專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于鎖相環(huán)的時間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor network)中的時間同步指使網(wǎng)絡(luò)中所有或部分節(jié)點(diǎn)擁有相同的時間基準(zhǔn)，即不同節(jié)點(diǎn)保持相同的時鐘，或者節(jié)點(diǎn)可以彼此將對方的時鐘轉(zhuǎn)換為本地時鐘。造成傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間時鐘不一致的因素主要包括溫度、壓力、電源電壓等外界環(huán)境變化引起的時鐘頻率漂移造成的失步。不同節(jié)點(diǎn)的時鐘初始值也各不相同，一方面，開發(fā)過程中設(shè)定的初始值不同；另一方面，為節(jié)省能耗，節(jié)點(diǎn)通常依賴外部被觀測事件頻繁休眠和啟動，時間間隔差異也可能造成新的同步過程中時鐘初值的差異。此外，特殊事件處理對時鐘的影響也會造成時鐘誤差。
時間同步是眾多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的共性支撐技術(shù)。概括來講，與時間同步緊密相關(guān)的應(yīng)用主要集中在多傳感器數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、觀測事件與自然時間關(guān)聯(lián)、低能耗設(shè)計、測距定位和協(xié)同工作等方面。因為無線自組織網(wǎng)絡(luò)特有的屬性和設(shè)計要求，傳統(tǒng)的時間同步技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)和全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星(GPS)授時等，無法應(yīng)用在WSN中。
在計算機(jī)系統(tǒng)中，時鐘通常是用晶體振蕩器脈沖來度量的，即c(t)=λ∫0tω(τ)dτ+c(t0)...(1)]]>其中，ω(τ)是晶振的頻率，λ是依賴于晶振物理特性的常量，t是真實(shí)時間變量，c(t)是構(gòu)造的本地時鐘，間隔c(t)-c(t0)被用來作為度量時間。對于理想的時鐘，我們有r(t)＝dc(t)/dt＝1，也就是說理想時鐘的變化速率r(t)為1，但工程實(shí)踐中，因為溫度、壓力、電源電壓等外界環(huán)境的變化往往會導(dǎo)致晶振頻率產(chǎn)生波動，因此，構(gòu)造理想時鐘比較困難。但一般情況下，晶振頻率的波動幅度并非任意的，而是局限在一定的范圍之內(nèi)。為了描述和分析的方便，定義如下三種時鐘模型(1)速率恒定模型速率恒定模型假定時鐘速率r(t)＝dc(t)/dt是恒定的，即晶振頻率沒有波動發(fā)生。當(dāng)要求的時鐘精確度遠(yuǎn)低于頻率波動導(dǎo)致的偏差時，該模型的假定應(yīng)該是合理的。
(2)飄移有界模型定義時鐘速率r(t)相對于理想速率1的偏差為時鐘飄移(Drift)ρ(t)，即ρ(t)＝r(t)-1。飄移有界模型滿足下面的約束條件-ρmax≤ρ(t)≤ρmaxt (2)此外，我們還有ρ(t)＞-1，它的物理意義是時鐘永遠(yuǎn)不會停止(ρ(t)＝-1)，或倒走(ρ(t)＜-1)。因為硬件設(shè)備廠商可以給出晶振頻率變化的范圍，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用的低成本的晶振，一般有ρmax∈[10，100]ppm(ppm百萬分之一。飄移為100ppm的時鐘在一百萬秒中將會發(fā)生100秒的偏差，或者1秒中出現(xiàn)100微秒的偏移。)，因此，飄移有界模型在工程實(shí)踐中非常有用，常用來確定時鐘的精度或誤差的上下界。
(3)飄移變化有界模型該模型假定時鐘飄移的變化ξ(t)＝dρ(t)/dt是有界的，即-ξmax≤ξ(t)≤ξmaxt (3)時鐘漂移的變化主要是溫度和電源電壓等因素變化引起的，一般變化速率相對緩慢，可以通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償算法加以修正。
