專利名稱：基于誤差統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步技術(shù)，尤其是一種基于誤差統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法及裝置。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點以自組織方式構(gòu)成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)同地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式智能信息處理等技術(shù)，具有規(guī)模大、成本低、組網(wǎng)靈活等特點，已經(jīng)廣泛應用于軍事、科研、工業(yè)監(jiān)控、醫(yī)療等領(lǐng)域。
時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能之一，對于提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體性能具有重要意義。如在目標跟蹤系統(tǒng)中，多個傳感器節(jié)點協(xié)同工作來完成對目標運動速度和運動軌跡的監(jiān)測，這需要節(jié)點之間保持時間的一致，通過交換各自的監(jiān)測信息，根據(jù)信息中的時間先后關(guān)系，來對目標的運動速度、方向和軌跡等進行計算。例如，在停車場車位管理系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)收集型網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點需要定期地采集數(shù)據(jù)，并傳送給匯聚節(jié)點進行處理，傳感器節(jié)點需要保持時間的一致性，才能保證所有節(jié)點同時對數(shù)據(jù)進行采集。
在已知的現(xiàn)有技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步方法主要包括RBS(ReferenceBroadcast Synchronization)參考廣播同步方法，DMTS(Delay Measurement TimeSynchronization)延遲測量時間同步方法和TPSN(Timing-sync Protocol for SensorNetworks)時間同步方法。這幾種方法都從不同的角度入手，通過減少消息傳播關(guān)鍵路徑上的傳播延遲引入的誤差來提高時間同步精度，具有各自的優(yōu)缺點。RBS時間同步方法中雖然消除了發(fā)送端傳播延遲引入的同步誤差，提高了同步精度，但是這種方法只適用于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，擴展性差，交換消息數(shù)量多；DMTS時間同步方法復雜度低，容易擴展到大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，但對消息傳播延遲的補償是一個固定值，不能適應網(wǎng)絡(luò)部署情況的變動，同步精度相對較低；TPSN時間同步方法將NTP時間同步方法引入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，取得了比較好的精度，但是同步過程復雜度相對較大，交換的消息數(shù)量多，收斂速度慢。具體而言，上述方法對傳播延遲引入的誤差的估計，不能實際反映出網(wǎng)絡(luò)的整體延遲情況。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于誤差統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法(An Error Statistic Based Time Synchronization Protocol)，簡稱ESTS，以及用于實現(xiàn)該方法的裝置。
基于誤差統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法中，通過動態(tài)均勻地抽取網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點作為延遲統(tǒng)計節(jié)點，對同步過程中消息的傳播延遲進行實際測量，客觀地反映了網(wǎng)絡(luò)實際的部署情況和傳播延遲，并通過洪泛過程對由此而引起的同步誤差進行補償。這種方法具有良好的自適應性、可擴展性和較高的同步精度，在同步精度和能量消耗之間取得了很好的折中。
