專利名稱：實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的
方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步所面臨的挑 戰(zhàn)-傳輸延遲的不確定性、低功耗、低成本、可擴展性等特點，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域出 現(xiàn)了一些典型的時間同步協(xié)議。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)事件同步協(xié)議可分為發(fā)送者-接 收者同步和接收者-接收者同步兩類。TPSN(Time Protocol for Sensor Networks)協(xié)議是 典型的發(fā)送者-接收者同步協(xié)議，它通過MAC層時間戳技術(shù)及雙向報文交換方法來抑 制和減小傳輸延遲及延遲不確定的影響。RBS(Reference Broadcast Synchronization)協(xié) 議是典型的接收者-接收者同步協(xié)議，除了直接對接收者間的時間偏移進行估算外，它 通過對接收者時鐘漂移(clock skew)進行動態(tài)估計來進一步降低同步誤差。在多跳網(wǎng)絡(luò) 的時間同步協(xié)議中，除RBS協(xié)議中提出的"時間路由"方法外，具有代表性的工作還 有LTS(Lightweight Tree-based Synchronization)協(xié)議、HRTS(Hierarchy Referencing Time Synchronization)協(xié)議、FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)協(xié)議和GCS(Global Clock Synchronization)協(xié)議。這些典型的時間同步算法側(cè)重同步精度和同步能耗的需求。
所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由傳感器節(jié)點組成的分布式系統(tǒng)。節(jié)點之間相互獨立并 以無線方式通信，每個節(jié)點維護一個本地時鐘。本地時鐘的計時信號一般由晶體振蕩器 (簡稱晶振)提供。 在實施本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)由于晶振制造工藝的限制，晶振在運行過 程中易受外界因素影響，進而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的計時速率的偏差，造成了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時間 的失步。因此，時間同步問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要解決的一個重要問題。
目前，在定位、測距、數(shù)據(jù)融合、MAC層協(xié)議、睡眠調(diào)度、路由協(xié)議、協(xié)作 傳輸、數(shù)據(jù)庫同步等幾乎所有的場合都對時間同步有明確的要求。與傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng) 的時間同步不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步不僅有著高精度的要求，而且還面臨著能 耗、可擴展性、無線傳輸不可靠性等新的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法，現(xiàn)有技術(shù)由 于晶振的影響導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時間失步的問題。 本發(fā)明所述的一種實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法，包括以下步驟初始 化計數(shù)器；啟動計數(shù)器，打開中斷，啟動消息隊列；根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包修改線性振蕩器 的計數(shù)值。 本發(fā)明所述的實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法通過修改線性振蕩器的計數(shù) 值達(dá)到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的目的，解決了現(xiàn)有技術(shù)中，由于晶振在運行過程中易受外界因素影響，進而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的計時速率的偏差，造成了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時間的失步 的問題。


