络通信量，从而能在保证时间同步精度的前提下，实现降低无线传感器网络时间同步功耗的目标。
【专利说明】一种低功耗无线传感器网络时间同步方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]传统的时间同步方法主要有NTP (Network Time Protocol)和 GPS (GlobalPosit1ning 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。
[0006]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 Synchronizat1n)。(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 Synchronizat1n)和FTSP(Flooding Time Synchronizat1n 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 (LightweightTree-based Synchronizat1n)。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:
[0007]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。
[0008]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。
[0009]在分布式同步算法中，每个节点决定它自己的同步时间，该算法没有使用生成树。当节点i决定它需要重同步时(由同步精度要求、与时钟源节点的跳数距离和时钟漂移决定)，就发送同步请求到最近的参照节点。然后，沿着从时钟源节点到节点i的路径上的所有节点必须在i节点同步之前同步。这种机制的优点在于一些节点可能很少有事件转发，因此很少需要同步。由于节点有机会决定它自己的同步，这就节约了不必要的同步开销。同时，通过融合同步请求，降低了相同路径上请求的数目，节约了资源。
[0010]在LTS算法中，网络中的节点避免了与多个上层节点同步，而只与其直接父节点同步，减少了消息交换数目和同步时间。该算法目的在于最小化复杂度以此降低能耗，精度一般。算法的运行时间与树的深度成比例，因此具有最小深度的生成树时，收敛时间最短，但构造小的生成树也需要一定计算和通信开销。
【发明内容】
[0011]本发明要解决的技术问题是，在不牺牲同步精度的前提下，针对数据采集场景，提供一种低能耗的无线传感网时间同步方法，能有效降低时间同步的开销，达到减小时间同步能耗的目的。
[0012]为解决上述技术问题，本发明是这样实现的:
[0013]A、周期性同步信息发送，利用BEACON包(控制包)携带同步信息，将时间戳打在周期性的BEACON包包尾，用于节点间进行时间同步。BEACON包结构如图1所示。
[0014]B、当接收者接收到BEACON包后，可以根据时间戳信息校准自己时间。时间戳包括TAR和count信息,表明发送节点当前系统时间。
[0015]假设节点I和2要实现时间同步，节点I为时间基准节点(父节点)，节点2为待同步节点(子节点)。校准原理如下:
[0016]TAR2 = TAR1+ Δ T(I)
[0017]TACCRl2 = TAR2+(INTERVAL-TAR2% INTERVAL)(2)
「 n/TARx ^~
[0018]count.) = count, +(--------)(3)
21 INTERVAL INTERVAL
[0019]TAR1和Count1都可以直接从同步包中提取出来，INTERVAL是常量，因此只有一个未知量AT。
[0020]C、在线估计无线传感网中节点间的同步包时延ΔΤ,可使用3种估计方法:
[0021]1、定值校正法。
[0022]2、跟踪校正法。
[0023]3、小区间均值校正法。
[0024]D、以局部同步实现全网同步的同步机制。所述步骤包括:
[0025]在数据采集树中，所有的数据交换都是在父节点-子节点对中进行，每一个节点都只与其父节点同步，通过树形拓扑实现逐级的全网同步。