基于誤差統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法包括以下步驟1)利用同步命令消息的洪泛過程在短時間內(nèi)達到網(wǎng)絡(luò)低精度時間同步，同時建立網(wǎng)絡(luò)樹狀層次結(jié)構(gòu)；2)利用洪泛消息傳播的單向性，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際部署情況，動態(tài)均勻地選取部分網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點作為延遲統(tǒng)計節(jié)點；3)延遲統(tǒng)計節(jié)點利用網(wǎng)絡(luò)樹狀層次結(jié)構(gòu)，通過向匯聚節(jié)點發(fā)送延遲統(tǒng)計消息，統(tǒng)計同步命令消息從匯聚節(jié)點到延遲統(tǒng)計節(jié)點、以及延遲統(tǒng)計消息從延遲統(tǒng)計節(jié)點到匯聚節(jié)點路徑上的傳播延遲；4)根據(jù)收到的延遲統(tǒng)計消息，匯聚節(jié)點計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳傳播延遲；5)利用延遲補償消息的洪泛過程，節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)平均每跳傳播延遲和距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)，對同步精度進行補償，達到網(wǎng)絡(luò)高精度時間同步。
根據(jù)本發(fā)明的另一目的，用于實現(xiàn)上述方法的裝置即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點負責采集各種感知數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點采集的數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點負責收集傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中通常只有一個匯聚節(jié)點，其它節(jié)點均為傳感器節(jié)點。這些節(jié)點在同步過程中被組織成樹狀的層次結(jié)構(gòu)，以匯聚節(jié)點為根節(jié)點。
其中，匯聚節(jié)點包括消息的發(fā)送和接收模塊、系統(tǒng)時間模塊、時間戳模塊、時間同步的啟動模塊、計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳延遲的模塊和誤差補償?shù)膯幽K。各模塊間的關(guān)系如圖6所示。
消息的發(fā)送和接收模塊負責發(fā)送和接收各種同步消息；系統(tǒng)時間模塊維持節(jié)點的本地時鐘；時間戳模塊為各種同步消息添加時間信息，時間戳模塊通過系統(tǒng)時間模塊獲取消息發(fā)送時的系統(tǒng)時間。
時間同步的啟動模塊通過發(fā)送同步命令消息啟動網(wǎng)絡(luò)的同步過程，消息中含有匯聚節(jié)點的節(jié)點編號和延遲累計字段，通過消息的發(fā)送和接收模塊發(fā)送給接收節(jié)點，并在消息的發(fā)送和接收模塊發(fā)送消息時，由時間戳模塊為消息添加時間信息。
計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳延遲的模塊通過消息的發(fā)送和接收模塊接收延遲統(tǒng)計節(jié)點發(fā)送來的延遲統(tǒng)計消息，根據(jù)消息中的延遲統(tǒng)計字段和消息經(jīng)過的跳數(shù)計算消息的平均每跳傳播延遲。
誤差補償?shù)膯幽K通過消息的發(fā)送和接收模塊向網(wǎng)絡(luò)中洪泛延遲補償消息，延遲補償消息中含有網(wǎng)絡(luò)的平均每跳傳播延遲，啟動誤差補償過程。
傳感器節(jié)點包括消息的發(fā)送和接收模塊、系統(tǒng)時間模塊、時間戳模塊、時間同步模塊、網(wǎng)絡(luò)平均每跳延遲的統(tǒng)計模塊、同步精度的補償模塊和定時器模塊。各模塊間的關(guān)系如圖7所示。
消息的發(fā)送和接收模塊實現(xiàn)發(fā)送和接收各種同步消息的功能；系統(tǒng)時間模塊維持節(jié)點的本地時鐘；時間戳模塊為各種同步消息添加時間信息，時間戳模塊通過系統(tǒng)時間模塊獲取消息發(fā)送時的系統(tǒng)時間。
時間同步模塊接收同步命令消息，根據(jù)同步命令消息中的時間戳信息，調(diào)整節(jié)點的本地時間，完成同消息發(fā)送節(jié)點的時間同步；同時將消息的發(fā)送節(jié)點作為自己的父節(jié)點，記錄距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)，計算同步命令消息中的延遲累計字段；然后再通過消息的發(fā)送接收模塊轉(zhuǎn)發(fā)出去。
