[发明专利]一种基于模型检测的无线传感器网络时间同步检验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在传感器网络中时间同步检测的方法，主要利用模型检测技术来解决传感器网络时间同步的问题，属于计算机技术、无线通信、传感器技术、实时技术、分布式系统和验证技术交叉技术应用领域。

背景技术

传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络是由一组传感器以Ad Hoc方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。从上述定义可以看到，传感器、感知对象和观察者是无线传感器网络的3个基本要素；无线是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径：协作地感知、采集、处理、发布感知信息是无线传感器网络的基本功能；一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是无线传感器网络的重要特点。无线传感器网络可以被广泛地应用于军事应用、医疗护理、环境监测、空间探索、医疗卫生、制造业和反恐抗灾等带有明显应用需求的领域。

时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制，无论是设计还是应用中时间同步都是非常重要的。时间同步的目的就是对各个节点的本地时钟提供一个统一的时间标尺。在无线传感器网络中，各节点都有自己的时钟，在需要事件的时间的时候，就要求这些节点的时钟必须一致。在无线传感器网络的许多应用中，用户向无线传感器网络咨询或无线传感器网络向外部网络报告都需要说明事件发生的时间。当无线传感器网络用于目标识别和追踪时，许多传感器节点只观测目标对象的单一物理现象，并不能得到目标的类别、位置、速度或前进方向等信息，要想得到所需要的详细信息，就必须进行在网计算——多个节点感应的信息进行信息协同处理或数据融合。这就要求相关的传感器节点所采集的数据在时间上是关联的，有时甚至要求是同步的。不同的无线传感器网络和不同的应用对时间同步的要求是不一样的。从精度上来说，时间同步的要求相当严格，经常要求在像目标跟踪这样的任务中，能达到微秒级的精度；而在有的应用中只需要达到毫秒级。这些诸如此类的因素，使得无线传感器网络中时间同步的研究相对于其他的分布式网络中的时间同步来说要复杂得多。

模型检测方法可以在构建系统前对系统的安全性和可靠性进行验证，以尽早发现错误。模型检测(ModelChecking)是对有穷状态系统的一种形式化确认方法。它最早由Clarke和Emerson以及Quielle和Sifakis在1981年分别提出的，主要通过显式状态搜索或隐式不动点计算来验证有穷状态并发系统的模态/命题性质。实质是利用计算机的快速计算能力，通过穷举被检验系统的状态空间中的每一个状态来验证该系统满足特定的形式描述。尽管限制在有穷系统上是一个缺点，但模型检测可以应用于许多非常重要的系统，如通信协议和电路的验证上。很多情况下，可以把模型检测和各种抽象与归纳原则结合起来验证非有穷状态系统(如实时系统)，模型检测的基本思想是用状态迁移系统(S)表示系统的行为，用模态/时序逻辑公式(F)描述系统的性质，这样“系统是否满足所期望的性质”就转化为数学问题“状态迁移系统S是否公式F的一个模型”，用公式表示为S|＝F？。对有穷状态系统，这个问题是可判定的，即可以用计算机程序在有限时间内自动确定。模型检测已被应用于计算机硬件、通信协议、控制系统、安全认证协议等方面的分析与验证中，取得了令人瞩目的成功，并从学术界辐射到了产业界。

模型检测其基本原理实现为系统建立形式化模型，阐述所要验证的性质，然后用算法去检测该模型是否满足所述性质。模型检测提供一个完整的系统属性验证框架，模型检测的优点是模型检验能达到完全自动化的程度，只需用有穷状态模型和逻辑公式分别将系统实现和待验证的系统规范描述出来，之后的判断过程则完全可以由模型检测工具自动完成，不需要人的参与；模型检验过程总会以“是”或“否”的结果中止，当以“否”的结果中止时，说明设计或系统不满足某个给定的性质。此时一个违反性质的行为反例将会被给出，此反例将对理解错误的真正原因和修正错误提供线索。由于模型检测技术有以上优点，利用它对无线传感器网络进行同步机制的检验，在其设计阶段尽可能的找出错误。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于模型检测的无线传感器网络时间同步检验方法，该同步检验方法分析能力强、可读性高，从而满足分析与应用相关的同步机制的要求，达到快速发现同步的不可靠和不安全性，提高和改进时间同步机制。