圖1為本發(fā)明具體實施例所述的實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法的流程 圖； 圖2為本發(fā)明具體實施例所述的實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法中收到數(shù) 據(jù)包的處理流程圖； 圖3為本發(fā)明具體實施例所述的實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法中計數(shù)器 溢出的處理流程圖； 圖4為本發(fā)明具體實施例所述的實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法中所述T。 取2T、 4T、 8T、 16T時同步結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差隨d的變化情況； 圖5-7為本發(fā)明具體實施例所述的實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法中所述e 分別取1/8、 1/4、 1/2時，同步結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差隨d的變化情況。
具體實施例方式
為使本發(fā)明更加清楚明白，以下結(jié)合本發(fā)明在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的具體實施過 程和結(jié)果，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。 下述實施過程是在基于GAINS-3節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試床上實現(xiàn)的。所述 GAINS-3節(jié)點主要由一個ATMegal28單片機和一個CC1000無線收發(fā)器組成，同時還有 一個串口，負(fù)責(zé)編程和數(shù)據(jù)的可靠收發(fā)。所有節(jié)點的串口均通過串口到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換模 塊連接到一個以太網(wǎng)中，該以太網(wǎng)中的一個Web服務(wù)器負(fù)責(zé)對節(jié)點的編程，向節(jié)點發(fā)送 命令以及接收節(jié)點返回的數(shù)據(jù)。另外，為了同時對所有的節(jié)點的時鐘(計數(shù)器)進行采 樣，所有節(jié)點上ATMegal28的INT4引腳被連接到一起，該引腳上的下降沿會觸發(fā)所有的 節(jié)點向Web服務(wù)器發(fā)送采樣結(jié)果。 在實施時，將振蕩器相位小從[O， l]區(qū)間放大到[O， T]，即將振蕩器的相位使 用32位的計數(shù)器來表示，該計數(shù)器單調(diào)的增加到T(即周期)，然后發(fā)出一個數(shù)據(jù)包，所 述數(shù)據(jù)包包括流水號、節(jié)點號和周期T，接收到該數(shù)據(jù)包的節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)包中的T，使用 公式錯誤！未找到引用源。計算出耦合增量，然后將該增量加到自己的相位上去。以下 結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。 如錯誤！未找到引用源。所示，本發(fā)明所述的實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的 方法包含以下步驟 步驟IOI，初始化計數(shù)器，包括 設(shè)置計數(shù)器的工作模式、最大計數(shù)值(即T); 設(shè)置節(jié)點號和周期T以及耦合強度。
在實施過程中將節(jié)點i的周期1設(shè)為 1 = T。+(i-l)*d 其中，T。為周期的基數(shù)；d描述相鄰編號節(jié)點的周期差異。 步驟1Q2，啟動計數(shù)器開始計數(shù)，打開中斷，允許計數(shù)器溢出，以及數(shù)據(jù)包的接收等中斷，最后啟動消息隊列。 節(jié)點在收到數(shù)據(jù)包之后，根據(jù)數(shù)據(jù)包中所包含的激發(fā)節(jié)點的數(shù)據(jù)計算相位增 量，然后將該增量加到自己的相位上去。接下來判斷自己是否激發(fā)，并執(zhí)行相應(yīng)的處理 過程。如圖2所示，具體步驟如下 步驟201:從接收到的數(shù)據(jù)包中獲得激發(fā)節(jié)點的節(jié)點號，和激發(fā)節(jié)點的周期T。
步驟202:判斷相位是否大于某一閾值L，如果大于該閾值才計算相位增量。設(shè) 置閾值L的原因是，當(dāng)某節(jié)點A發(fā)出數(shù)據(jù)包并使節(jié)點B激發(fā)，節(jié)點A會收到B發(fā)出的激 發(fā)數(shù)據(jù)包，如果不設(shè)置這一閾值會導(dǎo)致A的相位因為B的激發(fā)而增加。因此，設(shè)置閾值 可以防止這種情況的發(fā)生。 步驟203:由步驟201所獲得的激發(fā)節(jié)點的周期，根據(jù)公式錯誤！未找到引用 源。計算出相位增量。然后停止計數(shù)器，將相位增量增加到計數(shù)器上去，最后再次啟動 計數(shù)器。 步驟204 :判斷經(jīng)過步驟203增加之后的計數(shù)器是否已經(jīng)溢出，如果溢出則說明 該節(jié)點激發(fā)，調(diào)用步驟3進行相關(guān)的溢出處理。否則，處理過程結(jié)束。