定時器模塊用于協(xié)助判斷節(jié)點是否是延遲統(tǒng)計節(jié)點，節(jié)點在通過消息發(fā)送和接收模塊轉(zhuǎn)發(fā)同步命令消息后，啟動定時器；如果定時器超時前收到了其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的同步命令消息，則節(jié)點不是延遲統(tǒng)計節(jié)點，否則節(jié)點是延遲統(tǒng)計節(jié)點。
網(wǎng)絡(luò)平均每跳延遲的統(tǒng)計模塊用于處理和轉(zhuǎn)發(fā)延遲統(tǒng)計消息，延遲統(tǒng)計消息中含有路徑上的累計延遲和所經(jīng)過的跳數(shù)；如果節(jié)點是延遲統(tǒng)計節(jié)點，則節(jié)點通過消息的發(fā)送和接收模塊向父節(jié)點發(fā)送延遲統(tǒng)計消息；如果節(jié)點不是延遲統(tǒng)計節(jié)點，節(jié)點在收到延遲統(tǒng)計消息后，會按照方法中所述的方式計算延遲累計字段，將跳數(shù)字段加一，然后通過消息的發(fā)送和接收模塊發(fā)送給自己的父節(jié)點。
同步精度的補償模塊用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)誤差補償消息，對自己的同步精度進行補償；節(jié)點收到誤差補償消息后，會根據(jù)自己距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)和消息中的網(wǎng)絡(luò)平均每跳延遲對自己的同步精度進行補償；然后再通過消息的發(fā)送和接收模塊將消息轉(zhuǎn)發(fā)出去。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于通過洪泛的方式，使網(wǎng)絡(luò)在短時間內(nèi)達到低精度的時間同步，并建立網(wǎng)絡(luò)的樹狀層次結(jié)構(gòu)；通過動態(tài)均勻地抽取網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點作為延遲統(tǒng)計節(jié)點，對同步過程中消息的傳播延遲進行實際測量，客觀的反映了網(wǎng)絡(luò)中的傳播延遲，通過洪泛誤差補償消息對傳播延遲引入的同步誤差進行補償，大大提高了時間同步的精度。這種方法具有良好的自適應性、可擴展性和較高的同步精度，在同步精度和能量消耗之間取得了很好的折中。


圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲示意2時間同步方法流程3時間同步命令消息格式圖4延遲統(tǒng)計節(jié)點的選取示意5延遲統(tǒng)計原理示意6匯聚節(jié)點裝置的模塊關(guān)系7傳感器節(jié)點裝置的模塊關(guān)系8實驗--時間同步過程示意9實驗--廣播時間查詢消息示意圖具體實施方案下面參照附圖并結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
ESTS時間同步方法的流程如圖2所示，匯聚節(jié)點通過其時間同步的啟動模塊廣播同步命令消息、啟動時間同步過程。同步命令的消息格式如圖3所示，其中，hop代表發(fā)送該消息的節(jié)點距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)；nodeId是發(fā)送該消息的節(jié)點編號；sendTimeStamp是發(fā)送該消息時加入的時間戳，表示發(fā)送該消息指定字節(jié)時節(jié)點的本地時間；delay記錄同步過程中的傳播累積延遲，初始化為0；匯聚節(jié)點的鄰居節(jié)點(傳感器節(jié)點)收到同步命令消息后，節(jié)點首先記錄收到該消息的時間，稱為接收時間戳receiveTimeStamp，該時間戳是節(jié)點接收消息指定字節(jié)時讀取的本地系統(tǒng)時間，記錄hop字段+1作為距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)，記錄消息中的nodeId作為自己的父節(jié)點。然后節(jié)點按照公式1調(diào)整本地系統(tǒng)時間，實現(xiàn)與匯聚節(jié)點之間的時間同步，其中Tcurrent是節(jié)點的本地時間。同步完成后，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該同步命令消息，nodeId字段設(shè)置為自身的節(jié)點編號，hop字段設(shè)置為自己距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)，并在MAC層發(fā)送時為消息添加sendTimeStamp字段。
Tcurrent＝Tcurrent+(sendTimeStamp-receiveTimeStamp)公式1
