專利名稱：一種無線網(wǎng)絡(luò)中移動傳感陌生節(jié)點入網(wǎng)的時間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線網(wǎng)絡(luò)中移動傳感陌生節(jié)點入網(wǎng)的時間同步方法，尤其涉及一 種無線網(wǎng)絡(luò)中移動傳感陌生節(jié)點融入Zigbee網(wǎng)絡(luò)的時間同步方法，屬于無線傳感網(wǎng)通信 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感網(wǎng)技術(shù)是一門涉及計算機、微電子、傳感器、網(wǎng)絡(luò)、通信和信號處理等諸 多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)構(gòu)件之一，時間同步服務(wù)不僅是無線傳感網(wǎng) 絡(luò)各種應(yīng)用正常運行的必要條件，并且同步精度直接決定了其他服務(wù)的質(zhì)量。在集中式系統(tǒng)中，由于任何進程或模塊都可以從系統(tǒng)唯一的全局時鐘中獲取時 間，因此系統(tǒng)內(nèi)任何兩個事件都有著明確的先后關(guān)系。而在分布式系統(tǒng)中，由于物理上的分 散性布局，系統(tǒng)無法為彼此間相互獨立的模塊提供一個統(tǒng)一的時鐘，而由各個進程或模塊 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(huán)境存在不一致性，因此即 使所有的本地時鐘在某一個時刻都被校準(zhǔn)，一段時間后，這些本地時鐘也會出現(xiàn)失步。為了 讓這些本地時鐘再次達到相同的時間值，必須進行時間同步操作。無線傳感網(wǎng)是典型的分 布式系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)部的各個傳感節(jié)點之間就需要時間同步操作。泛在網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，采用一兩種無線技術(shù)是不可能辦到的。它需要將包括 WLAN(WiFi)、WMAN(WiMAX)、GSM/CDMA、GPRS、3G、WPAN(Bluetooth、Zigbee、UWB)等在內(nèi)的不 同領(lǐng)域的通信技術(shù)相互組合和補充，構(gòu)建一個多種無線通信和接入模式的架構(gòu)，能有效地 在任何時間連接至任何用戶設(shè)備。近年來，無線傳感網(wǎng)的各種標(biāo)準(zhǔn)競相發(fā)展，其中最具活力 和應(yīng)用前途的是低功耗近距離無線組網(wǎng)通信的Zigbee技術(shù)。在相對于UTC的傳統(tǒng)時間同 步方法中，GPS同步精度可達100ns，用于NTP協(xié)議的Internet同步精度在微秒級，而無線 傳感網(wǎng)絡(luò)時間同步精度往往在秒級?；赯igbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)各個節(jié)點之間相互獨立并以無線通信的方式通 信，每個節(jié)點維護一個計時器，計時信號一般由價廉的晶振提供。由于晶振制造工藝的差 別，加上在長時間運行中受到電壓、溫度以及晶體老化等多種偶然因素的影響，每個晶振的 頻率很難保持一致，進而導(dǎo)致無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的計時速率總有偏差，造成了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 時間的失步。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，時間同步不僅是網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用正常運行的必要條件，而且 同步精度直接決定其它服務(wù)的質(zhì)量。目前，無線傳感網(wǎng)的時間同步主要有3個研究方向 (1)如何設(shè)計時間同步協(xié)議，使得時間同步精度盡可能高；(2)如何設(shè)計滿足應(yīng)用需求的低 功耗的時間同步協(xié)議，以盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)生命期；(3)如何設(shè)計可擴展性強的時間同步 協(xié)議或算法，以適應(yīng)不斷擴大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和由此帶來的動態(tài)性增強。發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提出一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中移動傳感陌生節(jié)點入網(wǎng)的時間同步 方法，針對已有技術(shù)中的動態(tài)移動傳感陌生節(jié)點融入既有Zigbee傳感網(wǎng)而提出，通過移動 傳感陌生節(jié)點主動接入來提高Zigbee網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模擴展和增加網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，確保移動傳感陌生節(jié)點和既有Zigbee網(wǎng)絡(luò)保持一定精度的時間同步，在通信之前完成時間同步處理， 以實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)融合。