[发明专利]一种基于时钟频率动态检测的大规模无线传感器网络时间同步器

权利要求书

1.一种基于时钟频率动态检测的大规模无线传感器网络时间同步器，其特征在于：提出了一种时钟频率动态检测机制，当节点时钟频率发生突变时，该机制快速跟踪节点时钟频率状态；同时节点根据时钟信息自适应地选择相对较优的同步路径，可抑制大规模无线传感器网络多跳误差累积现象。

2.根据权利要求1所述的基于时钟频率动态检测的大规模无线传感器网络时间同步器，其特征在于：针对根节点失效和普通节点失效的情况，分别采用根节点重新选举和定时更新节点层次信息的策略，避免同步网络因个别节点失效而全部瘫痪，增强了时间同步的鲁棒性。

3.根据权利要求1或2所述的基于时钟频率动态检测的大规模无线传感器网络时间同步器，其特征在于：每跳节点根据频率动态检测机制中所记录的参数变量为依据，挑选相对较优同步路径，有效地抑制同步误差多跳累积现象，获得高同步精度。

4.根据权利要求1、2或3所述的大规模无线传感器网络时间同步器，其特征在于：具体经过以下步骤：

(1) 根节点选举

首先，在网络建立阶段，为每一个节点分配唯一的ID号，然后由网络中的任意节点开启根节点选举机制，广播发送包含自身根节点号的根节点选举报文；节点初始状态，存储的根节点号为空，当接收到根节点选举报文，取出其中包含的根节点号，与自身的ID号进行比较，取两者之间的较小者作为根节点，然后在根节点选举报文中载入新的根节点信息，继续广播根节点选举报文，确保每一个节点可以接收到根节点选举报文；最终网络将ID号最小的节点选举为根节点，作为网络的时间标准；

(2) 网络层次生成

根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；

(3) 同步运行

在网络层次生成完毕之后，由根节点周期性地发送同步报文，报文中包含同步时间戳、层次号以及轮次号，其中层次号和轮次号是下层节点判断此报文是否有效的重要标识；如果接收的同步报文满足要求，下层节点根据时间戳数据进行时钟频率动态检测，确定自身的时钟频率状态，选择合适的时钟频率估计方法，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；

(4) 多跳同步路径选择

同步报文的发送基于洪泛的机制，因此每当节点完成同步之后都会转发同步报文，确保下层的节点可以完成时间同步过程；下层的节点采用满足要求且最早到达的同步报文信息；为了抑制在大规模网络中，多跳同步累积误差严重的问题，在路径上选举较优的路径；大规模无线传感器网络同步器根据节点时钟状态，控制同步报文的发送速率，同步质量较好的节点可以相对较早的发送同步报文，确保下层节点可以选择较优的同步路径。