距離匯聚節(jié)點兩跳的節(jié)點收到同步命令消息后，進行類似的處理。依此類推，同步命令消息逐步在網(wǎng)絡(luò)中傳播，最后達到整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。節(jié)點只對收到的第一個同步命令消息進行處理，隨著同步消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳播，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都會與父節(jié)點同步，根據(jù)記錄的父節(jié)點的編號和距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)，在低精度時間同步的同時建立網(wǎng)絡(luò)的樹狀層次關(guān)系。
上述過程中，同步命令消息以洪泛方式從匯聚節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)邊緣傳播，由于節(jié)點僅對收到的第一個同步命令消息進行處理并轉(zhuǎn)發(fā)，同步命令消息以類似于同心圓的形式向網(wǎng)絡(luò)邊緣擴散，最后消息到達網(wǎng)絡(luò)的邊緣并停止傳播。在網(wǎng)絡(luò)邊緣上，總會有這樣的一些節(jié)點，它們是鄰近區(qū)域內(nèi)最后收到同步消息的節(jié)點。如圖4所示，標有N0的節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中不同區(qū)域內(nèi)最后收到同步消息的節(jié)點。這些節(jié)點會比較均勻的分布在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，選取這些邊緣節(jié)點作為N0進行延遲統(tǒng)計，能夠比較客觀地反映出網(wǎng)絡(luò)中的延遲情況。如果N0節(jié)點的數(shù)量太大，可以以一定的概率舍棄一些節(jié)點，這樣能夠避免在統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)平均延遲時產(chǎn)生過多的通信開銷。
實現(xiàn)過程中使用定時器，節(jié)點在收到第一個同步命令消息后，節(jié)點會首先進行同步，然后轉(zhuǎn)發(fā)該同步命令消息。節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)該消息后，啟動一個定時器，如果在定時器超時的時候沒有收到其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的同步命令消息，則節(jié)點認為自己是網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點；如果在超時前收到了同步命令消息，則認為自己不是網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點。
延遲統(tǒng)計節(jié)點通過向匯聚節(jié)點發(fā)送延遲統(tǒng)計消息完成延遲統(tǒng)計過程。延遲統(tǒng)計過程如圖5所示，假設(shè)一個消息從匯聚節(jié)點出發(fā)，沿著匯聚節(jié)點->N1->N2->…->Nn-1->N0路徑到達N0節(jié)點，此后該消息又沿著相反的路徑傳回到匯聚節(jié)點。假設(shè)消息在Trs時刻(匯聚節(jié)點的本地時間)從匯聚節(jié)點發(fā)送出去，在T1r時刻(N1節(jié)點的本地時間)N1節(jié)點收到了該消息，在T1s時刻(N1節(jié)點的本地時間)N1節(jié)點將消息轉(zhuǎn)發(fā)給N2節(jié)點。N0節(jié)點在T0r時刻(N0節(jié)點的本地時刻)收到該消息，然后在T0s時刻(N0節(jié)點的本地時刻)將消息轉(zhuǎn)發(fā)給Nn-1節(jié)點，依次類推，最后消息在T’rr時刻(匯聚節(jié)點的本地時間)回到匯聚節(jié)點。
T’rr-Trs是消息從離開匯聚節(jié)點，到重新回到匯聚節(jié)點所經(jīng)歷的時間，即消息在網(wǎng)絡(luò)中傳播的時間。Δti＝Tis-Tir和Δti′＝Tis′-Tir′(i＝1，2，…n-1)分別是消息在第i個節(jié)點兩次停留的時間，即第i個節(jié)點在收到消息，到發(fā)送該消息所經(jīng)歷的時間。假設(shè)τ是兩個節(jié)點之間的傳播延遲，則有下列公式，通過公式2可以解得網(wǎng)絡(luò)中的每跳平均延遲τ。
Trr′=Trs+τ+Δt1+τ+Δt2+···+τ+Δt0+τ+···+Δt2′+τ+Δt1′+τ]]>=Trs+2nτ+(Σi=1n-1Δti+Δt0+Σi=1n-1Δti′)]]>公式2