假定c(t)是一個理想的時鐘。如果在t時刻，有c(t)＝ci(t)時鐘，我們稱時鐘ci(t)在t時刻是準(zhǔn)確的(Correct)；如果dc(t)/dt＝dci(t)/dt，則稱時鐘ci(t)在t時刻是精確的(Accuracy)；而如果ci(t)＝ck(t)，則稱時鐘ci(t)在t時刻與時鐘ck(t)是同步的(Synchronized)。上述定義表明兩個同步時鐘不一定是準(zhǔn)確或精確的，時間同步與時間的準(zhǔn)確性和精度沒有必然的聯(lián)系，只有實(shí)現(xiàn)了與理想時鐘(即真實(shí)的物理時間)的完全同步之后，三者才是統(tǒng)一的。對于大多數(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言，只需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間的時間同步，這就意味著節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)同步的時鐘可以是不精確，甚至是不準(zhǔn)確的。
如果采用時鐘速率恒定模型，由(1)式，時鐘ci(t)可以簡化表示為ci(t)＝ait+bi(4)ai和bi為對應(yīng)時鐘ci(t)的參數(shù)，由此可知，時鐘ci(t)和ck(t)之間應(yīng)該存在如下的線性關(guān)系ci(t)＝aikck(t)+bik(5)其中，aik和bik分別稱為相對飄移量和相對偏移量。上式給出了兩種基本的同步原理偏移補(bǔ)償和飄移補(bǔ)償。如果在某個時刻，通過一定的算法求得了bik，也就意味著在該時刻實(shí)現(xiàn)時鐘ci(t)和ck(t)的同步。
自2002年J.Elson和Kay Romer在HotNets這一影響未來網(wǎng)絡(luò)研究發(fā)展方向的國際權(quán)威學(xué)術(shù)會議上首次提出和闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步的研究課題以來，到目前為止，已經(jīng)提出了近十種不同的實(shí)現(xiàn)算法，典型的有RBS(參考廣播同步)、DMTS(延時測量時間同步)、FTSP(泛洪時間同步協(xié)議)、AD(異步擴(kuò)散)、TPSN(傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議)、TS/MS(Tiny-Sync and Mini-Sync，微同步和小同步)、LTS(輕量級時間同步)和TSync(時間同步)。分析已有的同步機(jī)制與算法，它們大多采用了兩類基本的同步機(jī)制單向廣播(Unidirectional broadcast)同步和雙向成對(Bidirectional pair-wise)同步，其中RBS、DMTS、FTSP和AD屬于前者，TPSN、TS/MS和LTS屬于后者，而需要多信道支持的TSync則組合應(yīng)用了兩種機(jī)制，在控制信道上廣播同步消息，在時鐘信道上卻采用成對同步確定時鐘偏移。雙向成對同步的原理如圖1。
節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送同步分組1，節(jié)點(diǎn)B用它的時鐘記錄收到該分組的時間T2，則T2＝T1+D+d，其中D是傳輸時間，d是節(jié)點(diǎn)A和B之間的時鐘偏移量(offset)。之后，B向A發(fā)送一個攜帶T2的分組2，同時加蓋了時戳T3。節(jié)點(diǎn)A在T4收到分組2，那么，T4＝T3+D-d.。假設(shè)時鐘偏移量和傳播延遲在較小的時間尺度內(nèi)不發(fā)生改變，則節(jié)點(diǎn)A通過(4)式便可以計算出時鐘偏移量d和傳輸延遲Dd=(T2-T1)-(T4-T3)2;D=(T2-T1)+(T4-T3)2,...(6)]]>一個特例是節(jié)點(diǎn)B在收到同步分組后立即加蓋時戳返回，即T2＝T3。TS/MS就使用了這一機(jī)制，但沒有采用上式計算偏移量來實(shí)現(xiàn)同步，而是利用三元組(T1，T2，T4)集合尋找兩個時鐘線性關(guān)系中參數(shù)的上下界來確定飄移量和偏移量，最終完成同步。
雙向成對同步雖然能達(dá)到一定的同步精度，但開銷過大。假定傳感器網(wǎng)絡(luò)的某個簇類(cluster)中包含n個節(jié)點(diǎn)，那么在一個同步周期內(nèi)總共需要2n個分組交換，其中信標(biāo)(beacon)節(jié)點(diǎn)發(fā)送n個，接收n個，為了提高精度，增加同步頻率會導(dǎo)致更多的能量損耗，在有些非常敏感能耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，這樣的開銷是不可接受的。相比之下，廣播同步機(jī)制開銷要小一些，簇類中所有節(jié)點(diǎn)可以同時依據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的同步分組一次完成同步。RBS是一種基于廣播同步的算法，但廣播分組的作用僅僅在于啟動一次新的同步過程，節(jié)點(diǎn)間時鐘的偏移量是通過相互交換接收到廣播分組的本地時間后計算得到的。相比于兩兩成對同步，RBS避免了一些可能引入隨機(jī)誤差的環(huán)節(jié)，但通信開銷沒有顯著降低。DMTS和FTSP則利用了單向廣播分組實(shí)現(xiàn)同步，減小了通信開銷，兩者的不同之處在于FTSP采用比DMTS更為精確的計算偏移量的機(jī)制與算法。