當(dāng)計數(shù)器溢出時，需要重置計數(shù)器，組織包含流水號、節(jié)點號和周期T的數(shù)據(jù) 包，然后將該數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。如圖3所示具體步驟如下 步驟301:停止計數(shù)器，將計數(shù)器的計數(shù)值設(shè)為O，然后重新啟動計數(shù)器。
步驟302 :將流水號自加1，然后將其和節(jié)點號、周期T以及保存到數(shù)據(jù)包相應(yīng) 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，然后將此數(shù)據(jù)包廣播出去。 由于無線傳感器采用低成本低功耗的處理器，因此無法進行復(fù)雜的函數(shù)計算。 在本發(fā)明中使用的線性振蕩器，在保證精度的同時，避免了大量的非線性計算，節(jié)省了 同步能耗。 同時，該方法避免了對振蕩器晶振頻率相同這一假設(shè)，特別是對于大規(guī)模的無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這點顯得尤為重要。 另外，該方法在同步的過程中只需要一個計數(shù)器，不需要保存其它狀態(tài)信息， 也不需要基于任何的拓?fù)湫畔ⅲ虼送?jīng)典的同步方法相比節(jié)省了計算時間和存儲空 間，同時還具有較好的擴展性。 為了說明該方法的有效性，并且進一步討論在實際應(yīng)用中如何選取各項參數(shù)， 我們在由15個節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試床上對該方法進行了實際的測試。節(jié)點振 蕩器的頻率(T。。u^)是115200Hz。 O號節(jié)點在周期執(zhí)行到大致一半的時候會發(fā)出一個中斷 信號使所有的節(jié)點同時向Web服務(wù)器發(fā)送自己的計數(shù)器數(shù)值。計算除了 0號節(jié)點外的所 有節(jié)點的計數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)差來衡量這一組數(shù)據(jù)的精度，在收集完所有數(shù)據(jù)之后，再計算所 有標(biāo)準(zhǔn)差的算數(shù)平均值作為最終的結(jié)果。另外，在計算最后的算術(shù)平均值時，若干組最 大最小值被從結(jié)果中取出，以避免隨機因素的影響。 首先，討論實驗周期如何影響同步的精度。將e固定為1/4，對于每一組T。，令 d以步長500遍歷區(qū)間[500， 40000]，在計算最終結(jié)果時，舍去最大和最小的5組數(shù)據(jù)。 圖4為T。分別取T。。u自的2、 4、 8、 16倍，同步結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差隨d的變化情況。從圖中 可以看出，對于T。的每個取值，變化過程分為三個階段。當(dāng)d很小時，標(biāo)準(zhǔn)差跟T。和 d的相關(guān)性很小，隨著d的增加同步標(biāo)準(zhǔn)差首先穩(wěn)定在某一固定值，然后隨著d的增加而增加。這是由于，當(dāng)d很小時，各節(jié)點的周期非常接近，由于閾值L的作用，會使計數(shù) 器進入一種鎖步(phase-locked)的狀態(tài)；隨著d的增加，節(jié)點間進入正常的同步階段；而 當(dāng)d過大，而使同步保持條件錯誤！未找到引用源。無法被滿足的時候，同步標(biāo)準(zhǔn)差則 會明顯的增加。在本實驗中，有
T腿=Tq， T腿=T。+14d and e = 1/4 代入錯誤！未找到引用源。中，可得 K 1
r0+i 4
解得
56 當(dāng)T。分別等于^e。她r，4Te。unter，8Te。unter和16Te。unter時，由上式計算出來的d分
別為4114， 8228， 16457和32914。
這些結(jié)果與圖4吻合的非常好。
為了進一步研究T。的4種取值在上述同步穩(wěn)定階段的同步精度。我們進行了進 一步的實驗。實驗的相關(guān)的參數(shù)與上一個實驗相同，只是d以步長10遍歷區(qū)間[3000， 3500]，為了使結(jié)果更加穩(wěn)定，我們除去了最大和最小的15個結(jié)果。實驗結(jié)果如圖5所 示，從圖中可以看出較小的T。可以獲得更高的精度，這是因為周期越短，節(jié)點調(diào)整自己 的相位越頻繁，因此會越快的達(dá)到同步。 接下來，討論耦合強度e對同步精度的影響。在此實驗中，將T。固定在 2Tc。untCT，對于不同的e，令d以步長100遍歷區(qū)間[100， 10000]，在計算最終結(jié)果時，舍 去最大和最小的15組數(shù)據(jù)。圖6為e分別取1/16、 1/8、 1/4、 1/2時，同步結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn) 差隨d的變化情況。同第一個實驗類似，標(biāo)準(zhǔn)差的變化過程分為三個階段。但是在二、 三階段的交點的計算略有差別，對于上述實驗條件有
T腿=2T咖咖=230400， T腿=T。+14d = 230400+14d
代入錯誤！未找到引用源。中，可得 230400
230400+ 14d
解得
