用于传感器网络中的时间同步的方法和系统.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200780037712.9

申请日:

2007.10.08

公开号:

CN101523829A

公开日:

2009.09.02

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):H04L 12/56公开日:20090902|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

H04L12/56; H04B7/26

主分类号:

H04L12/56

申请人:

皇家飞利浦电子股份有限公司

发明人:

G·舒尔茨

地址:

荷兰艾恩德霍芬

优先权:

2006.10.12 EP 06122156.0

专利代理机构:

永新专利商标代理有限公司

代理人:

张 伟;王 英

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内容摘要

在网络节点同步方法和系统中,恰好在向第二网络节点系统(B)发送数据包(DP)之前在第一网络节点系统(A)处获取第一时间戳(TSA)并将其并入所述数据包(DP)中。一旦接收到数据包(DP)中包括的数据控制块(SFD)后,第二网络节点系统(B)获取第二时间戳(TSB)。获取第一时间戳(TSA)和第二时间戳(TSB)之间的延迟包括若干个确定性延迟和传播时间(PT)。消除确定性延迟,仅留下由于传播时间(PT)引起的小的同步误差。由于传播时间(PT)可以非常小,所以同步可以非常精确。此外,由于可以利用任何数据包(DP)进行同步,所以本发明可以用在任何种类的网络系统和网络协议中。此外,根据本发明的方法使用了非常少的开销,因此非常适用于低能量应用,例如用于无线传感器网络中。

权利要求书

1、  一种用于计算机网络中的时间同步的方法,所述计算机网络至少包括第一网络节点系统(A)和第二网络节点系统(B),所述方法包括:
(a)在所述第一网络节点系统中产生要发送到所述第二网络节点系统的数据包(DP),所述数据包包括控制块(SFD)和数据块(DB);
(b)向所述第一网络节点系统的收发器(TC)提供所述数据包;
(c)网络介质接入控制元件(MAC)等待网络接入时间段(AT);
(d)在步骤(c)之后从所述第一网络节点系统获取第一节点时间戳(TSA)并将所述第一节点时间戳提供给所述收发器,以将所述第一节点时间戳并入所述数据包中;
(e)由所述收发器发送所述数据包。

2、
  根据权利要求1所述的方法,其中所述控制块的至少一部分相对于所述数据包的开始部分在所述数据包中具有预定的位置,并且其中所述方法还包括:
(f)所述第二网络节点系统接收所述数据包;
(g)一旦接收到所述控制块的预定部分后,从所述第二网络节点系统获取第二节点时间戳(TSB);
(h)将所述第一节点时间戳和所述第二节点时间戳进行比较,以确定所述第一节点和所述第二节点之间的计时器差异。

3、
  根据权利要求2所述的方法,其中所述方法还包括确定获取所述第一节点时间戳与发送所述控制块的所述预定部分之间的发送时间段;并且其中步骤(h)包括考虑所述发送时间段。

4、
  根据权利要求3所述的方法,其中所述控制块的所述预定部分是帧起始定界符(SFD)。

5、
  根据权利要求1所述的方法,其中步骤(e)包括:
(e1)由所述网络接入控制元件执行空闲信道评估(CCA),以判断发送信道是否可用;
(e2)如果所述信道可用,则发送所述数据包;以及
(e3)如果所述信道不可用,则在延迟之后重复步骤(d)-(e),由此更新所述数据包中携带的所述第一节点时间戳。

6、
  根据权利要求1所述的方法,其中所述计算机网络是无线网络。

7、
  根据权利要求1所述的方法,其中所述计算机网络是传感器网络。

8、
  一种用于计算机网络中的时间同步的方法,所述计算机网络至少包括第一网络节点系统(A)和第二网络节点系统(B),所述方法包括:
(a)所述第二网络节点系统接收根据权利要求1由所述第一网络节点系统发送的数据包(DP),所述数据包包括第一节点时间戳(TSA);
(b)一旦接收到所述数据包的至少预定部分后,从所述第二网络节点系统获取第二节点时间戳(TSB);
(c)将所述第一节点时间戳和所述第二节点时间戳进行比较,以确定所述第一节点系统和所述第二节点系统之间的计时器差异。

9、
  一种计算机网络节点系统,其包括微控制器(MC)和操作性耦合到所述微控制器的收发器(TC),所述微控制器包括网络介质接入控制元件(MAC),所述网络节点系统用于执行根据权利要求1所述的方法。

10、
  一种计算机网络节点系统,其包括微控制器(MC)和操作性耦合到所述微控制器的收发器(TC),所述微控制器包括网络介质接入控制元件(MAC),所述网络节点系统用于执行根据权利要求8所述的方法。