從已有各種算法的同步原理分析，除TS/MS外，幾乎所有的算法都以偏移補(bǔ)償為主，有些算法，如RBS和FTSP等，雖結(jié)合了飄移補(bǔ)償技術(shù)，但都無一例外的通過對多個樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理來估計飄移量，對應(yīng)算法的空間復(fù)雜度相對較大。TS/MS中的Tiny-Snyc用兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)確定了四個約束邊界，雖然開銷小，但無法給出相對漂移和相對偏移的最優(yōu)估計，Mini-Sync用復(fù)雜的算法確定性地刪除不影響精度的數(shù)據(jù)點(diǎn)，但需要保存有用的歷史數(shù)據(jù)以求得最優(yōu)估計，TS/MS的提出者建議的40個三元組數(shù)據(jù)點(diǎn)的存貯對于資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是不小的開銷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用鎖相環(huán)(PLL，Phase Locked Loop)原理和單向廣播同步機(jī)制設(shè)計一種滿足一定精度要求、同時具備漂移和偏移補(bǔ)償功能、且復(fù)雜度較小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法?；趥鹘y(tǒng)的鎖相環(huán)原理，本發(fā)明設(shè)計了一種能耗開銷較小，同時進(jìn)行偏移補(bǔ)償和漂移補(bǔ)償?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步機(jī)制與算法。
本發(fā)明的特征在于，該方法是在Mica2平臺上實(shí)現(xiàn)的，依次含有一下步驟步驟(1)，選擇一個節(jié)點(diǎn)作為時標(biāo)節(jié)點(diǎn)(sink)，周期性的向被同步的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)廣播時鐘信號，同時，在發(fā)送的兩個同步廣播分組之間再廣播一個時鐘讀取請求；步驟(2)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在收到步驟(1)所述的時鐘讀取請求后，瞬時的紀(jì)錄當(dāng)前各自的本地同步時鐘，本地節(jié)點(diǎn)利用基于鎖相環(huán)的原理進(jìn)行時鐘頻率鎖定，最終實(shí)現(xiàn)時鐘同步。其中，圖2為基于鎖相環(huán)的時鐘同步原理由圖2可得h2*(k)=h2*(k-1)+K0v(k-1)T]]>h2*(k+1)=h2*(k)+K0v(k)T...(7)]]>其中T是同步周期，即T＝t(k+1)-t(k)，t為真實(shí)的物理時間。因為VCO的基準(zhǔn)頻率K0是恒定的，所以我們可用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上晶振的固有頻率等效替代。依據(jù)晶振頻率和計數(shù)器的關(guān)系，我們有K0{t(k+1)-t(k)}＝h2(k+1)-h2(k) (8)這里，h2(k)為被同步節(jié)點(diǎn)的本地時鐘。將(8)代入(7)，我們便可得到一個不依賴壓控振蕩器的數(shù)字鎖相環(huán)h2*(k+1)=h2*(k)+v(k)[h2(k+1)-h2(k)]...(9)]]>依據(jù)式(9)，我們有圖3所示的數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖。