h115200 當(dāng)e分別為1/16、 1/8、 1/4、 1/2時，由上式計算出來的d分別為1028， 2057， 4114， 8228。 這與實驗結(jié)果也是吻合的。 如圖7所示，為同樣實驗條件下，以步長10遍歷[1000， 2000]的實驗結(jié)果。為 了使結(jié)果的展示更加清楚，e =1/2， e =1/4和e = 1/8分別分別畫在a)， b)和c)這 三個子圖中。在比較這三幅圖的時候，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)e = 1/4時結(jié)果更加穩(wěn)定。原因可 能是，當(dāng)e很小時，兩個節(jié)點之間的耦合太弱，因此會輕易的被破壞；而當(dāng)e太大的時 候，節(jié)點更加容易與其它節(jié)點同步，因此兩個節(jié)點之間的耦合又會輕易的被其它節(jié)點影 響。因此，要獲得一個穩(wěn)定的同步結(jié)果，必須選擇一個合適的e值。
上述的實驗討論了T。， e和d如果影響同步結(jié)果的精度。通過對實驗的分析， 可以得出如下結(jié)論
6
在d不太小，而且同步保持條件也能夠被滿足的情況下，通過可以很好的同
步，最好的精度在ioo微妙左右。 T。決定同步的周期，較小的T?？梢垣@得較高的同步精度。必須仔細(xì)的選擇e 的大小，較小和較大的e都會降低同步精度。綜上所述，通過實驗驗證了該方法能夠?qū)?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行同步，獲得較好的同步結(jié)果。
權(quán)利要求
一種實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法，其特征在于，包括以下步驟初始化計數(shù)器；啟動計數(shù)器，打開中斷，啟動消息隊列；根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包修改線性振蕩器的計數(shù)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始化計數(shù)器，包括 設(shè)置計數(shù)器的工作模式、最大計數(shù)值；設(shè)置節(jié)點號和周期T以及耦合強度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，設(shè)置節(jié)點i的周期1為Tt = T0+(i-l)*d其中，T。為周期的基數(shù)；d描述相鄰編號節(jié)點的周期差異。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，還包括節(jié)點上的計數(shù)器線性計數(shù)，計數(shù)值到達(dá)T時發(fā)出一個包含了改節(jié)點周期的數(shù)據(jù)包，然后將計數(shù)器置0，重復(fù)這一過程；接收節(jié)點收到所述包含周期的數(shù)據(jù)包之后，使用如下公式得到自己的新的計數(shù)值其中小'j為新的計數(shù)值；氣為接收節(jié)點計數(shù)器在收到數(shù)據(jù)包之前的計數(shù)值；Tt 為發(fā)送節(jié)點的周期；Tj為接收節(jié)點的周期；e為耦合強度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于如果所述小'j的計算結(jié)果超出所述 接收節(jié)點的周期值，所述接收節(jié)點回到初始值并發(fā)出一個包含所述接收節(jié)點周期的數(shù)據(jù) 包。
6. 根據(jù)權(quán)利1中所述的方法，其特征在于所述線性振蕩器的周期的概率密度函數(shù) 有界。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述線性振蕩器的周期滿足其中T皿為所述線性振蕩器周期的最小值；T皿為所述線性振蕩器周期的最大值； e為耦合強度。
全文摘要
本發(fā)明公開了本發(fā)明所述的一種實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法，包括以下步驟初始化計數(shù)器；啟動計數(shù)器，打開中斷，啟動消息隊列；根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包計算出計數(shù)器增量并據(jù)此修改計數(shù)器值。本發(fā)明所述的實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的方法通過周期性修改線性振蕩器的計數(shù)值達(dá)到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的目的，解決了現(xiàn)有技術(shù)中，由于晶振在運行過程中易受外界因素影響，進而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的計時速率的偏差，造成了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時間的失步的問題。
文檔編號H04W84/18GK101692743SQ20091017691
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日
發(fā)明者姜鵬, 安竹林, 徐勇軍, 李曉維, 鄭哲 申請人:寧波高新區(qū)深聯(lián)科技有限公司