[发明专利]一种同步时间更新方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术，具体地涉及一种低功耗路由传感网络中的同步时间更新方法及装置。

背景技术

无线传感网络是一种不断发展的网络通信技术，可以应用在工业控制，家庭监控，数据通信等领域。无线传感网络以数据为中心，由许多功能相同或不同的无线传感器节点组成。无线传感器节点可包括终端节点、汇集节点以及管理节点，终端节点收集周围环境的数据，通过无线链路直接或间接将数据传输给汇集节点；汇集节点主要负责收集特定区域内所有终端节点采集的数据，经数据融合后，发送到更上层的管理节点。无线传感网络不仅具有节点密度高的特点，而且网络中的节点大多由电池供电，能量有限，因此需要在无线传感网络中采用低功耗技术保证网络长期稳定的运行。

在采用低功耗路由技术的传感网络中，各个无线传感器节点可以长周期性进入休眠状态以达到降低功耗的目的，但在正常的工作周期和一般的传感网络节点是一样的。在目前的低功耗路由传感网络中，可以采用同步方式传输数据，在同步方式中低功耗节点不需要发送额外的探测信号，只需要在适当的时间内进行数据传输。同步传感网络有两种实现方式：全网同步和局部同步。全网同步是指网络中各个节点在同一时间开始工作，进行数据传输；局部同步是指在网络的中的各个节点都知道周围相邻节点的工作周期，在现有数据需要发送的时候，发送节点会等待接收节点开始工作后再发送数据。这两种同步方式可以根据网络的规模大小而分别采用。

低功耗路由网络有效运行的一个重要条件就是时间同步(TS，Time Synchronization)，因为该功能是实现传感器数据传输融合、时隙调度、定时触发的基础。由于初始时刻传感器网络各个节点的计时时刻不同以及内部晶振的频率偏差，彼此的时钟并不同步，再加上在网络运行中还存在一个时间漂移的问题，需要传感器网络通过周期性发送同步信息来校正各个节点的时钟误差。

传统无线传感器网络时间同步技术可以通过节点间定期单播专门的信标帧来实现。当两个节点需要进行时间同步操作时，发送节点如果不知道接收节点的工作周期，可以先发出连续的探测帧，一直等到接收节点的应答后再发送特定的时间同步信标帧，其中嵌入包含发送时刻的时间戳和接收节点的地址，接收节点从时间同步信标帧中读取该帧的发送时刻，利用这个时间信息可估算出收发双方的时间偏差，通过对时间偏差进行补偿，可达到接收方与发送方的时间同步。

这种采用交互同步信标帧将网内节点时钟调到同一个时钟基准上的时间同步方法可以适用于节点间两两相互同步，即点对点同步，并且两节点间时间同步结果比较精确的，对于局部同步网络比较适合。该方法的缺点在于只适用与两个节点单独进行，不能适用于多个节点同时同步。同时，时间同步操作中需要发送探测帧以及专门的时间同步信标帧，能量开销比较大，也需要有单独的时间来实现这一功能。当网络规模扩大时，通过这种方式实现的网络同步需要每对节点之间相互同步后才能达到，这是需要消耗比较长的时间，因此不太适用于大规模传感器网络。

传感器网络还可以通过发送广播形式达到节点间的时间同步。这种同步方式是由协调器节点或者路由节点在全网或者局部网络内发布广播包，其中包含当前时钟读数的同步信令。广播域内的节点接收到同步信令后，利用本地时钟记录信令的到达时刻，然后估算出与协调器节点或者路由节点的时间偏移。通过对时间偏差进行补偿，调整自己的逻辑时钟值，以达到全网或者局部网络中的各个节点和协调器节点时间同步。当网络规模扩大后，每个节点在接收到全网同步广播包后，将打上自己的时间戳后，转发到下一层节点，这样随着广播包层层转发下去，不同层的节点间也可以和协调器形成时间同步。

通过周期性进行全网广播可以快速实现所有节点的全网同步，最适用于没有休眠节点的传感器网络，但是也可以在低功耗路由网络中使用。这种同步方式不仅协调器节点可以采用，其余的节点也可以适用。当任意一个节点需要改变自己工作周期时，只需要向周边的节点广播自己新的工作周期，让周围相邻节点了解自己的工作周期即可继续与之保持同步。不过这种广播方式需要在周边的全部节点都处于工作方式中，才能发送自己新的时间同步信息广播。

通过周期性进行全网广播形式进行节点间的时间同步需要专门的时间来完成，所需要的时间虽然比点对点的同步操作所需时间少，但是时间和能量开销仍然比较大，影响网络使用寿命。特别在低功耗路由网络中，需要等待周围相邻节点全部醒来后才能进行同步广播，网络同步的速度较慢。而且在全网进行广播的时候，由于广播包的转发中的延时容易引起节点本地时钟漂移现象，随着网络规模扩大，网络时间同步精度将逐步降低。

发明内容