本發(fā)明提出的無線網(wǎng)絡(luò)中移動傳感陌生節(jié)點入網(wǎng)的時間同步方法，包括以下步 驟(1)當(dāng)移動傳感陌生節(jié)點進入Zigbee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域時，移動傳感陌生節(jié)點在每 個時間周期內(nèi)與Zigbee網(wǎng)絡(luò)中最近的節(jié)點交互2個初始信息，若2個初始信息交互不成 功，則處于就緒狀態(tài)，若2個初始信息交互成功，則移動傳感陌生節(jié)點進入時間同步置信度 估計；(2)當(dāng)移動傳感陌生節(jié)點時間同步置信度大于90%時，對移動傳感陌生節(jié)點同步 頭中的同步幀進行檢查，得到移動傳感陌生節(jié)點的當(dāng)前時間，并將該當(dāng)前時間發(fā)送至初始 信息交互成功的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的2個節(jié)點；該2個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將當(dāng)前時間發(fā)送至Zigbee網(wǎng)絡(luò)中 的簇節(jié)點，簇節(jié)點將接收的當(dāng)前時間向Zigbee網(wǎng)絡(luò)廣播；(3)當(dāng)移動傳感陌生節(jié)點時間同步的置信度小于90%時，將移動傳感陌生節(jié)點 與初始信息交互成功的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的2個節(jié)點之間的時間差分別記錄為ΔΤ1、ΔΤ2，若
ΔΤ1-ΔΤ2 < θ，則使移動傳感陌生節(jié)點的時鐘與Zigbee網(wǎng)絡(luò)同步，并重新設(shè)置移動傳 感陌生節(jié)點中的當(dāng)前時間，其中θ為設(shè)定的容許時間誤差；若|ΔΤ1_ΔΤ2| > Θ，則移動 傳感陌生節(jié)點在Zigbee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)繼續(xù)交互初始信息，直至初始信息交互成功的節(jié) 點數(shù)大于或等于3 ；以所有初始信息交互成功的節(jié)點的當(dāng)前時間的平均值作為時間同步的 基準(zhǔn)時間Τ0，并對移動傳感陌生節(jié)點的同步幀進行重新設(shè)置，移動傳感陌生節(jié)點對Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點時鐘進行時間同步；(4)重復(fù)步驟(1)、(2)和(3)，實現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)時間同步。本發(fā)明提出的無線網(wǎng)絡(luò)中移動傳感陌生節(jié)點入網(wǎng)的時間同步方法，其特點和優(yōu)點 如下(I)Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)內(nèi)部的時間同步協(xié)議隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大而出現(xiàn) 同步精度劣化現(xiàn)象。在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點移動、故障以及外界環(huán)境的惡化等多種因素都會導(dǎo)致 同步誤差的提高。而本發(fā)明提出的時間同步方法正是針對動態(tài)節(jié)點(尤其是Zigbee網(wǎng)絡(luò) 外的移動陌生節(jié)點)的動態(tài)接入新方法，確保Zigbee網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的時間同步。(2)由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的低功耗和低成本需求，迫使設(shè)計時間同步時的軟硬件也 必須遵循此原則。同時，Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和基于Zigbee技術(shù)的移動傳感陌生節(jié)點在 時間同步協(xié)議上是通用的。在增大時間同步操作的頻率就會直接導(dǎo)致同步功耗的增加，因 此這個技術(shù)路線往往顯得不實用。尤其是移動傳感陌生節(jié)點的進入，在不做任何設(shè)置的前 提下直接融入既有的Zigbee網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)融合，本發(fā)明方法順應(yīng)了 Zigbee網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特 點，也為節(jié)點擴展提供更大的空間。(3)本發(fā)明方法對Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)而言，允許了移動傳感陌生節(jié)點的動態(tài)接 入，使網(wǎng)絡(luò)得以規(guī)模擴展和數(shù)據(jù)融合；對移動傳感陌生節(jié)點而言，只要復(fù)合Zigbee技術(shù)構(gòu) 架的動態(tài)節(jié)點，在既有網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)都能進行時間同步，為后續(xù)通信作了必要保障。本發(fā) 明方法可徹底解決無線傳感網(wǎng)時間同步靜態(tài)配置不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)高動態(tài)的問題。(4)本發(fā)明方法所對應(yīng)的移動傳感陌生節(jié)點是基于Zigbee技術(shù)的，既有Zigbee無 線傳感網(wǎng)絡(luò)也是一個開放性系統(tǒng)。該方法只需對移動傳感陌生節(jié)點做新算法設(shè)計而無需設(shè)置或調(diào)整既有的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，即該發(fā)明方法具有實用價值和推廣意義。