τ=(Trr′-Trs)-[Σi=1n-1(Tis-Tir)+(T0s-T0r)+Σi=1n-1(Tis′-Tir′)]2n]]>公式3延遲的統(tǒng)計過程在快速同步階段就已經(jīng)開始，同步命令消息中的delay字段就是用于延遲的統(tǒng)計。匯聚節(jié)點在廣播同步命令消息時，將delay字段初始化為0；如圖5所示，節(jié)點N1在收到同步命令消息后，首先完成節(jié)點同步，然后計算ΔT1＝T1r-Trs，將結(jié)果累加到delay字段；并廣播給下一跳節(jié)點，下一跳節(jié)點在收到同步命令消息時也作類似的處理。
當消息傳輸?shù)絅0節(jié)點，N0節(jié)點是通過上述延遲統(tǒng)計節(jié)點的選取過程選出的節(jié)點。N0節(jié)點的定時器超時的時侯，沒有收到其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的同步命令消息，N0節(jié)點將發(fā)起延遲統(tǒng)計過程，N0節(jié)點向自己的父節(jié)點發(fā)送延遲統(tǒng)計消息，格式類似于同步命令消息，消息中包括已有的延遲和N0節(jié)點距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)；父節(jié)點收到該消息后，將消息中的跳數(shù)字段加1，delay字段的處理與快速同步階段相同，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給自己的父節(jié)點；消息逐跳的向匯聚節(jié)點傳輸，最后到達匯聚節(jié)點，并作相應的處理。此時消息中的delay字段中含有整個過程中的消息傳播延遲，跳數(shù)字段含有消息經(jīng)過的總跳數(shù)，據(jù)此計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳傳播延遲。
匯聚節(jié)點在收到一定數(shù)目的延遲統(tǒng)計消息后計算整個網(wǎng)絡(luò)的平均每跳延遲。然后匯聚節(jié)點廣播延遲補償消息，消息中包含網(wǎng)絡(luò)平均每跳延遲。每個節(jié)點在收到延遲補償消息后，根據(jù)自己距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)hop和網(wǎng)絡(luò)平均每跳延遲error對自己的時鐘進行如下校正Tcorrected＝Tcurrent+hop×error，其中，Tcurrent是節(jié)點的當前時間，Tcorrected是校正后的時間。然后廣播轉(zhuǎn)發(fā)誤差補償消息，節(jié)點僅對收到的第一個誤差補償消息進行處理。
為了更好地對本發(fā)明的優(yōu)勢進行描述，我們使用Mica2節(jié)點，在TinyOS操作系統(tǒng)下對ESTS方法進行了實現(xiàn)，對同步精度進行了實際的網(wǎng)絡(luò)測量，并與已有的同步方法進行了比較。
精度測量利用了無線信道的廣播特性，在一跳的通信范圍內(nèi)的多個節(jié)點，如果其中一個節(jié)點廣播消息，其它節(jié)點幾乎會在同一時間收到該消息。通過比較每個節(jié)點收到廣播消息的時間，可以比較節(jié)點之間的時間偏差。在試驗中將所有節(jié)點放置在一跳通信范圍之內(nèi)，通過指定同步消息的傳播路徑來達到多跳網(wǎng)絡(luò)的效果。設(shè)置一個輔助節(jié)點，進行節(jié)點同步精度測量，在網(wǎng)絡(luò)完成時間同步后廣播一個消息，然后逐一查詢網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點收到該消息的時間，每個節(jié)點收到消息的時間同匯聚節(jié)點收到消息的時間相比較，就是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的同步誤差。
如圖8所示，實驗中使用8個節(jié)點組成一個7跳的網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點編號為0，其它節(jié)點根據(jù)距離匯聚節(jié)點的遠近依次為1號，2號，…，7號節(jié)點。所有節(jié)點都放在一跳的通信范圍內(nèi)，但是每個節(jié)點僅同自己相鄰的節(jié)點通信(編號比自己小1的和編號比自己大1的，0號節(jié)點僅與1號節(jié)點通信，7號節(jié)點僅與6號節(jié)點通信)。匯聚節(jié)點發(fā)起時間同步過程，同步消息從匯聚節(jié)點依次廣播到7號節(jié)點，如圖8中標有①的過程。延遲統(tǒng)計消息從7號節(jié)點沿著相反的路徑回到匯聚節(jié)點，如圖8中標有②的過程。
當匯聚節(jié)點收到1號節(jié)點傳上來的延遲統(tǒng)計消息后，匯聚節(jié)點不再廣播誤差補償消息，而是向輔助節(jié)點發(fā)送請求，請求消息中含有網(wǎng)絡(luò)平均每跳傳播延遲，圖8中標有③的過程。輔助節(jié)點收到請求消息后，廣播時間查詢消息。0～7號節(jié)點收到該消息時，記錄收到該消息的接收時間戳，如圖9中所示。
