[发明专利]通过簇平均实现无线传感器网络平均时钟同步的方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信网络领域，涉及无线传感器网络平均时钟同步的方法，用以提高网络的可扩展性，使网络节点时钟以分布式方式快速、稳定地同步于节点时间的平均值。

背景技术

随着微电子技术、嵌入式计算技术和无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络WSNs就是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并传送到远处的基站进行处理。WSNs能够在恶劣的环境条件下，获取大量详实而可靠的信息，从而广泛应用于国防军事、工业控制、环境监测、交通管理等领域。人们可以通过传感网络直接感知客观世界，随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。

时间同步对于所有分布式系统来说都是一个重要的问题，精确的时间同步对于传感器网络的设计和应用同样具有重要的意义，比如数据融合、时分多址TDMA定时、休眠周期的同步、能源有效的MAC协议等都需要传感器节点具有统一的时间信号。传感器所获得的数据必须具有统一的时间和位置信息，否则采集的信息也是不完整的。全局时间同步允许节点间协作并按预定时间顺序传送数据，在节点间时间同步的基础上，用时间序列的目标位置检测估计目标的运行速度和方向，通过测量声音的传播时间确定节点到声源的距离或声源的位置。无限传感器网络中节点众多，节点的能量、带宽、存储、处理能力等相对受限，这就要求时间同步方法必须具有低通信开销、低计算复杂度、扩展性好等特性。这些传感器的固有限制特性同时也导致传统的时钟同步方法不适合无线传感器网络时钟同步。

Jeremy Elson和Kay Romer在2002年8月的Hot Nets-I国际会议上首次提出和阐述了传感器网络中的时间同步的研究课题，在传感器网络研究领域引起了关注。大学和科研机构纷纷开始对这个领域进行深入研究，提出的多种时间同步协议在不同的应用环境和性能评价指标下各有千秋。TPSN方法通过构造分层网络实现多跳同步：所有节点按照通信关系逻辑分层，通过基于发送者-接受者的通信方式，每个节点能够与上一级的某个节点实现同步，从而实现所有节点都与根节点的时间同步。该方法进行一次全局同步需消耗大量能量，而且分层越多同步精度越差。

FTSP方法通过发送节点发出一个包含本地发送时间戳的数据包，接收节点用本地时间记录接收时间并取出同步消息中的时间戳，然后调整自身时间与同步节点时间同步。该方法实现简单，具有较低的计算复杂度和较小的系统能量开销，但是同步精度略有下降。

RBS方法是基于接受者-接受者的同步方式：一个节点广播若干次同步信标，簇内的各个节点分别利用本地时钟记录信标的到达时刻，然后各接收节点之间交换时间记录，进而两两校准。该方法虽然能有较高的同步精度，但网络流量开销较高，计算复杂度也很大。

综上所述，现有的不少时钟同步协议均具有同步精度较低的缺陷，同时网络流量开销较高、计算复杂度大也使得网络的能量消耗过大，尤其对于大规模的WSNs，更加影响网络节点的寿命，最终限制了网络的可扩展性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有协议的不足，提出了通过簇平均实现无线传感器网络平均时钟同步的方法，以提高同步精度，降低网络流量开销和延长网络寿命，增强网络的可扩展性。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)根据网络中传感器节点间的通信关系，将无线传感器网络划分成互连相交的若干簇，每个簇内都设有一个发报机；

(2)利用发报机向物理信道广播一次同步信令，簇内所有节点在同一时刻接收到来自信道的同步信令，并分别记录各自接到同步信令的本地时间；

(3)簇内的起始节点向其邻近节点发送一个记录本地时间的数据包，该邻近节点将记录的本地时间和接收到的时间一同集成数据包传送给它的邻近节点，以此类推，直到簇内最后一个节点接收到数据包，停止传送，即最后这个节点知道了步骤(2)中记录的所有的本地时间；

(4)簇内最后一个节点计算出所有本地时间的平均值，并根据此平均值增加或减小自己本地时钟的相位，以使自己的本地时钟更新到该时间平均值，同时将该平均值发送给起始节点；

(5)起始节点将接收到的时间平均值作为基准时间，增加或减小自己的本地时钟的相位，以使自己的本地时钟更新到此时间平均值，同时将此时间平均值传送给它的邻近节点；