圖1是本發(fā)明方法中移動傳感陌生節(jié)點進入Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的示 意圖。圖2本發(fā)明提出的時間同步方法的流程框圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的無線網(wǎng)絡(luò)中移動傳感陌生節(jié)點入網(wǎng)的時間同步方法，其流程框圖如 圖2所示，包括以下步驟(1)當(dāng)移動傳感陌生節(jié)點進入Zigbee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域時，移動傳感陌生節(jié)點在每 個時間周期內(nèi)與Zigbee網(wǎng)絡(luò)中最近的節(jié)點交互2個初始信息，若2個初始信息交互不成 功，則處于就緒狀態(tài)，若2個初始信息交互成功，則移動傳感陌生節(jié)點進入時間同步置信度 估計；其中，初始信息是指同步頭(SHR)包含幀引導(dǎo)序列和幀開始定界符(SFD)。由于 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中所有的發(fā)送模式，同步頭是首先發(fā)送的，而且?guī)龑?dǎo)序列是同步頭 中第一組4個0X00字節(jié)。圖1是本發(fā)明所述的移動傳感陌生節(jié)點進入Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的示
意圖。結(jié)合本發(fā)明，Y是移動傳感陌生節(jié)點，節(jié)點nl、n2.....η5和簇節(jié)點B構(gòu)成一個Zigbee
無線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。隨著Y移動的位置變化，會與Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi) 就近的節(jié)點發(fā)生初始信息的交互，與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點交互的數(shù)量至少為1個，當(dāng)大于等于2個時， Y與網(wǎng)絡(luò)進入時間同步處理過程。(2)當(dāng)移動傳感陌生節(jié)點時間同步置信度大于90%時，對移動傳感陌生節(jié)點同步 頭中的同步幀進行檢查，得到移動傳感陌生節(jié)點的當(dāng)前時間，并將該當(dāng)前時間發(fā)送至初始 信息交互成功的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的2個節(jié)點；該2個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將當(dāng)前時間發(fā)送至Zigbee網(wǎng)絡(luò)中 的簇節(jié)點，簇節(jié)點將接收的當(dāng)前時間向Zigbee網(wǎng)絡(luò)廣播；其中，移動傳感陌生節(jié)點自身時間同步的置信度取決于其軟硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)中具 有例如GPS接收機或高精度時鐘作為同步時間源。Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的接收節(jié)點是通 過接收零符號 且搜尋由SYNCW0RD定義的SFD序列來實現(xiàn)同步的，SYNCW0RD的幀引導(dǎo)序列 的長度和SFD是可以自由配置，在SYNCW0RD檢查時配置UTC時間并且時間精度為1毫秒。(3)當(dāng)移動傳感陌生節(jié)點時間同步的置信度小于90%時，將移動傳感陌生節(jié)點 與初始信息交互成功的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的2個節(jié)點之間的時間差分別記錄為ΔΤ1、ΔΤ2，若
ΔΤ1-ΔΤ2 < θ，則使移動傳感陌生節(jié)點的時鐘與Zigbee網(wǎng)絡(luò)同步，并重新設(shè)置移動傳 感陌生節(jié)點中的當(dāng)前時間，其中θ為設(shè)定的容許時間誤差，如1微秒；若|ΔΤ1_ΔΤ2| > θ，則移動傳感陌生節(jié)點在Zigbee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)繼續(xù)交互初始信息，直至初始信息交互 成功的節(jié)點數(shù)大于或等于3 ；以所有初始信息交互成功的節(jié)點的當(dāng)前時間的平均值作為時 間同步的基準(zhǔn)時間Τ0，并對移動傳感陌生節(jié)點的同步幀進行重新設(shè)置，移動傳感陌生節(jié)點 對Zigbee網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點時鐘進行時間同步；(4)重復(fù)步驟(1)、⑵和(3)，實現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)時間同步。