11、
  根据权利要求10所述的计算机网络节点系统,其中所述收发器包括控制信号输出端子,所述控制信号输出端子用于在接收到控制块的预定部分后输出控制信号,控制块输出端子耦合到所述微控制器的计时器获取输入端子(TCap),所述微控制器用于在接收到所述控制信号时获取计时器计数作为第二节点时间戳(TSB)。

说明书

用于传感器网络中的时间同步的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于计算机网络(具体而言为传感器网络)中的时间同步的方法以及用于该方法中的系统。更具体而言,本发明涉及无线传感器网络中的时间同步。
背景技术
在计算机网络中,具体而言在传感器网络中,网络节点系统可能交换涉及时间点的数据。例如,可以由若干个传感器感测一种现象的多个测量值,并可以将对应的信号传输到单个网络节点系统,例如适当的计算机系统。为了使信号相互关联,产生信号的物理时间非常重要。例如,医疗系统可以利用两个独立的传感器监测患者的心跳和血压并在计算机系统中收集所得的心跳测量信号和所得的血压信号。在检查这两个所得信号时,将心跳信号和血压信号相互关联,并应该彼此相关地来检查它们。如果传感器未同步,则两个所得信号可能会彼此出现时间偏移。
此外,可以将时间同步用于网络管理任务。例如,在时分多址(TDMA)网络中,对每个网络节点进行同步唤醒可以提高网络管理效率,由此减少网络节点的功耗。
在现有技术中,已知有若干种同步方法和协议,例如网络时间协议(NTP)。然而,普通的计算机网络同步方法可能不适合于传感器网络。在现有技术中,已知有若干种传感器网络同步协议,例如参考广播同步(RBS)、传感器网络的时间同步(TPSN)、泛洪时间同步协议(FTSP)等。不同的方法或协议可能专门适用于某些应用。例如,一些协议可能更适于高精度同步,其他协议可能适于能量效率高的应用,即具有有限电力资源的传感器。后者尤其与无线传感器网络有关。要了解传感器网络时间同步的更多细节,请参考Kay 等人在Ivan Stojmenovic(Ed.)的Handbook of SensorNetworks:Algorithms and Architectures(John Wiley & Sons,ISBN0-471-68472-4,2005年9月)pp.199-237的文章“Time Synchronizationand Calibration in Wireless Sensor Networks”。
发明目的
本发明的目的是提供一种用于无线传感器网络中的、具有高精确性且功率效率高的时间同步的方法和系统。
发明内容
该目的是在根据权利要求1和8的方法和根据权利要求9和10的系统中实现的。
根据本发明,通过产生包括控制块(例如报头)和数据块(该数据块包括数据)的数据包来准备用于经网络发送的所述数据。将数据包提供到收发器。然后,网络接入控制元件在诸如退避时间段等网络接入时间段期间等待网络介质接入。网络接入时间段的时长可以根据所用的网络协议和网络负载而变化。当网络接入时间段结束时,从第一网络节点系统获取第一节点时间戳并将其并入数据包中。然后,发送数据包。这样,该时间戳尽可能接近地代表了发送时间,消除了由网络接入时间段带来的不准确性。要指出的是,通常在所谓的MAC层中执行上述方法步骤。MAC层是网络管理软件的一部分。具体而言,如本领域技术人员公知的,MAC层是构成OSI模型的数据链路层的两个子层之一。MAC层负责通过介质在共享信道上将往来于第一网络节点的网络接口卡的数据包移动到另一网络节点的另一网络接口卡。
在根据本发明的方法中,通过在网络接入时间段之后并入时间戳而获得了高精确性,并且通过使得与每个要发送的数据包都能够时间同步来最小化通信开销,从而获得能效。可以将根据本发明的方法应用于各种网络系统和结构中,这是因为未对结构、拓扑和协议做出任何假定。可以发送专用同步消息,但在该方法中并不要求这一点。对本领域技术人员显而易见的是,该方法可以应用于广播和单播网络中。
接收数据包的第二网络节点系统可以在接收到数据包的预定部分后获取第二节点时间戳,该数据包是根据上述方法发送的。之后,第二节点系统可以比较第一节点时间戳和第二节点时间戳,并确定第一网络节点系统与第二网络节点系统之间的时间差,这考虑了发送中可能发生的任何确定性延迟。由于已经获取了第一节点时间戳,从而使得获取与实际发送之间的延迟是确定的,因此可以消除在第一网络节点系统处发生的延迟。因此,如下文结合附图所述,仅留下未知的传播延迟。
附图说明
在下文中,参考如附图所示的非限制性实施例来阐述本发明,在附图1中:
图1示出了时序图,用于举例说明在数据包的发送和接收之间的网络通信延迟;
图2示出了用于举例说明根据本发明的方法的实施例的图示;