[0026]1、网络在初始化时会建立一个以SINK节点为根节点的数据采集树。
[0027]2、SINK节点周期性地发送包含时间戳的BEACON包。3、子结点在收到BEACON包后解析出时间戳，并按照公式(1-3)校准自己的时钟。
[0028]4、每个节点在完成同步(亦即入网)后也会按照SINK节点的方式广播BEACON包，以方便新节点的加入。
[0029]5、新节点加入时会首先侦听一段时间，收集到邻居节点的BEACON后会选取一个父节点，并与之同步，从而完成入网。
[0030]6、当拓扑发生变化时，掉网的节点会首先侦听一段时间，重新选择父节点，并完成同步入网。
[0031]从上述方法可以看出，本发明核心思想是:将时间戳打在周期性的控制包包尾，通过动态估计父子节点的时间同步时延，并利用估计的同步时延对节点时间进行校正，从而实现父子节点间的同步，达到提高无线传感器网络节时间同步精度的目的并且降低网络功耗。
[0032]本发明具有以下优点:
[0033]1、利用周期性控制包携带同步信息，通过将同步信息完全嵌入上层协议栈产生的控制包中，并将时间戳打在周期性的控制包包尾，同步包只需在MAC层的控制包包尾添加9个字节，就能统一实现同步、路由和网络维护等功能。。这样，时间同步将不会带来任何额外的数据包开销，而只是将已有的包长度增加几个字节，可以有效的节省用于时间同步的能耗。
[0034]2、通过分析同步时延的误差分布特性以及时域变化特性，结合时间同步校准原理，提出3种同步时延校正方法:定值校正法、跟踪校正法和小区间均值校正法。3种同步时延校正方法的同步误差的均值及方差都有一定程度的改善，可以达到微秒级(< 100微秒)的同步精度，其同步精度与经典算法TPSN和RBS相当。
[0035]3、针对数据应用场景提出数据采集树，所有的数据交换都是在父节点-子节点对中进行，每一个节点都只与其父节点同步。利用树形拓扑，利用局部的父子节点同步可以实现全网节点的同步，大幅度减少了网络中同步包的发送个数，在保证时间同步精度的前提下，有效的达到可降低网络中节点能耗的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1:控制包的格式说明图。
[0037]图2:说明同步时延与包长呈线性相关性的示意图。
[0038]图3:采用定值校正法的时间同步误差分布示意图。
[0039]图4:采用定值校正法的时间同步误差的时序示意图。
[0040]图5:采用跟踪校正法的时间同步误差分布示意图。
[0041]图6:采用跟踪校正法的时间同步误差的时序示意图。
[0042]图7:两个节点进行时间同步的过程示意图。
[0043]图8:小区间均值校正法的基本原理示意图。
[0044]图9:采用小区间均值校正法的时间同步误差分布示意图。
[0045]图10:采用小区间均值校正法的时间同步误差时序示意图。
【具体实施方式】
[0046]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的实施方式作进一步详细的说明。
[0047]本发明核心思想是:将时间戳打在周期性的控制包包尾，通过动态估计父子节点的时间同步时延，并利用估计的同步时延对节点时间进行校正，从而实现父子节点间的同步，达到提高无线传感器网络节时间同步精度的目的。
[0048]下面首先介绍本发明的实现方法，可选一个包括8MHz MSP430微处理器，1KB RAM寄存器，48KB闪砾寄存器，250kbps射频收发器的传感网硬件节点，节点时间由外部时钟源(晶振)产生，由三个(寄存器)变量TAR、TACCRl和count唯一确定。
[0049]1、TAR是一个16位的硬件寄存器，根据外部时钟源计数，能够得到以tick(ltick=2_15秒)为单位的时间，计时精度达到微秒级。
[0050]2,TACCRl是捕获寄存器，当TAR = TACCRl时能产生HMER中断，通过将TACCRl的递增步长设定为固定值INTERVAL可以对TIMER中断计数，实现更大范围计时。
[0051]3、count是一个32位的软件计数器,记录TIMER中断次数,从而得到毫秒级计时。