輔助節(jié)點發(fā)送廣播消息后，依次查詢0～7號節(jié)點記錄的接收時間戳。輔助節(jié)點首先對查詢的1～7號節(jié)點的接收時間戳進行補償，在每個節(jié)點的接收時間戳上加上平均每跳傳播延遲與節(jié)點距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)之積，然后減去匯聚節(jié)點的接收時間戳，就是每個節(jié)點同匯聚節(jié)點之間的同步誤差。
試驗共進行了12次，單跳平均同步精度是7.56μs。我們對現(xiàn)有的時間同步方法和ESTS時間同步方法從3個方面進行了比較單跳平均同步精度、收斂速度和同步過程中的能量消耗。從表1中可以看到ESTS時間同步方法的單跳平均同步精度為7.56μs，收斂速度較快。能量消耗是通過同步過程中交換的消息數(shù)量來衡量，ESTS在時間同步過程中的能量消耗比較距常，沒有過多的能量開銷。

表1時間同步方法性能對比其中，表1中的RBS、DMTS、TPSN的各項數(shù)據(jù)分別來自以下文獻[1].J.Elson，L Girod，and D.Estrin.Fine-Grained Network Time Synchronization usingReference Broadcasts.Proc.Fifth Symposium on Operating Systems Design andImplementation(OSDI2002)，Vol 36，pp.147-163，2002. .Ping S.Delay measurement time synchronization for wireless sensor networks.IntelResearch Berkeley lab，June 2003.Http://www.intel research.net/publication/Berkely/081120031327 137.pdf .Ganeriwal S，Kumar R，Srivastava M B.Timing-sync protocol for sensor networks.InProc1st Int’l Conf on Embedded Networked Sensor Systems(SenSys 2003)，Los Angels，CA.November 5-7，2003.138～149。
權(quán)利要求
1.一種基于誤差統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，包括如下步驟1)利用同步命令消息的洪泛過程在短時間內(nèi)達到網(wǎng)絡(luò)低精度時間同步，同時建立網(wǎng)絡(luò)樹狀層次結(jié)構(gòu)；2)利用洪泛消息傳播的單向性，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際部署情況，動態(tài)選取部分或全部網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點作為延遲統(tǒng)計節(jié)點；3)延遲統(tǒng)計節(jié)點利用網(wǎng)絡(luò)樹狀層次結(jié)構(gòu)，通過向匯聚節(jié)點發(fā)送延遲統(tǒng)計消息，統(tǒng)計同步命令消息從匯聚節(jié)點到延遲統(tǒng)計節(jié)點、以及延遲統(tǒng)計消息從延遲統(tǒng)計節(jié)點到匯聚節(jié)點路徑上的傳播延遲；4)根據(jù)收到的延遲統(tǒng)計消息，匯聚節(jié)點計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳傳播延遲；5)利用延遲補償消息的洪泛過程，節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)平均每跳傳播延遲和距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)，對同步精度進行補償，達到網(wǎng)絡(luò)高精度時間同步。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的同步命令消息包括以下信息發(fā)送該消息的節(jié)點距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)、發(fā)送該消息的節(jié)點編號、發(fā)送該消息指定字節(jié)時節(jié)點的本地時間、同步過程中的傳播累積延遲。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點是這樣確定的傳感器節(jié)點僅對收到的第一個同步命令消息進行處理并轉(zhuǎn)發(fā)，在轉(zhuǎn)發(fā)該消息后，啟動一個定時器，如果在定時器超時的時候沒有收到其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的同步命令消息，則認為自己是網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點。