图3示出了时序图,用于举例说明在根据本发明的方法中的同步误差的测量结果;以及
图4示意性示出了根据本发明的系统的实施例。
具体实施方式
图1示出了总延迟时间TdT的模型,在从第一网络节点系统A向第二网络节点系统B(二者水平分开)发送数据包DPAB时会发生该延迟时间。在竖直轴上,表示时间。
在t0时,准备发送数据包DPAB。在第一网络节点系统A处构造该数据包DPAB。该构造可以包括内核协议处理以及由第一网络节点系统A的操作系统引入的其他可变延迟。将数据包DPAB传输到第一网络节点系统A的网络接口需要其它时间。以下将构造和传输到网络接口所需的时间通称为发送时间ST(t0-t1)。
在t1时,准备好数据包DPAB并在网络接口处等待通过有线或无线方式发送。在被发送之前,要求网络介质信道是可用的,即没有正在使用。根据所用的网络协议,尤其是所用的介质访问控制(MAC)协议,在通过网络介质发送数据包DPAB之前,必须等待接入时间AT(t1-t2)。例如,基于竞争的MAC(例如以太网)在发送之前必须等待信道清空,并在发生冲突时重新发送。无线RTS/CTS方案,例如IEEE 802.11网络中的那些无线RTS/CTS方案要求在发送数据之前交换控制包。TDMA信道要求发送方在发送之前等待它的时隙。
一旦在t2时发送,数据包DPAB经过网络介质传播,这引起了传播时间PT(t2-t3)。当进行发送的第一网络节点系统A和进行接收的第二网络节点系统B共享对同一物理介质的访问时(例如,自组织无线网络或有线LAN中的邻居),传播时间PT可以非常小,这是因为它仅仅是数据包的物理传播时间。相反,在广域网中,传播时间PT包括在每个路由器处的排队和交换延迟,这是因为数据包DPAB是通过网络传输的。
然后,在t3时,在第二网络节点系统B处接收到数据包DPAB,网络接口的处理花费一接收时间RT(t3-t4)。这样,在总延迟时间TdT之后在第二网络节点系统B处接收到数据包DPAB,该总延迟时间TdT由发送时间ST、接入时间AT、传播时间PT和接收时间RT构成。
上述每个延迟时间ST、AT、PT、RT都具有可变长度,在发送数据包DPAB之前或接收数据包DPAB之后可能计算不出来上述每个延迟时间ST、AT、PT、RT。因此,如果根据现有技术协议,在t0时在第一网络节点系统A处获取现有技术的时间戳TSAPA,在t4时在第二网络节点系统B处接收到现有技术的时间戳TSAPA。如果将现有技术的时间戳TSAPA用于对两个网络节点系统A、B的时钟进行同步,那么会产生对应于总延迟时间TdT的同步误差。
在根据本发明的方法中,不是在t0时,而是在恰在实际发送前的t2时获取时间戳TSA,从而消除了未知的发送时间ST和未知的接入时间AT。下面参考图2进一步阐述本发明。
图2示出了用于举例说明根据本发明的方法的实施例的图示。在竖直方向上,分隔开与第一网络节点系统A相关的第一图和与第二网络节点系统B相关的第二图。如下文所述,在水平方向上使第一图和第二图的相互偏移对应于传播时间PT。
第一网络节点系统A正在向第二网络节点系统B发送数据,同时要使第一网络节点系统A和第二网络节点系统B的时钟同步。该数据包含在数据包DP中,该数据包DP包括前同步码PA、帧起始定界符SFD和数据块DB。前同步码PA和帧起始定界符SFD被视为包括网络控制数据(开销数据)的控制块。这种数据包DP是依照现有技术的。具体而言,帧起始定界符SFD表示数据块开始并且针对每个数据包都具有相同的值。
恰好在进行空闲信道评估CCA之前,第一网络节点系统A获取第一时间戳TSA并将第一时间戳TSA并入数据包DP中。在接入时间(图1:AT)的结束处执行空闲信道评估CCA。然后,假设:网络介质信道可用,发送包括第一时间戳TSA的数据包DP。在传播时间PT之后,在第二网络节点系统B处接收到数据包DP,在图2中通过相对于与第一网络节点系统A相关的第一图水平偏移与第二网络节点系统B相关的第二图来示出这种情况。
帧起始定界符SFD具有已知值。一旦检测出接收到帧起始定界符SFD后,第二网络节点系统B从其计时器或时钟获取第二时间戳TSB。然后,可以将接收到的第一时间戳TSA和第二时间戳TSB进行比较,以便使第二网络节点系统B的计时器或时钟与第一网络节点系统A的计时器或时钟同步。
从图2可以看出,获得第二时间戳TSB比获得第一时间戳TSA晚。总延迟包括空闲信道评估CCA所需要的时间、发送前同步码PA和帧起始定界符SFD所需要的时间以及传播时间PT。然而,空闲信道评估CCA、发送前同步码PA和发送帧起始定界符SFD所需要的时间是可以确定的。例如,在IEEE 802.15.4(紫蜂)网络中,2.4GHz频带的符号时间为16μs。将四个比特编码成一个符号。因此,发送一个字节(八个比特)需要两个符号,因此发送一个字节需要32μs。利用十二个符号周期(192μs)指定无线电(空闲信道评估CCA)的周转时间。因此,除传播时间PT之外,延迟为352μs。要指出的是,使用帧起始定界符SFD也基本消除了,或至少减少了可能会因接收数据包DP而产生的时间延迟(图1:接收时间RT)。
