一种无线传感器网络的时间同步方法技术

本发明专利技术公开了一种无线传感器网络的时间同步方法，主节点首先生成同步信标帧，然后根据传感器节点芯片硬件配置情况预设低复杂度的编码方案，对同步信标帧完成纠错编码，周期性广播编码后的同步信息，从属节点接收到数据包后首先根据预设编码方案选用对应的软件或硬件译码方法进行快速译码，然后对译码后的数据帧进行识别、校验，最后根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并发送用户数据包。本发明专利技术解决了同步信标帧在无线信道中传输错包率较高的问题，基于无线传感器网络中传感器节点的硬件资源特性和编译码方法，并采用编码实现复杂度较低且纠错能力较高的编码方案，保证同步信息的可靠传输，有助于提高时间同步精度和延长同步生存时间。

A time synchronization method for Wireless Sensor Networks

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络的时间同步方法
本专利技术属于无线传感器网络的
，具体涉及一种无线传感器网络的时间同步方法。
技术介绍
无线传感器网络是将无线通信技术、传感技术和计算机技术高度交叉融合，由大量具有数据采集、处理和无线通信能力的传感器节点组成的分布式系统，在军事、智能配电、环境监测、智能交通以及健康医疗等领域均得到了广泛的应用。无线传感器网络作为典型的分布式系统，不能保证各个节点启动时间的一致性，且晶体振荡器受温度、湿度等环境因素影响较大，会发生频率偏移和时钟漂移，致使无线传感器网络中的各传感器节点即使在某一时刻达到时间同步，随后节点时钟也会产生偏差。因此，在数据压缩融合、事件监测、速度估计以及节点定位等应用中，为实现传感器节点间的协同工作，必须通过有效的时钟同步协议使节点间的时间误差保持在允许的范围之内。时间同步协议的研究已经活跃了近20年，在此期间研究者提出了多种无线传感器网络时间同步协议，比较经典的时间同步算法有参考广播同步协议，传感器网络时间同步协议，洪泛时间同步协议等，其中FTSP协议是无线传感器网络中使用最多的时间同步协议之一，国内外学者对其进行了广泛的研究与改进：为减少实现时间同步所需信息包开销，基于FTSP算法采用节点分级策略；为提高同步精度，采用基于参数估计的回归算法，消除异常数据点对回归曲线的影响；通过改进时间同步信息中时间戳的插入方式降低了FTSP协议的复杂度；通过对有限数量时钟漂移进行加权平均的方法，使FTSP协议容错性得到加强；采用有限加权最小二乘法进行线性回归运算，提高FTSP算法的同步精度；通过非线性滤波的方法将时钟偏移和时钟漂移分离，并通过添加温度补偿因子，降低温度变化对FTSP同步精度的影响。以上FTSP协议的改进协议研究重点在于从减小消息传输时延和时钟漂移两方面提高同步精度或容错性，较少考虑外部通信环境信道质量对时间同步性能的影响。专利技术人发现在实际应用中，同步信息在无线信道中传输时易受路径损耗、阴影效应、多径衰落和干扰等环境因素的影响存在大量的丢包或错包，对同步性能的影响主要包括以下2个方面：(1)影响时间同步精度，在洪泛时间同步协议中，参与线性回归运算的有效参考点数目越多，同步精度越高，而丢包或错包将会减少线性回归运算时同步时间表中有效参考点的数目，进而降低时间同步精度。(2)影响时间同步生存时间，若从属节点长时间因同步时间表中的有效参考点数目未达到线性回归运算的门限值而未能进行线性回归运算，会造成主从属节点间的时间误差积累，严重时还会造成失步。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种无线传感器网络的时间同步方法，解决了同步信标帧在无线信道中传输错包率较高的问题，基于无线传感器网络中传感器节点的硬件资源特性和编译码方法，并采用编码实现复杂度较低且纠错能力较高的编码方案，保证同步信息的可靠传输，有助于提高时间同步精度和延长同步生存时间。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种无线传感器网络的时间同步方法，包括如下步骤：步骤一、将主节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度，根据同步周期设置时钟计数初值，并设置同步信标帧标识位、快速同步模式时隙数；步骤二、所述主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成同步信标帧；步骤三、根据CC1101射频模块及其微控制器的软硬件资源，选择重复码、卷积码或重复卷积码作为预设编码方案，对所述同步信标帧进行低复杂度编码，切换至发送模式周期性广播编码后的同步信息，并记录此时的本地时间戳；步骤四、所述主节点切换至接收模式，等待接收处理用户数据包；步骤五、对从属节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度；步骤六、所述从属节点接收数据包，并根据所述预设编码方案，进行快速译码；步骤七、提取译码后数据包中的同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳以及循环冗余校验信息，对译码后的数据帧进行识别和校验，并更新同步时间表；步骤八、根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并在预定时隙切换至发送模式发送所述用户数据包。作为本专利技术所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，所述步骤二中，所述主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成所述同步信标帧，包括如下步骤：步骤a1、确定所述同步模式标识字节，若处于同步建立时期，则将其设置为表示快速同步的标识；否则，设置为表示普通同步的标识；步骤a2、确定所述反转标志，若当前主节点时钟计数超出所能表示的全局时间最大值，则反转标志置“1”；否则置为“0”；步骤a3、确定所述标识位；步骤a4、确定当前同步信标帧序列号，若当前所述反转标志为“1”，则所述序列号重置为“0”；每发送1次同步信息，所述同步信标帧序列号数值加1；步骤a5、确定所述全局时间戳，将上一次发送同步信息的本地时间戳作为当前所述同步信标帧的所述全局时间戳；步骤a6、计算循环冗余校验信息完成组帧。作为本专利技术所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，步骤三中，选择所述重复码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：步骤b1、根据交织长度、交织系数生成线性同余交织序列；步骤b2、将所述同步信标帧转化成二进制序列，并对所述同步信标帧进行重复编码；步骤b3、对编码后的所述二进制序列进行线性同余交织，并转化成十六进制；步骤b4、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。作为本专利技术所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，步骤三中，选择所述卷积选择码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：步骤c1、配置所述CC1101射频模块的寄存器，进行前向纠错；步骤c2、将所述微控制器中生成的所述同步信标帧传输至所述CC1101射频模块，实现所述同步信标帧的(2,1,3)卷积编码和矩阵交织；步骤c3、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。作为本专利技术所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，步骤三中，选择所述重复卷积码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：步骤d1、配置所述CC1101射频模块的寄存器，进行前向纠错，并根据交织长度和交织系数生成线性同余交织序列；步骤d2、将所述同步信标帧转化成二进制序列，并对所述同步信标帧进行重复编码；步骤d3、对编码后的所述二进制序列进行所述线性同余交织，并转化成十六进制；步骤d4、将所述微控制器中生成的所述同步信标帧传输至所述CC1101射频模块，实现所述同步信标帧的(2,1,3)卷积编码和矩阵交织；步骤d5、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。作为本专利技术所述的一种无线传感器网络的时间同步方法的一种改进，所述步骤六本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、将主节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度，根据同步周期设置时钟计数初值，并设置同步信标帧标识位、快速同步模式时隙数；/n步骤二、所述主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成同步信标帧；/n步骤三、根据CC1101射频模块及其微控制器的软硬件资源，选择重复码、卷积码或重复卷积码作为预设编码方案，对所述同步信标帧进行低复杂度编码，切换至发送模式周期性广播编码后的同步信息，并记录此时的本地时间戳；/n步骤四、所述主节点切换至接收模式，等待接收处理用户数据包；/n步骤五、对从属节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度；/n步骤六、所述从属节点接收数据包，并根据所述预设编码方案，进行快速译码；/n步骤七、提取译码后数据包中的同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳以及循环冗余校验信息，对译码后的数据帧进行识别和校验，并更新同步时间表；/n步骤八、根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并在预定时隙切换至发送模式发送所述用户数据包。/n...