接下來我們具體設(shè)計濾波器，主要是確定濾波器的參數(shù)Kp和Ki的值。由圖2知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Go(z)=[Kp+KiT(1+z-1)2(1-z-1)]K0Tz-11-z-1=K0T[(2Kp+KiT)z+KiT-2Kp]2(z-1)2...(10)]]>開環(huán)系統(tǒng)有兩個相同極點(diǎn)p1，2＝1。依據(jù)根軌跡變化規(guī)律，出于穩(wěn)定性的考慮，開環(huán)系統(tǒng)的零點(diǎn)應(yīng)該最好在單位圓內(nèi)，不妨假定為0.5，即z=2Kp-KiT2Kp+KiT=12...(11)]]>于是我們有2Kp＝3KiT (12)閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為2(z-1)2+K0T(2Kp+KiT)z+K0T(KiT-2Kp)＝0 (13)代入(12)，有
z2-2(K0KiT2-1)z+1-K0KiT2＝0(14)如果方程(14)有兩個相同的實(shí)根，閉環(huán)系統(tǒng)將是一個典型的欠阻尼二階系統(tǒng)，瞬態(tài)過程將不發(fā)生任何振蕩，這意味著被同步時鐘不會圍繞著參考時鐘來回擺動，將單調(diào)逼近參考時鐘，于是，我們有4(K0KiT2-1)2-4(1-K0KiT2)＝0(15)即KiK0T2＝1 (16)令采樣時間T＝1秒，如前所述，Mica2節(jié)點(diǎn)的時鐘固有頻率K0＝62.5KHz，那么Ki＝1.6×10-5，Kp＝1.5Ki＝2.4×10-5然后，本地節(jié)點(diǎn)將同步消息再陸續(xù)發(fā)送回sink節(jié)點(diǎn)；步驟(3)，sink節(jié)點(diǎn)用內(nèi)置的收集發(fā)送例程把被同步節(jié)點(diǎn)的本地時鐘h2(k)以及相應(yīng)廣播分組中攜帶的參考時鐘h1(k)通過串口送至PC機(jī)。
我們在流行的Mica2試驗平臺上用nesC實(shí)現(xiàn)了基于鎖相環(huán)的同步方法。試驗驗證了該方法的可行性，試驗結(jié)果證明通過使用該方法能夠達(dá)到預(yù)期的技術(shù)目標(biāo)，在目前的測試環(huán)境下達(dá)到了毫秒級同步精度，并且響應(yīng)較快，同步精度受同步周期的影響較小。


圖1，雙向成對同步示意圖。
圖2，基于鎖相環(huán)的時鐘同步原理。
圖3，數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖。
圖4，試驗配置。
圖5，誤差變化。
圖6，穩(wěn)態(tài)誤差變化。
圖7，采樣周期對同步誤差的影響。
圖8，TPSN算法的同步誤差變化。
圖9，本發(fā)明的程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)和鏈路失效等因素導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化的特點(diǎn)，以及為均衡能量損耗延長網(wǎng)絡(luò)生命周期而采用拓?fù)淇刂频认到y(tǒng)性優(yōu)化能耗的方案對網(wǎng)絡(luò)帶來的影響，我們沿用FTPS中“根節(jié)點(diǎn)”的選取和維護(hù)方案，著重討論廣播域內(nèi)單跳同步機(jī)制與原理，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展到整個網(wǎng)絡(luò)的多跳機(jī)制是較為直接和方便的。在一個廣播域內(nèi)，時鐘參考節(jié)點(diǎn)(時標(biāo))周期性廣播同步分組，分組中攜帶了時標(biāo)節(jié)點(diǎn)的本地時鐘，為避免廣播分組在發(fā)送、訪問信道和接收過程中由于系統(tǒng)和信道狀態(tài)的不確定性因素可能引入的誤差，我們也采用在MAC層加蓋時戳的方案。收到同步分組的節(jié)點(diǎn)，容易得到兩個時鐘間的差，F(xiàn)TPS和DMTS直接用差值進(jìn)行了偏移補(bǔ)償，如果能通過分析這個差值時間序列，得到兩個時鐘相對漂移的信息，一次完成偏移和漂移補(bǔ)償，這樣的時間同步算法會更有效率。因為它不會再像FTPS為進(jìn)行線性回歸處理而維護(hù)大量的歷史數(shù)據(jù)。為此，需要設(shè)計一個簡單的濾波器來遞推估計差值序列的變化，進(jìn)行相應(yīng)的校正，我們將這一新機(jī)制稱為廣播校正同步機(jī)制。需要指出的是這里我們忽略了廣播分組傳播延時的差異給同步精度造成的影響。如果廣播域覆蓋半徑約30米(ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義的有效傳輸距離)，最大的傳播延時差異為100納秒，對于精度要求為毫秒或微秒級的同步算法，忽略傳播延時差異是合理的。