[发明专利]无线传感器网络中分层时间比较时钟同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线网络技术领域的方法，具体是一种无线传感器网络中分层时间比较时钟同步方法。

背景技术

近年来，由低功耗无线传感器所组成的无线传感器网络(wireless sensornetworks，WSNs)应用愈加广泛。时间同步是WSNs应用的重要组成部分，控制消息冲突、数据融合、节点定位等方面都要求节点间保持时钟同步。

国内外许多大学和研究机构都对无线传感器网络的同步技术进行了深入研究并提出了多种时间同步方法，从不同方面满足传感器网络的应用需要。到目前为止，已经提出了十几种实现方法，典型的有RBS、TPSN、LTS、TS/MS、TSync、DMTS、FTSP、AD、TSS和TDP。这些方法虽然从不同的方面满足了应用需要，但是相应的他们自身有不少缺陷，比如RBS精度较好，但是在有的网络协议中无法应用。TS/MS、Tsync精度更好，但是方法复杂，对于无线网络中有限的运算能力和网络开销而言有点过大了。

经对现有技术文献的检索发现，Rui Fan，Indraneel Chakraborty，and NancyLynch，在2005年8月23日的Lecture Notes in Computer Science，Principlesof Distributed Systems(计算机科学讲座笔记，分布式系统原理)中发表的文章《Clock Synchronization for Wireless Networks》(无线网络的时钟同步)，该文章提出了一种同步方式，采取外部时钟同步与内部时钟同步并行的方式，通过不断比对时间坐标大小，取其最大(其实也是同步时可能与外部基准时间最接近的)为其逻辑时间，同步周期采用固定周期。该方法的计算开销和通信开销较小，避开了随机性最大的数据包处理延时的估计，同时避免了一些算法可能会将时钟回拨的可能性，但是该方法仅对稳定的单跳网络效果较好，在规模较大的动态网络里同步精度较差，这显然对于某些实际应用是不够的。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种无线传感器网络中分层时间比较时钟同步方法，通过分层以及时间戳比较，减少了同步通讯的开销，采用估计逼近时钟漂移，调整参数ρ的方法，进一步降低同步的开销，同时，抛弃了失效的时间戳，减小了对节点存储的开销，本发明能够应用到动态多跳网络中去。

本发明通过如下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

步骤一，网络开始初始化：以总的基站/协调器为顶层，根据信号强度和设备种类发出隶属关系确认帧，对应的设备接受到确认帧后，并返回应答帧，以此类推，完成对整个网络的分层设置，同时确认网络达到稳定状态；

步骤二，从顶层开始，逐层开始同步，同步分为两个部分：外时钟源同步和内时钟源同步，外部时钟源同步过程中，若节点i接到GPS同步信号，节点i的当前有效数组坐标i.current加一，外部时钟源同步为内部时钟源同步提供时间基准，各节点根据内时间源和外时钟源同步结果的比较获得该节点的逻辑时间；

步骤三，各节点统一设定同步周期，随后各节点根据最初若干次同步结果以及同步精度调整时钟漂移参数ρ、同步周期τ，若节点某次同步满足同步精度，则增加同步周期τ，减少系统开销；若不满足，则调整时钟漂移参数ρ，并将减少同步周期τ；

步骤四，节点i检查当前有效数组坐标是否大于数组长度，如果成立，当前有效数组坐标清零，抛弃失效的时间戳，如果不成立，当前有效数组坐标继续计数，重复步骤二。

所述各节点根据内时间源和外时钟源同步结果的比较获得该节点的逻辑时间，包括如下步骤：

第一步，如果节点i发现节点i的逻辑时钟等于节点i的预订同步次数与节点同步周期的乘积，节点i开始同步，并检查外部时钟源是否存在，若存在，则发出外部同步服务请求，进入第二步；无论外部时钟源是否存在都开始内部时钟同步，即执行第三步，同时节点i的预订同步次数增加一，但第0层节点始终不进行内部时钟同步；

第二步，节点i进行外部时钟源同步：如果节点i接到GPS同步信号，节点i的当前有效数组坐标i.current加一，将GPS时间戳存入数组i.local[i.current]和i.max_gps中，i.local[i.current]随物理时钟同步更新，i.local[]表示节点i对该节点所处时间坐标的最佳估计，i.max_gps表示最近的GPS时间戳；