对于本领域技术人员而言显而易见的是,使用帧起始定界符SFD允许在任何网络系统和网络协议中实现本发明,无需对网络协议做实质改变。然而,也可以使用任何其他预定的数据控制块,接收预定数据控制块之前的所有时间延迟优选是确定的。
与上述延迟相比,传播时间PT比较小。具体而言,例如,在进行发送的网络节点系统和进行接收的网络节点系统连接到同一网络介质的网络中,这对于无线网络而言是真实的。在这种网络中,传播时间为经过介质的物理传播时间。
图3示出了试验结果。图3所示的图的水平轴代表时间t。时间刻度为5μs/div。示出了来自三个网络节点的三个信号D0、D1、D2。预计三个信号D0、D1、D2会在基本相同时间发生电平变化。从图3可以看出,三个网络节点之间的同步误差远小于5μs。
图4示出了包括微控制器MC和收发器TC的网络节点系统的实施例。通过用于数据传输的数据连接SPI-c将微控制器MC和收发器TC可操作地连接起来。该数据可以是要由收发器TC发送的数据,或可以是由收发器TC接收的数据。第二连接CCA-c是用于使微控制器MC能够利用收发器TC进行空闲信道评估(CCA)的控制连接。另外,第二连接CCA-c耦合到网络介质接入控制元件(MAC)。第三连接SFD-c是用于在已接收到帧起始定界符(SFD)后从收发器TC向微控制器MC供应计时器控制信号的控制连接。将第三连接SFD-c连接到微控制器MC的计时器获取输入端子Tcap,使得在从收发器TC接收到计时器控制信号时,微控制器MC根据本发明的方法获取时间戳。从天线ATN的存在明显可知,图示的网络节点系统应用于无线网络中。然而,本发明当然也可以用于有线网络中。
如上所述,本发明可以应用于任何种类和类型的网络中。例如,无论是单播或广播数据包,时间戳都可以包括在每种和任何种类的数据包中。不要求特殊的同步包,因此,同步引起的开销非常低。也不需要特殊的网络拓扑。这样,例如,本发明适于在用于医疗应用的无线传感器网络中使用。
问题可能仍然是不同网络节点系统的时钟漂移,但这是影响所有同步协议的共同问题。时钟漂移取决于所用晶体的容限和稳定性。一种公知的解决方案是利用线性回归或锁相环进行时钟漂移补偿(例如,参见Kay 等人的文章“Time Synchronization and Calibration in Wireless SensorNetworks”,Ivan Stojmenovic(Ed.):Handbook of Sensor Networks:Algorithms and Architectures,John Wiley & Sons,ISBN O-471-68472-4,pp.199-237,2005年9月)。可以将这些方法用于根据本发明的高精度时间同步方法中。
尽管在此披露了本发明的具体实施方式,但是要理解的是,所披露的实施例仅仅是本发明的示例性实施例,本发明可以用各种形式实现。因此,不要将这里披露的具体结构和功能细节解释为限制,而应将其仅仅作为权利要求的依据,并作为用于教导本领域技术人员以各种方式在几乎任何适当的具体结构中采用本发明的代表性依据。此外,在互不相同的从属权利要求中记载特定度量这一简单事实不表示不能出于有利的目的而使用这些度量的组合。
此外,本文所采用的术语和短语并非意在限制;而是为了对本发明提供可以理解的说明。本文所采用的术语“一种”或“一个”被定义为一个(种)或超过一个(种)。本文所采用的术语“另一个”被定义为至少第二个或更多。本文所采用的术语“包括”和/或“具有”被定义为包括(即开放式语言)。本文所采用的术语“耦合”被定义成是连接的,尽管未必是直接连接且未必借助线缆。

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在网络节点同步方法和系统中,恰好在向第二网络节点系统(B)发送数据包(DP)之前在第一网络节点系统(A)处获取第一时间戳(TSA)并将其并入所述数据包(DP)中。一旦接收到数据包(DP)中包括的数据控制块(SFD)后,第二网络节点系统(B)获取第二时间戳(TSB)。获取第一时间戳(TSA)和第二时间戳(TSB)之间的延迟包括若干个确定性延迟和传播时间(PT)。消除确定性延迟,仅留下由于传播时间(P。

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