廣播校正同步機(jī)制與其他同步補(bǔ)償算法最大的區(qū)別在于同步過程并非在某個時刻通過補(bǔ)償一次完成，而是要經(jīng)過一個動態(tài)調(diào)整的瞬態(tài)過程，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)意味著實(shí)現(xiàn)了同步。本質(zhì)上，廣播校正同步機(jī)制主要利用了鎖相環(huán)原理進(jìn)行時鐘頻率鎖定，最終實(shí)現(xiàn)了時鐘同步。為了便于后面的論述，我們首先結(jié)合傳統(tǒng)鎖相環(huán)技術(shù)的鎖頻原理，介紹我們同步算法的機(jī)理。圖2中，h1(k)和h2*(k)分別表示廣播分組中攜帶的參考時鐘和任意節(jié)點(diǎn)的同步時鐘，k表示時刻，它們的差值e(k)經(jīng)過低通濾波器處理后，消除了高頻噪聲。為方便設(shè)計，我們采用常用的比例積分(PI)控制器作為濾波器，控制信號v(k)作為壓控振蕩器(VCO)的輸入，K0是VCO的基準(zhǔn)頻率。不難看出，VCO的輸出頻率f(k)隨誤差信號e(k)動態(tài)變化。f(k)經(jīng)過零階保持器和積分環(huán)節(jié)后轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)的同步時鐘h2*(k)?；阪i相環(huán)的時鐘同步需要壓控振蕩器支持，追加額外的硬件是追求低成本節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)所不期望。為此，我們給出了下面的等價實(shí)現(xiàn)，它是全數(shù)字式，省去了對壓控振蕩器的依賴。
數(shù)字鎖相環(huán)由圖2可知h2*(k)=h2*(k-1)+K0v(k-1)T]]>h2*(k+1)=h2*(k)+K0v(k)T...(7)]]>其中T是同步周期，即T＝t(k+1)-t(k)，t為真實(shí)的物理時間。因為VCO的基準(zhǔn)頻率K0是恒定的，所以我們可用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上晶振的固有頻率等效替代。依據(jù)晶振頻率和計數(shù)器的關(guān)系，我們有K0{t(k+1)-t(k)}＝h2(k+1)-h2(k)(8)這里，h2(k)為被同步節(jié)點(diǎn)的本地時鐘。將(8)代入(7)，我們便可得到一個不依賴壓控振蕩器的數(shù)字鎖相環(huán)h2*(k+1)=h2*(k)+v(k)[h2(k+1)-h2(k)]...(9)]]>依據(jù)式(9)，我們有圖3所示的數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖。
接下來我們具體設(shè)計濾波器，主要是確定濾波器的參數(shù)Kp和Ki的值。由圖2知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
Go(z)=[Kp+KiT(1+z-1)2(1-z-1)]K0Tz-11-z-1=K0T[(2Kp+KiT)z+KiT-2Kp]2(z-1)2...(10)]]>開環(huán)系統(tǒng)有兩個相同極點(diǎn)p1，2＝1。依據(jù)根軌跡變化規(guī)律，出于穩(wěn)定性的考慮，開環(huán)系統(tǒng)的零點(diǎn)應(yīng)該最好在單位圓內(nèi)，不妨假定為0.5，即z=2Kp-KiT2Kp+KiT=12...(11)]]>于是我們有2Kp＝3KiT(12)閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為2(z-1)2+K0T(2Kp+KiT)z+K0T(KiT-2Kp)＝0(13)代入(12)，有z2-2(K0KiT2-1)z+1-K0KiT2＝0 (14)如果方程(14)有兩個相同的實(shí)根，閉環(huán)系統(tǒng)將是一個典型的欠阻尼二階系統(tǒng)，瞬態(tài)過程將不發(fā)生任何振蕩，這意味著被同步時鐘不會圍繞著參考時鐘來回擺動，將單調(diào)逼近參考時鐘，于是，我們有4(K0KiT2-1)2-4(1-K0KiT2)＝0 (15)即KiK0T2＝1(16)令采樣時間T＝1秒，如前所述，Mica2節(jié)點(diǎn)的時鐘固有頻率K0＝62.5KHz，那么Ki＝1.6×10-5，Kp＝1.5Ki＝2.4×10-5我們在流行的Mica2試驗平臺上用nesC實(shí)現(xiàn)了基于鎖相環(huán)的同步算法。