[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

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，时钟频率易发生突变现象，并且累积误差对同步精度影响严重。根据同步报文的发送和接收方式，WSNs时间同步模型主要分为三类：基于发送者—接收者双向同步模型、基于发送者单向同步模型和基于接收者—接收者同步模型。现有的WSNs时间同步机制并没有对时钟频率可能发生的突变情况，提供相应的解决机制。一旦时钟频率发生突变，历史数据没有及时清空，这将导致同步误差急剧增加，而且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

为有效解决大规模网络中时钟频率易发生突变的问题，抑制同步误差多跳累积严重的现象，并对根节点失效和普通节点失效分别提供相应的解决策略，本发明提供了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。此同步器通过应用动态检测机制，使节点实时监控时钟频率状况，根据检测的结果选择合适时钟频率估计方法，并选取相对较优的同步路径，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)   根节点选举

首先，在网络建立阶段，会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