本發(fā)明的一個實施例中，移動傳感陌生節(jié)點和基于Zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點均可以采用Ember公司生產(chǎn)的EM2420模塊、AeroComm公司生產(chǎn)的ZB2430模塊。
權(quán)利要求
一種無線網(wǎng)絡(luò)中移動傳感陌生節(jié)點入網(wǎng)的時間同步方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)當(dāng)移動傳感陌生節(jié)點進入Zigbee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域時，移動傳感陌生節(jié)點在每個時間周期內(nèi)與Zigbee網(wǎng)絡(luò)中最近的節(jié)點交互2個初始信息，若2個初始信息交互不成功，則處于就緒狀態(tài)，若2個初始信息交互成功，則移動傳感陌生節(jié)點進入時間同步置信度估計；(2)當(dāng)移動傳感陌生節(jié)點時間同步置信度大于90％時，對移動傳感陌生節(jié)點同步頭中的同步幀進行檢查，得到移動傳感陌生節(jié)點的當(dāng)前時間，并將該當(dāng)前時間發(fā)送至初始信息交互成功的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的2個節(jié)點；該2個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將當(dāng)前時間發(fā)送至Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的簇節(jié)點，簇節(jié)點將接收的當(dāng)前時間向Zigbee網(wǎng)絡(luò)廣播；(3)當(dāng)移動傳感陌生節(jié)點時間同步的置信度小于90％時，將移動傳感陌生節(jié)點與初始信息交互成功的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的2個節(jié)點之間的時間差分別記錄為ΔT1、ΔT2，若|ΔT1 ΔT2|＜θ，則使移動傳感陌生節(jié)點的時鐘與Zigbee網(wǎng)絡(luò)同步，并重新設(shè)置移動傳感陌生節(jié)點中的當(dāng)前時間，其中θ為設(shè)定的容許時間誤差；若|ΔT1 ΔT2|＞θ，則移動傳感陌生節(jié)點在Zigbee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)繼續(xù)交互初始信息，直至初始信息交互成功的節(jié)點數(shù)大于或等于3；以所有初始信息交互成功的節(jié)點的當(dāng)前時間的平均值作為時間同步的基準(zhǔn)時間T0，并對移動傳感陌生節(jié)點的同步幀進行重新設(shè)置，移動傳感陌生節(jié)點對Zigbee網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點時鐘進行時間同步；(4)重復(fù)步驟(1)、(2)和(3)，實現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)時間同步。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無線網(wǎng)絡(luò)中移動傳感陌生節(jié)點入網(wǎng)的時間同步方法，屬于無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域。當(dāng)移動傳感陌生節(jié)點進入Zigbee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域時，與最近的節(jié)點交互2個初始信息，若交互成功，根據(jù)時間同步置信度進行判斷，將當(dāng)前時間并發(fā)送至2個節(jié)點并向Zigbee網(wǎng)絡(luò)廣播，或比較陌生節(jié)點與2個節(jié)點之間的時間差，根據(jù)時間差比較結(jié)果，重新設(shè)置陌生節(jié)點中的當(dāng)前時間，或繼續(xù)交互初始信息。以所有當(dāng)前時間平均值作為基準(zhǔn)時間，并對陌生節(jié)點的同步幀重新設(shè)置，對Zigbee網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點時鐘進行時間同步。本發(fā)明方法順應(yīng)了Zigbee網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點，解決了無線傳感網(wǎng)時間同步靜態(tài)配置不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)高動態(tài)的問題。
文檔編號H04W84/18GK101917761SQ20101025274
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者張雷, 陸建華 申請人:清華大學(xué)