[发明专利]一种高精度、低开销的无线传感器网络时钟同步方法

说明书

本发明提供的方法通过引入SFD中断功能来消除发送时间延迟、访问时间延迟、接受处理时间延迟的影响，通过配置一致的消息长度和射频芯片的收发速率，来消除同步过程中的传输时间延迟、接受时间延迟，因此本发明提供的同步方法具有高精度同步的特点；在进行同步的时候只需要3条消息即可完成高精度的同步，其开销与现有技术相比得到了降低。本发明提供的方法基于无线通信信道的广播特性，在不增加任何消息的情况下就能够将1跳内的n个监听节点LR快速同步到同步发起节点S上。为提升同步精度，本发明的方法提出并计算了不同节点在同步发起节点S发起同步那一瞬间各角色节点对应的本地时钟，从而校准了参与同步的各个角色节点的起始时间。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，更具体地，涉及一种高精度、低开销的无线传感器网络时钟同步方法。

背景技术

无线传感器网络WSN是由成千上万个被期待用于影响人们生活的传感器所组成的大规模的分布式系统。其潜在应用如下：

1)监测应用：非侵入式和侵入式的环境监测辅助生物学家去研究敏感的野生生物栖息地以及通过传感器监测病人身体状况。

2)智慧办公：由无线传感器组成的系统将成为智慧办公地点的一大关键部分。

3)军事应用：潜在的应用包括监督、目标攻击和用于传递信息到战斗中的每个士兵和机器的战场感知设备。

无线传感器网络分布式系统的一致性传感和控制主要依赖于时间同步这一基础中间件服务。除此之外，WSN其他的普通中间件服务如协调，通信，安全，能量管理以及分布式日志等也都需要全局时钟的存在。因此，时间同步被视为分布式系统的关键技术。

在无线传感器网络中，各个节点之间的时间是存在差异的，如图2中各个节点的时钟走向所示，其差异在短时间内由2大原因所导致：

1)节点之间开始计时时各个节点之间的本地起始时间的偏差，即偏移误差offset。

2)不同节点的晶振实际工作频率受周围环境如温度、湿度等变化的影响，与其出厂说明书的标准工作频率有所偏差，从而导致的时间误差，即漂移误差skew。

因此时钟同步算法主要围绕着偏移误差offset和漂移误差skew进行同步补偿。

若采取offset同步补偿机制，为了精准地提升时钟同步算法的精度，需要对无线同步消息传输过程中的不确定性进行详细的分析，然后制定出能够避免这些不确定性延迟的策略。不妨对图1中的第N次周期同步的所有时间延迟组成部分进行详细分析。如图3所示，可以大致分为6大部分：

1)Sendtime：发送时间延迟，在发送端，用于组装packet和从应用层发起同步到达MAC层所花费的时间。花费的时间主要受操作系统的中断调用负载以及当前CPU的处理负载的影响，它的不确定性高达上百ms。

2)Access time：访问时间延迟，待发射时，发送端等待扫描信道是否空闲所等待的时间。很明显，Access time是这6个不确定性因素中最不确定的一个，它主要受当前信道的通信状况的影响。其误差可以最低为10ms，最高高达500多ms。

3)Transmission time：传输时间延迟，发送端逐比特发送完消息所花费的时间。它主要是受消息的长度以及射频发送速率所影响。

4)Propagation time：传播时间延迟，通过电磁场以二进制的形式将消息发送到接受端所花费的时间。在无线传感器网络中Propagation time是确定的，由同步节点之间的距离以及接近光速的通信速度所决定。其误差在ns级别。可以忽略不计。

5)Reception time：接受时间延迟，接受者接受消息所耗费时间。除了收发区别它与Transmission time是一样。主要受消息长度和接受者的接受速度影响。