[发明专利]一种适用于多跳无线传感器网络的主从同步方法

说明书

本发明公开了一种适用于多跳无线传感器网络的主从同步方法。该方法在初始化阶段，要求全网节点采用分布式的方式建立分级结构，并获取各自所属的级别，以及父节点和子节点信息。同步阶段，由网络中的根节点开始，各级父节点逐级广播同步请求帧，发起同步过程，并通过二维离散马尔可夫链模型求解得到不同子节点数条件下竞争退避窗口的最佳取值，同时将该值捎带告知子节点。子节点接收到同步请求帧后，根据最佳竞争退避窗口大小竞争回复同步应答帧。父节点接收到同步应答帧后，计算出与子节点之间的时间偏差，并通过同步确认帧将时间偏差告知子节点。子节点接收到同步确认帧后调整本地时间，完成同步过程。EXata中的仿真结果证明了该方法的有效性。

技术领域

本发明属于无线网络领域，特别涉及适用于多跳无线传感器网络的主从同步方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种分布式的无线网络，由散布在一定区域内的大量传感器节点通过自组织的方式形成。传感器节点感知并采集监测区域中监测对象的信息，通过多跳共享的方式将采集到的信息发送给汇聚节点，由汇聚节点通过有线网络或者中继网络将汇总后的信息发送给观察者。与传统获取信息的方式相比较，无线传感器网络具有部署快、自组织、成本低、功耗小、可扩展性强等优点，并且网络中的节点可以在人类生存困难或者不可到达的特殊环境中正常工作，广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域。

网络节点间时间同步是无线传感器网络研究的重点内容。准确的时间同步是实现数据融合、TDMA(Time Division Multiple Access)调度、协调睡眠、定位等功能的基础。虽然传统的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)技术以及广泛应用于Internet中的网络时间协议(Network Time Protocol，NTP)等都可以用来为网络提供全局时间同步，但GPS设备相对于廉价的传感器节点来说成本较高，且GPS设备受到地域限制；NTP由于其设计对象为互联网和计算机，设计重点为协议的可靠性和同步精度，没有考虑能耗和计算能力问题，不能直接应用于能量有限的无线传感器网络中。目前，针对无线传感器网络的时间同步方法大致可以划分为三大类：基于Receiver-Receiver的时间同步方法，基于Sender-Receiver的单向时间同步方法和基于Sender-Receiver的双向时间同步方法。

在基于Receiver-Receiver的时间同步方法中，只有接收节点记录其收到同步消息时的时间，发送节点不记录时间。该类方法中，发送节点周期性的向邻居节点广播同步帧，收到该帧的节点记录各自的接收时间，并通过控制帧交互交换彼此同步帧接收时间的值。节点通过计算这些时间的差值得到彼此之间的相对时间偏差，并根据时间偏差的值调整本地时钟的时间，从而实现时间同步。然而，该类方法需要大量的控制帧交互，节点能量消耗较大，且不能实现参考节点的同步。

基于Sender-Receiver的单向时间同步方法，需要发送节点和接收节点分别记录同步消息的发送和接收时间，但是同步过程只需要从发送节点到接收节点的单向通信。该类方法要求发送节点对所发送的每个字节都标记出其发送时的时间戳，然后，接收节点同样根据接收时间对接收到的每个字节进行标记。这样，接收节点就得到多个包含全局时间和本地时间的时间对，将这些数据进行线性拟合，得到时间的偏移量，并通过调整本地时钟完成时间同步。该类方法具有较高的同步精度，但是算法较为复杂，对硬件系统的要求较高。

基于Sender-Receiver的双向时间同步方法不仅需要同步的两个节点分别记录收发消息的本地时间，而且需要完成一次节点间的双向通信。该类方法首先将全网节点按照层次结构进行分级，形成一个以时间参考节点为顶级节点的分层结构，然后各节点逐级与上层节点进行同步，最终实现全网时间同步。该类方法通过双向通信消除了传播时延带来的误差，提高了同步精度。但是，随着网络规模的增加，节点之间的冲突加剧，同步效率较低。

发明内容