[發(fā)明專利]一種協(xié)作通信的時鐘同步方法、系統(tǒng)以及信息匯集節(jié)點

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110441954.2
• 申請日: 2011-12-26
• 公開（公告）號: CN103178917A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宛海濤;余智欣;王紅梅;戴欣;劉越
• 申請（專利權(quán)）人: 中國移動通信集團公司
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06
• 代理公司: 北京中譽威圣知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11279
• 代理人: 叢芳;彭曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明公開了一種協(xié)作通信的時鐘同步方法，屬于物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中各傳感器節(jié)點采集到的各類傳感信息需要發(fā)送到信息匯集節(jié)點，以實現(xiàn)對信息的匯集和智能處理。

在分層部署的傳感網(wǎng)中，信息匯集節(jié)點可作為上層網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)一定區(qū)域內(nèi)節(jié)點信息的收集。信息匯集節(jié)點與大量分布的傳感節(jié)點間通常存在較長的通信鏈路，如在江河湖海中部署的傳感器節(jié)點。

同時，一些應(yīng)用的部署條件往往比較惡劣，如物聯(lián)網(wǎng)在智慧礦山中的應(yīng)用，節(jié)點間的通信信道信號衰減較嚴(yán)重。因此，在保證一定通信質(zhì)量的前提下，信息匯集節(jié)點與傳感節(jié)點間的長距離惡劣信道條件下的通信相比傳感節(jié)點之間的短距離相互通信需要更大的發(fā)射功率。而這些隨處分布的傳感器節(jié)點通常情況下由電池供電，且要求可工作較長時間而無需充電，過大的發(fā)射功率將導(dǎo)致電池快速耗盡。

協(xié)作通信通過將多個節(jié)點在不同信道上發(fā)送的信號進行有效疊加，可以較好地降低由于長距離通信和信道衰退帶來的對信號接收性能的影響。因此協(xié)作通信將會在物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的信息匯集中發(fā)揮重要作用，而對參與協(xié)作通信的傳感器節(jié)點進行通信時鐘的同步將決定協(xié)作通信的可行性和實際性能。本方案提出的時鐘同步方案將用于解決協(xié)作通信中的節(jié)點時鐘同步問題。

在目前已提出的針對傳感器節(jié)點的時間同步方案中，更多地涉及的是網(wǎng)絡(luò)層的時鐘同步問題。它的目的與互聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備的時鐘同步目的類似，是為了在整個網(wǎng)絡(luò)中維持一個統(tǒng)一的時鐘。一方面，這個統(tǒng)一的時鐘將確保物聯(lián)網(wǎng)中各節(jié)點有序地工作，由于節(jié)點監(jiān)測的信息大多具有時序性，統(tǒng)一的時鐘將保證檢測到的信息在時間上具有一致性，這些時序的事件將對信息處理產(chǎn)生至關(guān)重要的作用；另一方面，在一些網(wǎng)絡(luò)部署中，傳感器節(jié)點以時分的形式進行通信，統(tǒng)一的時鐘將減少節(jié)點通信時相互間干擾及降低信道存取的時延。

當(dāng)前用于物聯(lián)網(wǎng)的相對著名的時鐘同步算法如RBS和TPSN已被實驗證明具有良好的同步精度。其中，在RBS中，傳感器節(jié)點通過物理層廣播信號，周期性地發(fā)送信標(biāo)給各鄰居節(jié)點，這些鄰居節(jié)點將記錄信標(biāo)的到來時間，并以此時間為參照來與其他節(jié)點進行時鐘比較，從而確定相互間的時鐘差，以達(dá)到時鐘同步的目的。在此算法中，信標(biāo)中無需包含時間戳，且各鄰居節(jié)點也無需關(guān)注信標(biāo)的具體發(fā)送時間。

然而在TPSN中，用于同步的信標(biāo)需包含各發(fā)送節(jié)點的時間戳，需要同步的節(jié)點間按分層的形式組織，處于最高層(如0層)的節(jié)點作為根節(jié)點，根節(jié)點通過發(fā)送time_sync報文觸發(fā)同步算法，接收到此報文后，位于下一層(如1層)的節(jié)點在隨機延遲一段時間后，發(fā)送印有本地時間戳T1的信標(biāo)，根節(jié)點在時間T2接受到此信標(biāo)，并于T3時間發(fā)送信標(biāo)回復(fù)報文，位于1層的節(jié)點在時間T4接收到信標(biāo)回復(fù)報文，通過T1，T2，T3和T4及相應(yīng)的概率模型，位于1層的節(jié)點可以估計出其與根節(jié)點的時間差，從而與根節(jié)點同步；以此類推，每一層的節(jié)點都可與上一層的節(jié)點同步。

相關(guān)實驗表明，RSB在Mica節(jié)點中的同步測試精度達(dá)到29.13us，而TPSN在同樣的硬件條件下同步精度可以達(dá)到16.9us。這種同步精度對于多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說是滿足要求的。

然而，當(dāng)分布的傳感器節(jié)點進行協(xié)作通信時，如分布式波束形成(distributed?beamforming)和虛擬多進多出(virtual?MIMO)時，節(jié)點的同步精度需達(dá)到在信號間隔以內(nèi)的等級。例如，以50k?symbol/second的速率發(fā)送的信號，其信號間隔就為20us，這也只是與RBS和TPSN所能達(dá)到的同步精度相當(dāng)。當(dāng)信號以此速率或更大的速率發(fā)送時，RBS和TPSN已不能滿足同步的要求。

總體來說，現(xiàn)有時鐘同步方法具有以下缺點：

1.現(xiàn)有的時鐘同步算法多為面向于網(wǎng)絡(luò)層的時鐘同步，目的是在整個網(wǎng)絡(luò)中維持一個統(tǒng)一的時鐘系統(tǒng)，以區(qū)分檢測事件的時序及劃分網(wǎng)絡(luò)通信的時序等。基于這個目的，在算法設(shè)計時對同步精度的要求相對較低，無法達(dá)到協(xié)作通信所要求的同步精度。

2.現(xiàn)有的時鐘同步算法需要周期性的發(fā)送信標(biāo)報文，以維持整個網(wǎng)絡(luò)的時鐘統(tǒng)一。由于傳感器節(jié)點在多數(shù)時間下處于休眠狀態(tài)，用于信息傳遞的通信時間占空比較低，采用周期性的時鐘同步算法以滿足協(xié)作通信的要求將導(dǎo)致信標(biāo)發(fā)送周期變短，節(jié)點產(chǎn)生過多不必要的功耗。

3.信標(biāo)報文上的時間戳或?qū)π艠?biāo)到來時間的存儲是現(xiàn)有時鐘同步算法的基礎(chǔ)。如果為達(dá)到協(xié)作通信的精度要求而縮短信標(biāo)發(fā)送周期，整個網(wǎng)絡(luò)說要維護的時間戳或信標(biāo)到來信息將會增多，將消耗傳感器節(jié)點過多的運算及存儲資源。