[发明专利]一种无线传感器网络的时间同步方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉信息技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络的时间同步方法及系统。

背景技术

在集中式系统中，由于任何进程或模块都可以直接获取系统唯一的全局时钟，因此系统内任何两个事件的先后关系都可被明确地确立。而在分布式系统中，由于物理上的分散性，因此系统无法为彼此间相互独立的进程或模块提供统一的全局时钟，而由它们各自维护其本地时钟。由于这些本地时钟的计时速率、运行环境存在不一致性，因此即使所有的本地时钟在某一时刻都被校准，一段时间后，这些本地时钟间也会出现失步。为了让这些本地时钟再次达到相同的时间值，必须再次进行时间同步操作。时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供统一时间标度的过程。

无线传感器网络是一种新的分布式系统。节点之间相互独立并以无线方式通信，每个节点维护一个本地时钟。时钟的计时信号一般由廉价的晶体振荡器提供。由于晶体振荡器制造工艺的限制，并且其在运行过程中易受到电压、温度及晶体老化等多种偶然因素的影响，晶振的频率很难保持一致性，进而导致网络中节点的计时速率总有偏差，造成了网络节点时间的失步。为了维护节点本地时间的一致性，必须经常性进行时间同步操作。目前，无线传感器网络时间同步需要重点解决以下三个方面的问题：1.如何设计时间同步协议，使得同步精度尽可能高。2.如何设计满足应用需求的低能耗时间同步协议，以尽可能地延长网络生命期。3.如何设计可扩展性强的时间同步协议或算法，以适应不断扩大的网络规模以及由此带来的网络动态性。

时间同步是无线传感器网络的基本中间件，不仅对其他中间件而且对各种应用都起着基础性作用。在定位、测距、数据融合、MAC层协议、睡眠调度、路由协议、协作传输、数据库同步等几乎所有的场合都对时间同步有明确的要求。

自从计算机网络诞生以来，时钟同步就是一个倍受关注的课题。从Lamport提出虚拟时间到Mills的NTP(Network Time Protocol)协议，许多研究工作都致力于在网络中维护同步时钟。另外，GPS授时也是一种解决分布式系统时间同步的可选方案。但在传感器网络中，这些技术都无法得以应用。

自2002年8月J.Elson和K.首次提出无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题以来，时间同步在无线传感器网络研究领域引起了不小的关注，众多大学和研究机构开始着手这一富有挑战性课题的研究。目前无线传感器网络时间同步算法的研究主要有两个分支：集中式时间同步算法和分布式时间同步算法。

集中式时间同步算法

集中式时间同步算法的代表是FTSP，FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)协议是一种非常实用的时间同步协议，其特点主要有：1.在现有的无线传感器网络时间同步协议中，FTSP协议的同步精度最高。在由Mica2节点组成的单跳网络中，平均同步误差只有1.48微秒。2.FTSP协议由于采用洪泛方式，因而非常健壮，工程实用性很强。3.FTSP协议强调基于实现上的细节来提高同步精度，但遗憾的是：这种实现细节使得FTSP协议的通用性不强。

FTSP协议属于发送者-接收者协议，因此发送者节点基于MAC层时间戳技术在报文中嵌入发送时刻，而接收者节点也在MAC层记录下接收时刻。和其它发送者-接收者同步协议不同，在FTSP协议中，发送者节点在一个报文中的不同位置处标记了不同的时间戳。根据这多个时间戳，接收者节点可以估计出中断等待时间。接收者节点在收到该报文后，根据所估计出的中断等待时间以及静态设定的编解码时间对接收时间戳进行补偿，从而得到更精确的同步点。

FTSP协议基于速率恒定时钟模型对节点间时钟飘移进行了估计和补偿，估计方法仍然采用了最小二乘法。

FTSP协议一个重要的特点就是健壮性，整个网络的同步性能不会因为个别节点的失效而受到影响。FTSP协议没有为网络建立拓扑结构而是采用洪泛的方法对时间基准节点的时间进行广播。当网络中的时间基准节点正常工作时，每隔一段时间，它将广播一个报文。该报文包含一个报文流水号指示变量seqNum(每次时间基准节点发送一个新报文时，对其值加1，故可理解为同步轮数)。根据报文中seqNum的值，接收报文的节点可以判断出报文的有效性，若为有效的新报文，则按照单跳FTSP协议的方法记录新的同步点于缓冲区中。否则丢弃之。随后，这些节点计算出当前时间基准节点的时间，组织并广播一个新的报文去继续同步其它节点。这个过程反复迭代进行，最终网络中的所有节点都和时间基准节点达到同步。