基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，将网关节点和汇聚节点预先布设在监控现场，传感器节点由作业人员携带；网关节点在网络组建初期发送带有时间戳的“层级建立”广播数据包；通信距离范围内的汇聚节点和传感器节点在接收数据包后，提取层级信息，并将自己的层级修改为当前层级数加1，并按照时间戳修改本地时钟；在网络层级组建完成后，网关节点将作为全局时间，定时轮询向汇聚子节点发送“时间同步”数据包，汇聚节点通过时间同步算法，将本地时钟与全局时间进行同步；传感器节点通过侦听时间同步交互数据包信息，进行本地时钟的时间同步。本发明实现了高精度时间同步，提高无线传感器网络信道利用率和网络生命周期。
【专利说明】基于层次结构的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器网络【技术领域】，具体涉及一种高精度的无线传感器网络时间同步方法。
【背景技术】
[0002]传感器网络由分布式传感器节点组成的面向任务的网络，以协作的方式检测网络分布区域内检测目标的温湿度、声音、压力、速度等物理信息，以自组织方式将信息传送到监控中心，从而实现对目标区域的实时监测。在工农业控制、城市管理、城市安全等许多领域都有重要的研究使用价值。如在变电运维作业中，通过目标人员携带传感器节点，利用超声波信号到达时间差定位目标人员具体位置，从而判断是否在正确的位置对正确的操作对象进行操作，保证作业人员在作业实践活动中安全。
[0003]在无线传感器网络中，保持节点间的时间同步至关重要，它是相关协议稳定运行的基础保障，如标记数据采集时间、目标跟踪、时分多址接入、协同休眠、数据融合等协议。由于晶体振荡器在制造工艺上存在差别并且其振荡频率易受到电压、温湿度以及晶体老化等多种因素的影响，造成了实际振荡频率与标称频率之间存在偏差，而且各节点之间的时钟漂移并不相同，最终导致各节点无法按照要求具有一个共同的时间标志。
[0004]自从2002年Elson等人提出RBS(参考广播时间同步协议)以来，不断有专家学者提出时间同步的算法，如=FTSP (洪范广播时间同步协议)、TPSN (传感器网络时间同步协议)、DMTS(延迟测量时间同步协议)、HTSP(分层时间同步协议)等。目前在传感器节点上实现验证的目前只有RBS算法和TPSN算法。
[0005]理论上已经证明:嵌入式系统中，TPSN同步后的瞬间同步误差是RBS的一半，而且TPSN的功耗也比RBS要小的多。然后TPSN算法存在以下不足:(I)消息交换开销太大；(2)相邻两次同步操作之间，同步误差自由增长；(3)当有新节点加入网络时，需要初始化层次节点，增加了算法的复杂度。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，实现高精度时间同步，提高无线传感器网络信道利用率和网络生命周期，可用于需高精度时间同步的应用领域如变电站运维作业的精确定位监控。
[0007]按照本发明提供的技术方案，所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，将网关节点和汇聚节点预先布设在监控现场，传感器节点由作业人员携带；网关节点在网络组建初期发送带有时间戳的“层级建立”广播数据包；通信距离范围内的汇聚节点和传感器节点在接收数据包后，提取层级信息，并将自己的层级修改为当前层级数加1，并按照时间戳修改本地时钟；汇聚节点在层级确定后，将自己的本地时间作为新的时间戳，层级修改为节点层级，转发“层级建立”数据包；作业人员携带的传感器节点通过侦听时间同步数据包，找出层级数最小的那个汇聚节点作为父节点，并与之进行时间同步；在网络层级组建完成后，网关节点将作为全局时间，定时轮询向汇聚子节点发送“时间同步”数据包，通过双向通信以及确认帧的反馈信息，汇聚节点通过时间同步算法，将本地时钟与全局时间进行同步；通信距离内的传感器节点通过侦听时间同步交互数据包信息，进行本地时钟的时间同步。作业现场的汇聚节点和作业人员携带的传感器节点在时间同步过程中，只接收比自身层级小的时间同步数据包。
[0008] 所述无线传感器网络包括三类节点:网关节点、汇聚节点和传感器节点，所述网关节点，提供时间同步的时间基准，具有数据收集、计算和数据融合功能，为有源供电；所述汇聚节点，具有转发广播数据包的能力，能直接与网关节点进行通信，为有源供电；所述传感器节点具有数据采集功能，仅进行传感数据的信息交互，通过侦听方式实现节点的时间同步，为电池供电。
[0009]在每个网关节点和汇聚节点都包含有定位信息(构成精确定位监控系统)的情况下，在传感器节点设置超声波发射模块，在汇聚节点设置超声波接收模块，根据作业人员携带传感器节点的超声波发射时间，协同作业现场汇聚节点记录的接收时间，计算出作业人员所处的位置。