[0052]图1为低功耗时间同步方法的时间同步包结构，所谓同步包，即是在包尾打上时间戳的BEACON包。TYPE为标志位，表明是否需要同步；SenderAddr为发送者地址，接收者据此判断是否为其父节点，从而决定是否需要与其同步；TAR和count为时间戳，表明发送节点当前系统时间。由于节点时间由TAR、TACCR1和count唯一确定，所以如果能保证两个节点的这三对参数一致，即能实现时间同步。
[0053]假设节点I和2节点要实现时间同步，节点I为时间基准节点(父节点)，节点2为待同步节点(子节点)。校准原理如下:
[0054]TAR2 = TAR1+ Δ T(I)
[0055]TACCRl2 = TAR2+(INTERVAL-TAR2% INTERVAL)(2)
【权利要求】
1.一种低功耗的无线传感器时间同步方法，其特征在于: (1)周期性同步信息发送，利用控制包携带同步信息； (2)当接收者接收到同步包后，按照时间校准原理，根据时间戳信息校准自己时间； (3)三种时间校正方法在线估计无线传感器网络中节点间的同步包时延AT并进行校正； (4)以局部同步实现全网同步的同步机制，仅需父子节点进行同步。
2.根据权利要求1所述的低功耗无线传感器网络时间同步方法，其特征在于:控制包的包尾打上时间戳，可以节省用于时间同步的能耗，同步包只需在MAC层的包尾添加9个字节，包括:TYPE为标志位,表明是否需要同步；SenderAddr为发送者地址,接收者据此判断是否为其父节点，从而决定是否需要与其同步；TAR和count为时间戳，表明发送节点当前系统时间。
3.根据权利要求1所述的低功耗无线传感器网络时间同步方法，其特征在于:当接收者接收到同步包后，可以根据时间戳信息校准自己时间，节点时间由TAR、TACCRl和count唯一确定，通过保证两个节点的这三对参数一致，可以实现时间同步，其校准原理如下: 假设节点I和2节点要实现时间同步，节点I为时间基准节点(父节点)，节点2为待同步节点(子节点)，校准原理如下:
TAR1和Count1都可以直接从同步包中提取出来，INTERVAL是常量，因此只有一个未知量AT。
4.根据权利要求1所述的低功耗无线传感器网络时间同步方法，其特征在于:提出3种估计方法对无线传感器网络中节点间的同步包时延AT进行在线估计: (1)定值校正法 定值校正法的校准公式如公式(3-4)所示: t2 = tj Δ T3-4 其中，是参考节点的时间，Δ T是同步时延校正参数，t2是校正之后的时间； (2)跟踪校正法 跟踪校正法的校正公式如公式(3-5)所示: ?2,η = tI,!! +(t' 2,n-l_tl,n-1)3-5 其中，下标η,η-1表示采样时刻,下表1，2表示节点号，t1>n, 分别表示参考节点在当前时刻和前一时刻的时间，t' 2,n_i是同步节点在前一时刻校正之前的时间，t2,n是同步节点在校正之后的时间； (3)小区间均值校正法 △ T在短时间小区间内较为稳定，而在长时间大区间内呈周期性变化。于是可以用该小区间内的平均值来估计当前△ T，小区间均值校正法能有效减小在小区间内的同步时延波动。5、根据权利要求1所述的低功耗无线传感器网络时间同步方法，其特征在于:在数据采集树中，所有的数据交换都是在父节点-子节点对中进行，每一个节点都只与其父节点同步，通过树形拓扑以局部同步实现全网同步，同步方式按以下方式处理: (1)网络在初始化时会建立一个以SINK节点为根节点的数据采集树； (2)SINK节点周期性地发送包含时间戳的BEACON包； (3)子结点在收到BEACON包后解析出时间戳，并按照公式(3-1~3_3)校准自己的时钟； (4)每个节点在完成同步(亦即入网)后也会按照SINK节点的方式广播BEACON包，以方便新节点的加入； (5)新节点加入时会首先侦听一段时间，收集到邻居节点的BEACON后会选取一个父节点，并与之同步，从而完成入网； (6)当拓扑发生变化时，掉网的节点会首先侦听一段时间，重新选择父节点，并完成同步入 网。
【文档编号】H04W56/00GK104053223SQ201310090466
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】易卫东, 徐顶鑫, 陈永锐, 王彬华, 孙昊 申请人:中国科学院大学