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将主节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度，根据同步周期设置时钟计数初值，并设置同步信标帧标识位、快速同步模式时隙数；
步骤二、所述主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成同步信标帧；
步骤三、根据CC1101射频模块及其微控制器的软硬件资源，选择重复码、卷积码或重复卷积码作为预设编码方案，对所述同步信标帧进行低复杂度编码，切换至发送模式周期性广播编码后的同步信息，并记录此时的本地时间戳；
步骤四、所述主节点切换至接收模式，等待接收处理用户数据包；
步骤五、对从属节点射频芯片初始化，配置收发模式的工作频率、调制解调方式、传输速率、收发功率、数据包长度模式及长度；
步骤六、所述从属节点接收数据包，并根据所述预设编码方案，进行快速译码；
步骤七、提取译码后数据包中的同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳以及循环冗余校验信息，对译码后的数据帧进行识别和校验，并更新同步时间表；
步骤八、根据洪泛时间同步协议实现与主节点的时间同步，并在预定时隙切换至发送模式发送所述用户数据包。


2.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤二中，所述主节点将同步模式、反转标志、标识位、序列号、全局时间戳及循环冗余校验信息组帧生成所述同步信标帧，包括如下步骤：
步骤a1、确定所述同步模式标识字节，若处于同步建立时期，则将其设置为表示快速同步的标识；否则，设置为表示普通同步的标识；
步骤a2、确定所述反转标志，若当前主节点时钟计数超出所能表示的全局时间最大值，则反转标志置“1”；否则置为“0”；
步骤a3、确定所述标识位；
步骤a4、确定当前同步信标帧序列号，若当前所述反转标志为“1”，则所述序列号重置为“0”；每发送1次同步信息，所述同步信标帧序列号数值加1；
步骤a5、确定所述全局时间戳，将上一次发送同步信息的本地时间戳作为当前所述同步信标帧的所述全局时间戳；
步骤a6、计算循环冗余校验信息完成组帧。


3.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，步骤三中，选择所述重复码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：
步骤b1、根据交织长度、交织系数生成线性同余交织序列；
步骤b2、将所述同步信标帧转化成二进制序列，并对所述同步信标帧进行重复编码；
步骤b3、对编码后的所述二进制序列进行线性同余交织，并转化成十六进制；
步骤b4、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。


4.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，步骤三中，选择所述卷积选择码作为所述预设编码方案，包括如下步骤：
步骤c1、配置所述CC1101射频模块的寄存器，进行前向纠错；
步骤c2、将所述微控制器中生成的所述同步信标帧传输至所述CC1101射频模块，实现所述同步信标帧的(2,1,3)卷积编码和矩阵交织；
步骤c3、由所述CC1101射频模块广播编码后的同步信息。


5.如权利要求1所述的一种无线传感器网络的时间同步方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈为刚，黄刚，韩昌彩，杨晋生，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12