[0010]进一步的，所述传感器节点可以安装在作业人员的安全帽上。
[0011]所述网关节点发送的“层级建立”广播数据包，包含节点ID号、层级、时间戳。所述“时间同步”数据包包含序列码、节点ID号、层级和时间戳。
[0012]进一步的，假设节点A向节点B发出的时间同步包与节点B发出的应答包的传输延时相等，令t=a T+ε+Td,其中a为时间漂移率，ε为有偶然因素和时间漂移的积累引起的时间偏移，Td为节点间传输过程中引入的误差；
[0013]汇聚节点的时间偏移去(Ct1— T1) — (T2 - t2))来调整本地时间，从而
达到时间同步；为了消除相对时间漂移的影响，汇聚节点在时间同步过程中，建立一个数据表记录η个全局-本地时间对(U1, T1)，(t2, T2)，(t3, T3)…(tn, Tn)),
利用极大似然法或最小二乘法得到a的估计值δ，进而得到时间漂移?一 I =Σin=ι (T1- T)(t1- t)/(liLi(T1- τ)2) - 1，在每秒结尾对汇聚节点的时间漂移进行
补偿；
[0014]与此同时，传感器节点通过侦听时间同步数据包获得时间T1,同时记录接收来自上一层时间同步包的时间t, i，解包获得时间T，侦听应答包获得时间ti和t2 ;假设节点通信范围内，接收到数据包的时间均相等，忽略传输时延，通过传感器节点补偿的时间偏移为
-(ti — T1 + T2 — t2) + T1- q调整本地时钟，完成时间同步。
[0015]该发明具有以下优点:
[0016]①采用定时漂移补偿的双向同步算法，提高时间同步精度；
[0017]②传感器节点采用虚拟双向同步算法，减少消息交互，降低传感器节点的能量开销；
[0018]③传感器节点在层级确定和时间同步阶段，均采用侦听数据包方式，只要在汇聚节点覆盖范围内，可随意增加布设，增强网络的可扩展性；
[0019]④网络中只有汇聚节点与网关节点进行时间同步信息交互，减少信道占用率。【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1本发明的无线传感网络系统结构图。
[0021]图2为时间同步数据包传递过程图。
[0022]图3传输时延分解图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0024]本发明的无线传感器网络由三部分组成:网关节点、汇聚节点SI，S2, , SL、传感器节点NI，N2，…，NN，如图1所示。
[0025]无线传感器网络有三类节点:网关节点，提供时间同步的时间基准，比传感器节点具有更强的发射功率，具有数据收集、计算和数据融合等功能，为有源供电；汇聚节点，是全网进行时间同步的桥梁，具有转发广播数据包的能力，可以直接与网关节点进行通信，为有源供电；传感器节点具有数据采集功能，仅进行传感数据的信息交互，通过侦听方式实现节点的时间同步，为 电池供电。
[0026]本实施例以变电站中的部署为例。网关节点和汇聚节点根据节点的通信距离以及空间排布，预先布设在监控现场。如在变电站精确定位监控系统中，传感器节点可安装在作业人员的安全帽上。网关节点在网络组建初期发送带有时间戳的“层级建立”广播数据包；通信距离范围内的汇聚节点和传感器节点在接收数据包后，提取层级信息，并将自己的层级修改为层级数加1，并按照时间戳修改本地时钟；汇聚节点在层级确定后，将自己的本地时间作为新的时间戳，层级修改为节点层级，转发“层级建立”数据包。作业人员携带的传感器节点通过侦听时间同步数据包，找出层级数最小的那个汇聚节点作为父节点，并与之进行时间同步。
[0027]在网络层级组建完成后，网关节点将作为全局时间，定时轮询向汇聚子节点发送“时间同步”数据包，通过双向通信以及确认帧的反馈信息，汇聚节点通过时间同步算法，将本地时钟与全局时间进行同步。通信距离内的传感器节点通过侦听时间同步交互数据包信息，进行本地时钟的时间同步。如应用于变电站精确定位监控系统，可根据作业人员携带节点的超声波发射时间，协同作业现场汇聚节点记录的接收时间，计算出作业人员所处的位置。
[0028]具体的，网关节点在网络组建初期，发送“层级建立”广播帧，该帧包含节点ID号、层级、时间戳；通信范围内的汇聚节点和传感器节点在收到广播帧后，解析后将ID号作为自己的父节点，将自身的层级修改为数据包中层级数加I,并根据时间戳直接修改本地时钟；汇聚节点完成上述动作后，将自己的ID号，层级和时间作为新的“层级建立”数据包，经过一个随机时间对外转发该广播；汇聚节点在转发广播后，经过一个随机时间，将节点本身的ID号反馈给父节点，建立“父子关系”。直至整个无线网络的层级建立完成。网关节点和汇聚节点是根据空间分布预先布设在监控现场，如在变电站精确定位监控系统中，传感器节点可安装在作业人员的安全帽上。
