[發明專利]一種應用于無線傳感器網絡的時鐘同步精簡信息交互方法

有效

• 申請號: 201410093804.0
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN104918319B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 邢志強;曲洪權;張常年;馮良
• 申請（專利權）人: 北方工業大學
• 主分類號: H04W56/00
• 分類號: H04W56/00;H04W84/18
• 代理公司: 北京君恒知識產權代理事務所(普通合伙)11466
• 代理人: 張璐,黃啟行

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡中的時鐘同步技術領域，特別涉及一種應用于無線傳感器網絡的時鐘同步精簡信息交互方法。

背景技術

精確時鐘同步技術被廣泛應用于智能電網等分布式設備間、分布式監測與控制系統等越來越多的技術領域中，成為人們關注與研究的焦點。

目前的時鐘同步技術，通常分為有線和無線兩種。有線時鐘同步技術是傳統的時鐘同步技術，采用IEEE1588精確時鐘同步協議，如圖1所示，精確性好，計算公式簡單，但因為受到線路鋪設、維護困難、布點不靈活等因素的限制，在許多應用場景下，正逐漸被無線技術所替代。

目前無線傳感器網絡時鐘同步技術，通常采用將IEEE1588精確時鐘同步協議直接應用于IEEE802.15.4無線傳感器網絡標準下的協議棧，參考時鐘終端與同步終端之間利用現有協議棧的發送接收模式進行同步信息傳遞，如圖2所示，但是該方法十分復雜，需要接收和發送多個信息來實現時鐘同步兩個設備間的路徑時延與時鐘偏差的計算，增加了無線網絡的系統消息開銷，延長了同步時間，另外，考慮到無線傳感器網絡自身的特殊性，在傳輸信道中存在隨機干擾或者突發性干擾時，容易造成同步信息丟失，而傳統方法只要其中一個信號丟失或者錯誤，即會直接導致時鐘同步失敗，需要等待重新發送下一個同步信息，這將造成同步時間的進一步延長，進一步加大了無線網絡系統的消息傳輸開銷，影響時鐘同步精度。

發明內容

針對現有無線傳感器網絡時鐘同步技術同步時延不確定性、系統消息開銷大等問題，本發明實施例的目的是提供一種同步時延小、同步消息開銷小的應用于無線傳感器網絡的時鐘同步精簡信息交互方法，結合IEEE1588精確時鐘同步協議和IEEE802.15.4無線傳感器網絡協議，每一次時間同步過程中至少省略2條信息發送及接收周期，可應用于智能電網等分布式設備間、分布式監測與控制系統的同步時鐘建立與守時。

為了達到上述目的，本發明實施例提供如下技術方案：

一種應用于無線傳感器網絡的時鐘同步精簡信息交互方法，其特征在于，包括以下步驟：

Q1：簇頭側的時鐘是主時鐘，具有參考時鐘的作用，簇頭側的主控單元確定要進行時鐘同步的節點序號，并向該節點側發送同步報文信號，并由FPGA記錄同步報文信號發送的時間戳t1；

Q2：節點側時鐘需要與簇頭側進行時鐘校準，節點側的主控單元接收到同步報文信號，并由FPGA記錄下接收同步報文信號的時間戳t2；

同時，按照IEEE802.15.4協議規范，節點在成功接收報文信號后，向簇頭側發送接收確認報文信號，并由FPGA記錄確認報文信號的發送時間戳t3；

Q3：簇頭側接收到來自節點側的接收確認報文信號，并由FPGA記錄該報文信號的接收時間戳t4；

Q4：簇頭側的主控單元將所記錄的同步報文信號的發送時間戳t1和來自節點側的確認報文信號的接收時間戳t4組合成數據包，發送到節點側；

Q5：節點側的主控單元接收到數據包，發送確認報文信號給簇頭側，同時根據節點側記錄的同步報文信號的接收時間戳t2和確認報文信號的發送時間戳t3，以及從數據包中解析出的t1和t4，直接計算簇頭側與節點側間的路徑時延與簇頭節點間的時鐘偏差Offset，進行本地時鐘校準，其具體的計算方法為：

t₂-t₁＝Delay+Offset

t₄-t₃＝Delay-Offset

Delay＝(t₂-t₁)+(t₄-t₃)/2

Offset＝(t₂-t₁)-(t₄-t₃)/2

Q6：簇頭側、節點側按照步驟Q1-Q5每進行一次時間同步的完整有效信號的形式為：長脈沖、脈沖寬度為T1，脈沖間隔、寬度為T2，短脈沖、脈沖寬度為T3的形式，其中T1、T3的值在同步過程中保持不變，以符合IEEE802.15.4協議規范；

Q7：在上述步驟Q1-Q4過程中，無線傳感器射頻電路提供了發送接收數據的信號指示，可以作為發送接收時間戳指示信號使用，與射頻電路指示信號相連接的FPGA每當檢測到信號上升沿，即在寄存器R1中記錄第一個上升沿對應的時鐘值，在寄存器R2中記錄隨后的第二個上升沿的時鐘值；