[發明專利]基于物理脈沖耦合的無線傳感器網絡時間同步方法

有效

• 申請號: 201210208874.7
• 申請日: 2012-06-19
• 公開（公告）號: CN102811480A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 洪學海;徐勇軍;安竹林;林偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院計算技術研究所
• 主分類號: H04W56/00
• 分類號: H04W56/00;H04W84/18
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 祁建國;梁揮

技術領域

本發明屬于信息技術領域，尤其涉及一種基于物理脈沖耦合的無線傳感器網絡時間同步方法。

背景技術

時間同步是所有分布式系統都需要解決的一個重要問題。在集中式系統中，由于任何進程或模塊都可以從系統唯一的全局時鐘中獲取時間，因此系統內任何兩個事件都有著明確的先后關系。而在分布式系統中，由于物理上的分散性，系統無法為彼此間相互獨立的模塊提供一個統一的全局時鐘，而是由各個進程或模塊各自維護它們的本地時鐘。由于這些本地時鐘的計時速率、運行環境存在不一致性，因此即使所有的本地時鐘在某一時刻都被校準，一段時間后，這些本地時鐘間也會出現失步。為了讓這些本地時鐘再次達到相同的時間值，必須進行時間同步。時間同步就是通過對本地時鐘的某些操作，達到為分布式系統提供一個統一時間標度的過程。

無線傳感器網絡（Wireless?Sensor?Networks，WSN）是一種結合了微電子機械系統、片上系統、無線通信、低成本傳感器等技術的新興網絡技術。它通常是由大量廉價的具有信息獲取能力的節點組成的面向任務的自組織無線通信網絡，作為“物聯網”研究的前端感知層的重要組成部分，擁有十分廣闊的應用前景，并已引起了學術界和工業界的廣泛關注。時間同步是WSN的一項重要研究內容，也是WSN其他研究的支撐技術，其在測距、數據融合、MAC層協議、睡眠調度、協作傳輸等幾乎所有的場合都有著非常重要的應用。與傳統的分布式系統的時間同步不同，無線傳感器網絡的時間同步不僅有著高精度的要求，而且還面臨著能耗、可擴展性、無線傳輸不可靠性等新的挑戰。

針對無線傳感器網絡時間同步所面臨的挑戰—傳輸延遲的不確定性、低功耗、低成本、可擴展性等特點，在無線傳感器網絡領域出現了一些典型的時間同步協議。如TPSN（Time?Protocol?for?Sensor?Networks）、RBS（Reference?Broadcast?Synchronization）、LTS（Lightweight?Tree-based?Synchronization）、HRTS（Hierarchy?Referencing?Time?Synchronization）、FTSP（Flooding?Time?Synchronization?Protocol）等。這些典型的時間同步算法側重同步精度和同步能耗的需求，其從各個方面對同步問題進行了解決。它們力圖提高時間戳的準確性來提高時間同步的精度，力圖利用無線廣播特性來降低同步功耗。目前，單跳WSN的時間同步協議已經很成熟，同步誤差在Mica2平臺上已經達到幾至十幾微秒的量級，同步功耗也較低，能夠滿足大多數應用場合的需要。然而，當這些時間同步協議被擴展到多跳網絡時，目前普遍采取的方法是首先按照節點之間的通信連接關系建立起一定的網絡拓撲結構，在該拓撲結構上，按照時間同步協議的約定，未同步節點和所選定的已同步節點之間通過交換含時間信息的同步報文，從而間接地實現與時間基準節點之間的同步。節點不能直接和時間基準節點同步，會造成節點的同步誤差隨著其離時間基準節點跳距的增加而增加的現象，即出現了同步誤差的累積。另外，這些同步算法涉及較復雜的計算和較頻繁的數據包交換，給WSN的正常運行帶來了很大的負擔。近些年來，研究者們開始尋找新的時間同步的思路和方法。如何利用自然界中的互同步（Mutual?synchronization）現象來對WSN進行時間同步的研究逐漸又被大家重視起來。

螢火蟲同步則是最著名的一種互同步現象。Peskin針對心肌細胞的同步跳動提出了一種脈沖耦合振蕩器模型。他把互同步系統建模成許多互相耦合的相同的振蕩器的集合，每個振蕩器由一個狀態變量x描述，x滿足：

dxdt=-γx+S0,0≤x≤1---(1)]]>