[0029]在网络层级建立完成后，网关节点采用轮询方式，每隔一段时间如50ms依次向子节点发送时间同步包，其中包含序列码、节点ID号、层级和时间戳Tl ;汇聚节点在接收到同步包后，将接收时间tl和本地时间戳t2加入到应答包中，并将数据包发送给父节点；父节点在收到应答包后，将接收时间T2加入到确认包中，发送给汇聚节点；汇聚节点接收到确认包后，结合之前接收到的时间Tl，记录时间T2和T3，通过同步算法，调整本地时间。作业现场的汇聚节点和作业人员携带的传感器节点在时间同步过程中，只接收比自身层级小的时间同步数据包。时间同步数据包的传递过程如图2所示。
[0030]假设节点A向节点B发出的时间同步包与节点B发出的应答包的传输延时相等，令t=a T+ε+Td,其中a为时间漂移率，ε为有偶然因素和时间漂移的积累引起的时间偏移，Td为节点间传输过程中引入的误差。
[0031]汇聚节点的时间偏移
【权利要求】
1.基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，所述无线传感器网络包括三类节点:网关节点、汇聚节点和传感器节点，其特征是:网关节点和汇聚节点预先布设在监控现场，传感器节点由作业人员携带；网关节点在网络组建初期发送带有时间戳的“层级建立”广播数据包；通信距离范围内的汇聚节点和传感器节点在接收数据包后，提取层级信息，并将自己的层级修改为当前层级数加1，并按照时间戳修改本地时钟；汇聚节点在层级确定后，将自己的本地时间作为新的时间戳，层级修改为节点层级，转发“层级建立”数据包；作业人员携带的传感器节点通过侦听时间同步数据包，找出层级数最小的那个汇聚节点作为父节点，并与之进行时间同步；在网络层级组建完成后，网关节点将作为全局时间，定时轮询向汇聚子节点发送“时间同步”数据包，通过双向通信以及确认帧的反馈信息，汇聚节点通过时间同步算法，将本地时钟与全局时间进行同步；通信距离内的传感器节点通过侦听时间同步交互数据包信息，进行本地时钟的时间同步。
2.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，在每个网关节点和汇聚节点都包含有定位信息的情况下，在传感器节点设置超声波发射模块，在汇聚节点设置超声波接收模块，根据作业人员携带传感器节点的超声波发射时间，协同作业现场汇聚节点记录的接收时间，计算出作业人员所处的位置。
3.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，所述网关节点，提供时间同步的时间基准，具有数据收集、计算和数据融合功能，为有源供电；所述汇聚节点，具有转发广播数据包的能力，能直接与网关节点进行通信，为有源供电；所述传感器节点具有数据采集功能，仅进行传感数据的信息交互，通过侦听方式实现节点的时间同步，为电池供电。
4.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，所述传感器节点安装在作业人员的安全帽上。
5.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，所述网关节点发送的“层级建立”广播数据包，包含节点ID号、层级、时间戳。
6.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，所述“时间同步”数据包包含序列码、节点ID号、层级和时间戳。
7.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，作业现场的汇聚节点和作业人员携带的传感器节点在时间同步过程中，只接收比自身层级小的时间同步数据包。
8.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，假设节点A向节点B发出的时间同步包与节点B发出的应答包的传输延时相等，令t= α T+ ε +Td，其中α为时间漂移率，ε为有偶然因素和时间漂移的积累引起的时间偏移,Td为节点间传输过程中引入的误差； 汇聚节点的时间偏移— T1) — (T2 —12))来调整本地时间，从而达到时间同步；为了消除相对时间漂移的影响，汇聚节点在时间同步过程中，建立一个数据表记录η个全局-本地时间对((t” T1)，(t2, T2)，(t3, T3)…(tn，Tn))，利用极大似然法或最小二乘法得到α的估计值δ，进而得到时间漂移
【文档编号】H04J3/06GK103945525SQ201410182073
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】沈海平, 马娜, 诸军, 姜华, 吴曦 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏省电力公司无锡供电公司