4.一種基于誤差統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點以匯聚節(jié)點為根節(jié)點組成樹狀結(jié)構(gòu)，其中，傳感器節(jié)點用于采集各種感知數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點采集的數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點用于收集傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求4所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述的匯聚節(jié)點包括以下功能模塊消息的發(fā)送和接收模塊，用于發(fā)送和接收各種同步消息；系統(tǒng)時間模塊，用于維持節(jié)點的本地時鐘；時間戳模塊，用于為各種同步消息添加時間信息，所述的時間戳模塊通過系統(tǒng)時間模塊獲取消息發(fā)送時的系統(tǒng)時間；時間同步的啟動模塊，用于通過發(fā)送同步命令消息啟動網(wǎng)絡(luò)的同步過程；計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳延遲的模塊，用于通過消息的發(fā)送和接收模塊接收延遲統(tǒng)計節(jié)點發(fā)送來的延遲統(tǒng)計消息，根據(jù)消息中的延遲統(tǒng)計字段和消息經(jīng)過的跳數(shù)計算消息的平均每跳傳播延遲；誤差補償?shù)膯幽K，用于通過消息的發(fā)送和接收模塊向網(wǎng)絡(luò)中洪泛延遲補償消息，延遲補償消息中含有網(wǎng)絡(luò)的平均每跳傳播延遲，啟動誤差補償過程。
6.如權(quán)利要求4所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述的傳感器節(jié)點包括以下功能模塊消息的發(fā)送和接收模塊，用于發(fā)送和接收各種同步消息；系統(tǒng)時間模塊，用于維持節(jié)點的本地時鐘；時間戳模塊，用于為各種同步消息添加時間信息，所述的時間戳模塊通過系統(tǒng)時間模塊獲取消息發(fā)送時的系統(tǒng)時間；時間同步模塊，用于接收同步命令消息并完成同消息發(fā)送節(jié)點的時間同步；定時器模塊，用于協(xié)助判斷節(jié)點是否是延遲統(tǒng)計節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)平均每跳延遲的統(tǒng)計模塊，用于處理和轉(zhuǎn)發(fā)延遲統(tǒng)計消息；同步精度的補償模塊，用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)誤差補償消息，對本節(jié)點的同步精度進行補償。
全文摘要
基于誤差統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，包括步驟利用同步命令消息的洪泛過程在短時間內(nèi)達到網(wǎng)絡(luò)低精度時間同步，同時建立網(wǎng)絡(luò)樹狀層次結(jié)構(gòu)；動態(tài)選取部分或全部網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點作為延遲統(tǒng)計節(jié)點；統(tǒng)計同步命令消息從匯聚節(jié)點到延遲統(tǒng)計節(jié)點、以及延遲統(tǒng)計消息從延遲統(tǒng)計節(jié)點到匯聚節(jié)點路徑上的傳播延遲；計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳傳播延遲；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)平均每跳傳播延遲和距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)，對同步精度進行補償，達到網(wǎng)絡(luò)高精度時間同步。用于實現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點以匯聚節(jié)點為根節(jié)點組成樹狀結(jié)構(gòu)。這種方法具有良好的自適應性、可擴展性和較高的同步精度，在同步精度和能量消耗之間取得了很好的折中。
文檔編號H04B7/26GK101087219SQ20061001218
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者孫利民, 王海東, 何慶偉, 柯欣 申請人:中國科學院軟件研究所