[发明专利]一种基于部分时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法

说明书

本发明涉及一种基于部分时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法，属于无线传感器网络技术领域，本方法通过预设时钟源节点返回确认帧的本地时间传递部分时间戳信息和响应时间间隔信息，避免时间戳的交互，并针对高斯随机时延和指数随机时延，分别采用最大似然估计方法和最佳线性无偏估计方法同时估计时钟频偏与相偏，实现节点间的同步。本发明不依赖专用的同步帧传递同步信息，同步功能可以嵌入到现有的网络数据流中，有效减少了同步能耗。

技术领域

本发明属于属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于部分时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法。

背景技术

从本质上来看，无线传感器网络中的时间同步问题就是时钟频偏与相偏两个时钟参数的估计问题。然而，如果时间同步方法只考虑时钟频偏的估计，虽然可以消除节点间时钟运行频率的偏差，但是初始的时钟相位偏差会一直存在，节点间无法达到真正的同步。另一方面，如果时间同步方法只考虑时钟相偏的估计，虽然节点间的本地时间可以达到一致，但只能维持短时间的同步。因为时钟频率偏差的存在会导致时钟偏差快速累积，进而缩短同步周期。为了保证同步精度符合网络要求，节点间就必须频繁地进行再同步，而过多的同步操作会带来大量的能量消耗。因此，要实现节点间的长时间同步，避免由于同步需求带来的额外能量开销，就必须对时钟频偏与相偏进行联合估计，同时校正节点间的时钟频率偏差和初始相位偏差。

目前，绝大多数无线传感器网络时间同步方案都需要完整的时间戳信息来估计时钟频偏与相偏。近年来，一种仅依靠有限时间戳信息就能实现时钟参数估计的同步方案备受关注。它通过接收者对发送者的预定义响应时间间隔传递同步信息，避免了时间戳的交互，因此称之为免时间戳同步。在该方案中，待同步节点利用自身收发数据包的时间戳以及已知的响应时间间隔信息进行时钟参数的估计，参数估计功能可以嵌入到现有的网络数据流，大幅度降低了同步能耗。但是现有的免时间戳同步方案只能提供时钟频偏的估计，无法提供时钟相偏的估计，在一定程度上制约了有限时间戳信息同步方案在实际无线传感器网络中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于部分时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法，在不交互时间戳的情况下，仅依靠预设时钟源节点返回确认帧的本地时间，待同步节点就能够获取同步信息，对时钟频偏与相偏进行联合估计，实现与参考节点的同步。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于部分时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法，通过预设时钟源节点返回确认帧的本地时间传递部分时间戳信息和响应时间间隔信息，避免时间戳的交互，并针对高斯随机时延和指数随机时延，分别采用最大似然估计方法和最佳线性无偏估计方法同时估计时钟频偏与相偏，实现节点间的同步。

进一步，具体包括以下步骤；

S1：待同步节点A以固定的周期T向时钟源节点发送数据包，在第i个通信周期中，待同步节点A发送不包含时间戳的普通数据包给时钟源节点B，并记录发送的本地时间为

S2：时钟源节点B接收到数据包后记录接收时刻为然后等待一段时间，在预设的本地时间时刻返回不含时间戳信息的确认帧，其中根据关系式计算返回确认帧的本地时间，ρ是一个大于1且接近于1的已知常数，D_i是响应时间间隔补偿，定义为D_i＝ρ(i-1)T；

S3：待同步节点A接收到确认帧后记录接收的本地时间并根据通信周期计算响应时间间隔补偿D_i；

S4：判断同步轮次是否达到设定值N，若已达到，待同步节点A根据记录的时间戳和响应时间间隔补偿估计时钟频偏与相偏，反之返回步骤S1继续进行部分时间戳信息交互；

S5：待同步节点A根据估计出的时钟频偏与相偏校正时钟，与时钟源节点B同步。

进一步，步骤S3中，所述根据通信周期计算响应时间间隔补偿D_i为：