[發(fā)明專利]一種基于三級(jí)無(wú)線傳感網(wǎng)的時(shí)間同步架構(gòu)及時(shí)間同步方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010964076.1
• 申請(qǐng)日: 2020-09-14
• 公開（公告）號(hào): CN112040540B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬建平;楊大龍;霍飛向
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號(hào): H04W56/00
• 分類號(hào): H04W56/00;H04J3/06
• 代理公司: 中國(guó)工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 馮玲玲

本發(fā)明公開的一種基于三級(jí)無(wú)線傳感網(wǎng)的時(shí)間同步架構(gòu)及時(shí)間同步方法，該時(shí)間同步架構(gòu)由參考節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)組成；該時(shí)間同步方法首先由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步指令，之后轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收同步時(shí)間指令，并進(jìn)行延時(shí)測(cè)量和時(shí)間同步指令的幀結(jié)構(gòu)重組，接著轉(zhuǎn)發(fā)重組幀后的時(shí)間同步指令，采集節(jié)點(diǎn)接收時(shí)間同步指令，判斷指令來(lái)源，根據(jù)不同的指令來(lái)源對(duì)時(shí)間同步指令進(jìn)行不同的補(bǔ)償，并對(duì)采集節(jié)點(diǎn)的本地晶振時(shí)鐘抖動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)，最后輸出高精度的時(shí)間信息。本發(fā)明公開的時(shí)間同步架構(gòu)能夠滿足公里級(jí)以上的遠(yuǎn)距離廣播時(shí)間同步要求，具有可擴(kuò)展性，公開的時(shí)間同步方法能用較小的硬件資源開銷來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的無(wú)線傳感網(wǎng)時(shí)間同步。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)線傳感網(wǎng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于三級(jí)無(wú)線傳感網(wǎng)的時(shí)間同步架構(gòu)及時(shí)間同步方法。

背景技術(shù)

時(shí)間同步是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)同步采集和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度等技術(shù)的基礎(chǔ)。在無(wú)線傳輸帶寬、節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力和能量受限的前提下，無(wú)線傳感網(wǎng)中時(shí)間同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，需盡可能的保證其較低的硬件資源開銷和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。作為無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，時(shí)間同步技術(shù)不僅需要提高時(shí)間同步精度來(lái)滿足高精度信號(hào)同步采集的需求，還需要減少時(shí)間同步開銷，延長(zhǎng)設(shè)備工作時(shí)長(zhǎng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

無(wú)線傳感網(wǎng)中各采集節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘差異主要源于采集節(jié)點(diǎn)晶振的不一致性。采集節(jié)點(diǎn)上電時(shí)間的不同引起節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘不同的時(shí)間偏移，晶振制作工藝和設(shè)備工作環(huán)境的影響也會(huì)產(chǎn)生頻率偏差和頻率漂移，并進(jìn)一步導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的輸出時(shí)間產(chǎn)生偏差和漂移。

無(wú)論是估計(jì)同一時(shí)刻不同采集節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差值，還是通過(guò)對(duì)采集節(jié)點(diǎn)的晶振建立時(shí)間模型來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行報(bào)文交互的過(guò)程都必須面臨報(bào)文時(shí)延的不精確性。報(bào)文時(shí)延主要是指同步報(bào)文從節(jié)點(diǎn)發(fā)送之后分別經(jīng)過(guò)的發(fā)送延時(shí)、信道訪問(wèn)延時(shí)、傳播延時(shí)、接收延時(shí)和接收處理延時(shí)。發(fā)送延時(shí)是指節(jié)點(diǎn)構(gòu)建同步報(bào)文并將報(bào)文遞交到物理層所用的時(shí)間。信道訪問(wèn)延時(shí)是指同步報(bào)文從檢測(cè)信道是否空閑到物理層開始發(fā)送報(bào)文所用的時(shí)間，信道訪問(wèn)延時(shí)隨機(jī)性較大，受當(dāng)前信道空閑度和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況的影響。傳播延時(shí)是指節(jié)點(diǎn)在媒介中從發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳播至接收節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間。接收延時(shí)是指接收節(jié)點(diǎn)的物理層通過(guò)天線接收同步報(bào)文所用的時(shí)間。處理延時(shí)是指接收節(jié)點(diǎn)對(duì)報(bào)文進(jìn)行處理的時(shí)間。除了上述隨機(jī)性較大的發(fā)送延時(shí)、信道訪問(wèn)延時(shí)和處理延時(shí)之外，傳輸過(guò)程中存在的噪聲經(jīng)常會(huì)在同步報(bào)文的時(shí)延中引入部分符合高斯或者指數(shù)分布的時(shí)延。

為了解決上述各種非理想因素引起的時(shí)間同步的不準(zhǔn)確性，現(xiàn)有技術(shù)方案多是基于接收-接收模式的時(shí)間同步機(jī)制。

基于接收-接收模式的同步機(jī)制由參考節(jié)點(diǎn)向其廣播范圍內(nèi)的采集節(jié)點(diǎn)廣播不攜帶任何時(shí)間信息的參考同步報(bào)文。收到參考同步報(bào)文的節(jié)點(diǎn)會(huì)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收到該參考同步報(bào)文的絕對(duì)本地時(shí)間。此時(shí)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)收到的接收時(shí)間和自身記錄的接收時(shí)間得到參考同步報(bào)文到達(dá)不同節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差值，即兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差值。

接收-接收模式下的同步協(xié)議以同一參考同步報(bào)文到達(dá)不同節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)為同一個(gè)時(shí)刻為出發(fā)點(diǎn)。通過(guò)節(jié)點(diǎn)間交換接收時(shí)間得到節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間差值。補(bǔ)償該時(shí)間差值來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，接收-接收模式下節(jié)點(diǎn)m和節(jié)點(diǎn)n的時(shí)間差值為：

N為接收節(jié)點(diǎn)總數(shù)，T_mi和T_ni分別代表參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步報(bào)文到達(dá)節(jié)點(diǎn)m和n的時(shí)間值。

接收-接收模式的同步機(jī)制下的同步協(xié)議雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較高的同步精度，但是需要大量的參考同步報(bào)文和節(jié)點(diǎn)間交互報(bào)文。這種時(shí)間同步方法硬件資源開銷較大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署要求較高。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，時(shí)間同步計(jì)算的復(fù)雜度將成倍增加。若其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地絕對(duì)時(shí)間出現(xiàn)偏差，將會(huì)影響整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的同步精度，所以穩(wěn)定性和可靠性較差。在特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如隧道和水下監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)領(lǐng)域，該機(jī)制的時(shí)間同步協(xié)議無(wú)法滿足公里級(jí)以上的遠(yuǎn)距離廣播時(shí)間同步的要求，由此限制了應(yīng)用場(chǎng)合，擴(kuò)展性較差。