[发明专利]一种基于动态路径列表的无线传感器网络智能选路同步器

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络节点间的时间同步领域。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)由大量的节点构成，随着网络规模的不断增大，需要通过多跳的方式实现远程节点与基站的通信。用于WSNs的时间同步协议主要分为三类：发送者-接收者同步协议、成对同步协议、接收者-接收者同步协议。现有的WSNs时间同步机制在多跳扩展上，都是简单的传递式逻辑，这样很容易使得上一跳的同步误差累积到下一跳的同步运算中，从而导致在大规模网络中，同步误差随同步信息的扩散在路径上持续累积，最终导致出现同步精度严重下降的现象。

典型协议中，RBS(Reference Broadcast Synchronization)利用一个网关节点在两个广播域之间关联时标信息，从而实现多跳全网同步，但协议没有对网关节点的质量进行检测，也没有考虑关联后带来的传输延迟和误差累积问题。TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)与Tiny-Sync/Mini-Sync皆使用双向报文交换技术，其中基于生成树的多跳同步策略没有对节点失效采取相应措施，在网络中出现节点同步失败时，尤其是这种情况出现在靠近参考节点的位置时，将对全网同步造成致命影响。FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)采用给全网节点分配唯一ID号的策略，根据ID大小决定时标优先级，最终使全网收敛到最小ID节点的时间标准。这种机制只认同节点ID号而不考虑节点时钟的稳定性，当不稳定的节点获得了较小的ID号时，将对全网同步造成很大影响。LTS(Lightweight Time Synchronization)对分层式同步协议的多跳误差累积进行了定量分析，所使用的生成树规则虽然考虑了同步路径的选择，但逻辑过于复杂，且对单个节点的路径挑选缺乏针对性。CCS(Consensus Clock Synchronization)提出了一个内部虚拟时钟的思想，将所有节点收敛到一个内部虚拟时钟标准上，这样虽不存在多跳同步问题，但这个虚拟时钟与标准时钟存在一定偏差，特别是在进行标准时间的时标转化时将出现问题。

发明内容

为有效抑制传统时间同步策略在大规模无线传感器网络中产生的同步误差多跳累积现象，并解决由于节点同步失败或恶意信息对全网同步造成的影响问题，本发明提供了一种以动态路径列表机制(Dynamic Route List, DRL)为核心的智能选路同步器。此同步器通过应用DRL机制，使节点获得对最优同步路径的自适应选择能力，以抵抗同步失败和恶意信息的影响，抑制同步误差的多跳累积，在大网络范围内获得高同步精度和强鲁棒性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

该技术方案的同步器建立和维护的具体实现过程如下。

(1) 网络层次生成

首先，参考节点将自己的同步层次设为0，并广播一个层次发现报文，其中包含自己的层次号。然后，当参考节点的所有一跳邻居节点接到这个报文后提取其中的层次信息，将自己的层次号设为这个值加1，再改写报文为自己的层次号后将其广播出去，后续节点继续利用这个消息确定自己的同步层次。这个动作一直进行到网络的边缘节点，这样则建立起全网的同步层次。

(2) 同步运行

在网络层次生成完毕之后，由处在0层的参考节点周期性地发起同步动作，它向自己的下层节点传递包含发送时间戳的同步消息。当下层节点接收到这个同步消息后，根据时间戳数据进行同步运算，得到节点自己的时钟频偏估计值，使自身与上层节点同步，然后继续向下一层节点发送同步消息。这个动作一直持续到网络的边缘节点，完成全网节点的时间同步。

(3) 动态路径列表的建立

在第一次同步操作完成之后，每个节点都记录了自己的时钟频偏信息，这个频偏信息实际上体现了节点作为时标的质量。频偏越小，说明节点时钟运行越稳定，作为时标节点的效果越好，反之效果越差。在得到自己的频偏之后，节点向自己的下层节点发送一个包含自身频偏信息的路径质量信息(Route Quality Information, RQI)报文。每个下层节点可能收到多个RQI报文，根据这些报文，节点可建立起一个动态路径列表，其中包含了可选的上层节点ID（即父节点ID）以及对应的频偏信息，这些频偏信息体现了待选路径的质量。

(4) 新同步路径的建立