試驗配置如圖4所示，MIB510板上的sink節(jié)點(diǎn)充當(dāng)“時標(biāo)”節(jié)點(diǎn)，周期性地廣播時鐘信號；節(jié)點(diǎn)A，B和C是網(wǎng)絡(luò)中將被同步的節(jié)點(diǎn)。為了測試同步精度，讓sink節(jié)點(diǎn)在兩個同步廣播分組之間再廣播一個時鐘讀取請求，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在收到該請求的瞬時記錄當(dāng)前各自的本地同步時鐘，之后陸續(xù)發(fā)送回sink節(jié)點(diǎn)。用TinyOS內(nèi)置的SerialForwarder例程將Sink節(jié)點(diǎn)收集到的時鐘消息通過串口送至PC進(jìn)行分析。取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)時鐘的最大偏差為同步誤差。
圖5給出了同步過程中誤差的變化趨勢最終同步誤差穩(wěn)定到了一定的范圍內(nèi)，為了更清晰地反映穩(wěn)態(tài)過程中誤差的變化，我們截取圖5中的一段，放大于圖6中，可以看出，鎖相環(huán)同步算法能達(dá)到毫秒級的同步精度。
響應(yīng)性是同步算法的一個重要性能指標(biāo)。觀察圖5，經(jīng)過一個短暫的調(diào)節(jié)過程(約15拍)，誤差便回到了穩(wěn)態(tài)值。具體的響應(yīng)時間與同步周期有關(guān)，頻率越高，同步時間越短。如果15拍即可完成同步，當(dāng)同步周期為1秒時，同步時間為15秒；當(dāng)同步周期為20秒時，同步時間則是5分鐘。為了加速同步過程，可以在啟動同步過程時適當(dāng)提高同步頻率，之后為減小開銷，適當(dāng)降低頻率。這不會對我們提出的同步算法的精度帶來太大影響，因為理論上基于鎖相環(huán)的同步算法的精度與同步周期的相關(guān)性不大，這一點(diǎn)后面的試驗會進(jìn)行證實(shí)。
下面我們考察同步間隔對于同步精度的影響，分別取同步周期為20、50、100和200秒，采樣穩(wěn)態(tài)過程中同步誤差的變化，將結(jié)果繪制在圖7中。為了方便比較，我們做進(jìn)一步的定量分析，求取誤差的均值、方差和最大值，將統(tǒng)計結(jié)果列于表1中。不難看出四組實(shí)驗中，不同的同步周期并沒有給同步精度帶來明顯的影響，這也是我們設(shè)計的機(jī)制與算法同時進(jìn)行偏移和漂移補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)體現(xiàn)，而單純進(jìn)行偏移的補(bǔ)償?shù)耐剿惴ǎ鏣PSN和LTS等，精度不可避免地受到同步周期的影響，周期越短，精度越高，但相應(yīng)的通信能耗也越大。在這一點(diǎn)上，我們基于鎖相環(huán)的單向廣播校正同步機(jī)制與算法有較為明顯的優(yōu)勢。為了方便比較，我們在mica2平臺上實(shí)現(xiàn)TPSN算法。分別取同步周期為5，10，25和50秒進(jìn)行試驗，采樣時鐘誤差，將結(jié)果繪制在圖8中；進(jìn)行統(tǒng)計處理后得到表2所列各項數(shù)據(jù)。
表1鎖相環(huán)同步機(jī)制的誤差統(tǒng)計值

表2TPSN同步誤差統(tǒng)計值

分析表2數(shù)據(jù)，TPSN的精度與同步周期密切相關(guān)，周期增大，精度降低。圖8揭示了精度降低的原因，當(dāng)同步周期增大后，節(jié)點(diǎn)晶振頻率飄逸對誤差的影響凸現(xiàn)，觀察圖8中最下面兩組曲線，誤差呈線性規(guī)律增長的情形不斷出現(xiàn)，根本原因在于TPSN只在同步時刻進(jìn)行偏移補(bǔ)償，而沒有相應(yīng)的飄逸補(bǔ)償措施。
權(quán)利要求
