[发明专利]一种基于动态路径和变周期的无线传感器网络同步方法

说明书

本发明公开了一种基于动态路径和变周期的无线传感器网络同步方法，包括分簇、簇头节点同步、簇内节点同步和网络扩展等步骤，利用分簇的拓扑结构，从整体上减少节点的最大跳数，提高节点精度；簇间多跳时，采用动态路径机制，选择跳数小、时钟频率稳定的邻居簇头节点作为参考节点，有效抑制了同步误差的累积；在簇内同步阶段，协议采用变周期的机制，能够消除时钟频率变化对同步精度带来的影响，并且能够在保证精度情况下节省能量。本发明参考节点选取等待时间、网络容许最大同步误差值、同步周期界限值等可根据实际应用中对同步精度、能耗以及收敛性等要求进行调整，以便适应不同应用场景下的需求。

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，具体涉及一种基于动态路径和变周期的无线传感器网络同步方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由大量具有信息采集、处理和无线传输能力的传感器节点形成的多跳自组织网络，在军事、环境监测、智能家居等领域有巨大的应用前景。时间同步技术是无线传感器网络中一项重要的关键技术，为整个网络节点提供统一的时间度量，在无线传感器网络中许多基本的操作和应用都需要时间同步，例如低功耗MAC协议，数据融合，定位技术等。自无线传感器网络的时间同步技术提出以来出现了许多经典算法，如Timing-sync Protocol for Sensor Networks(TPSN)、Flooding Time Synchronization Protocol(FTSP)、Reference BroadcastsSynchronization(RBS)、Pairwise Broadcast Synchronization(PBS)等，这些算法直接利用标准时钟的时间信息完成时间同步。当今无线传感器网络规模不断的扩大，节点数目不断增加，网络运行环境也不断发生变化，这都带来了新的难题。目前大部分的研究工作主要在单跳的范围进行，在整个网络多跳同步时，简单重复单跳的操作，这样容易造成误差的累积，降低同步精度；节点晶振容易受到外界温度等因素的影响，导致时钟频偏变化甚至发生突变；节点能量有限，如何在保证精度情况下尽量减少消息的传递等这些问题都亟待解决。

已经有一些同步协议对这些问题提出了解决思路，如Light weight TimeSynchronization(LTS)、Time Synchronization Protocol Based on Dynamic RouteList(DRL-TSP)、 Low-Duty-Cycle Synchronization Protocol(LDSP)协议针对多跳误差指数增长提出了改进方案，应对节点频偏变化的协议有Time Synchronization ProtocolBased on Clock Frequency Dynamic Detection(TSP-CF-LSN)、Taming Clock SkewVariation for Synchronization(DualSync)，还有对再同步周期进行优化的协议On-Demand Time Synchronization(ODS)、Bayesian Linear Regression(BLR)。但是这些协议太过复杂，只对某一个限制条件提出改进，或者只考虑了少量节点的网络，应用效果不是特别理想。

发明内容

针对现有大规模无线传感器网络的多跳误差累计严重、节点时钟频率多变、节点能耗过高的问题，本发明提供一种基于动态路径(Dynamic Path)和变周期(VariablePeriod)的无线传感网络时间同步方法。进行时间同步时，利用区域分簇减少网络最大同步跳数，提高同步精度，簇间同步阶段，动态选择最佳同步路径，有效减少多跳累积误差。簇内同步阶段，根据频偏变化情况以及设定的最大同步误差更新下一次同步间隔，既能够满足同步精度的要求，又可以延长再同步周期，减少同步消息的发送，节省能量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于动态路径和变周期的无线传感器网络同步方法，包括以下步骤：