1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于鎖相環(huán)的時間同步方法，其特征在于，該方法是在Mica2平臺上實(shí)現(xiàn)的，依次含有以下步驟步驟(1)，選擇一個節(jié)點(diǎn)作為時標(biāo)節(jié)點(diǎn)(sink)，周期性的向被同步的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)廣播時鐘信號，同時，在發(fā)送的兩個同步廣播分組之間再廣播一個時鐘讀取請求；步驟(2)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在收到步驟(1)所述的時鐘讀取請求后，瞬時的紀(jì)錄當(dāng)前各自的本地同步時鐘，本地節(jié)點(diǎn)利用基于鎖相環(huán)的原理進(jìn)行時鐘頻率鎖定，最終實(shí)現(xiàn)時鐘同步；步驟(2.1)，h2*(k)=h2*(k-1)+K0v(k-1)T]]>h2*(k+1)=h2*(k)+K0v(k)T]]>(1)其中T是同步周期，即T＝t(k+1)-t(k)，t為真實(shí)的物理時間，h2*(k)為積分環(huán)節(jié)后節(jié)點(diǎn)的同步時鐘，K0是VCO的基準(zhǔn)頻率，是恒定的，k代表當(dāng)前時刻，可用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上晶振的固有頻率等效替代，v(k)為濾波器輸入，依據(jù)晶振頻率和計數(shù)器的關(guān)系，有K0{t(k+1)-t(k)}＝h2(k+1)-h2(k) (2)這里，h2(k)為被同步節(jié)點(diǎn)的本地時鐘，將(2)代入(1)，我們便可得到一個不依賴壓控振蕩器的數(shù)字鎖相環(huán)h2*(k+1)=h2*(k)+v(k)[h2(k+1)-h2(k)]---(3)]]>步驟(2.2)，接下來具體設(shè)計濾波器，確定濾波器的參數(shù)Kp和Ki的值，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G0(z)=[Kp+KiT(1+z-1)2(1-z-1)]K0Tz-11-z-1=K0T[(2Kp+KiT)z+KiT-2Kp]2(z-1)2---(4)]]>開環(huán)系統(tǒng)有兩個相同極點(diǎn)p1，2＝1，依據(jù)根軌跡變化規(guī)律，出于穩(wěn)定性的考慮，開環(huán)系統(tǒng)的零點(diǎn)在單位圓內(nèi)，假定為0.5，即z=2Kp-KiT2Kp+KiT=12---(5)]]>于是有2Kp＝3KiT (6)如果閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程有兩個相同的實(shí)根，閉環(huán)系統(tǒng)將是一個典型的欠阻尼二階系統(tǒng)，瞬態(tài)過程將不發(fā)生任何振蕩，這意味著被同步時鐘不會圍繞著參考時鐘來回擺動，將單調(diào)逼近參考時鐘，于是，有4(K0KiT2-1)2-4(1-K0KiT2)＝0(7)依據(jù)式(6)(7)可以得出參數(shù)Kp和Ki的值；然后，本地節(jié)點(diǎn)將同步消息再陸續(xù)發(fā)送回sink節(jié)點(diǎn)；步驟(3)，sink節(jié)點(diǎn)用內(nèi)置的收集發(fā)送例程把被同步節(jié)點(diǎn)的本地時鐘h2(k)以及相應(yīng)廣播分組中攜帶的參考時鐘h1(k)通過串口送至PC機(jī)；
2.根據(jù)權(quán)利要求書1，令采樣時間T＝1秒，如前所述，Mica2節(jié)點(diǎn)的時鐘固有頻率K0＝62.5KHz，那么可以得出Ki＝1.6×10-5，Kp＝1.5Ki＝2.4×10-5。
全文摘要
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于鎖相環(huán)的時間同步方法屬于本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步領(lǐng)域，其特征在于，能耗開銷較小，復(fù)雜度較小，同時具備漂移和偏移補(bǔ)償功能，本發(fā)明采用鎖相環(huán)(PLL，Phase Locked Loop)原理和單向廣播同步機(jī)制設(shè)計出了一種滿足一定精度要求、同時具備漂移和偏移補(bǔ)償功能、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法。本發(fā)明在流行的Mica2試驗平臺上用nesC實(shí)現(xiàn)了基于鎖相環(huán)的同步方法。試驗驗證了該方法的可行性，試驗結(jié)果證明通過使用該方法能夠達(dá)到預(yù)期的技術(shù)目標(biāo)，在目前的測試環(huán)境下達(dá)到了毫秒級同步精度，并且響應(yīng)較快，同步精度受同步周期的影響較小。
文檔編號H04L29/02GK101075862SQ200710117720
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月22日
發(fā)明者任豐原, 何滔, 歐陽瑩 申請人:清華大學(xué)