[发明专利]一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网时间同步方法

权利要求书

1.一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：无线传感网络的时间基准节点为根节点，当构建或维护路由时，根节点或者已同步的节点会多播带时间戳的DIO数字输入输出报文以通知邻居节点可以加入基于RPL低功耗有损网络路由协议的IPv6无线传感网；

S2：邻居节点第一次加入网络时，接收并解析携带网络信息的DIO控制报文后，会根据改进的时间同步目标函数选择最优时间参考父节点，改进的时间同步目标函数改进在：利用链路质量、跳数、节点剩余能量以及与根节点的累积时间偏差四个路由度量并通过衡量优先级和权重来构造函数；

S3：时间参考父节点S在物理层记录发送第i条DIO报文时接入信道的时刻Ts_i，并且在发送第i+1条DIO报文时，将第i条DIO报文的发送时刻Ts_i封装到该条报文中；

S4：邻居节点加入网络后成为待同步节点，待同步节点R收到第i条DIO报文时，记录接收时刻Tr_i，在连续收到了第i条和第i+1条DIO报文后，待同步节点将获得Ts_i、Tr_i和Tr_i+1时间戳信息，根据时间同步算法进行本地时钟初校正，并计算出与根节点的累计时间偏差以作为S2中的时间同步目标函数的路由度量之一；

S5：在时间参考父节点发送N条携带时间戳信息的DIO报文以后，待同步节点得到N-1组包括发送时间和接收时间的时间戳信息，之后待同步节点根据单向时间同步算法估算相位偏移和时钟漂移，对本地时间进行补偿；

S6：根节点向邻居节点多播DIO信息，邻居节点经过校正自身时钟后，再次向自己的邻居节点多播更新网络信息后的DIO报文，最终，在构建或维护路由的同时完成了全网的时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网时间同步方法，其特征在于，所述步骤S1的DIO报文携带网络全局信息、时间参考父节点发送时刻时间戳信息、与根节点的累计时间偏差在内的信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网时间同步方法，其特征在于，所述步骤S2改进的时间同步目标函数计算公式如下：

Rank＝α*ETX值+β*跳数+γ*总能耗+η*累计时间偏差

其中，α、β、γ、η分别代表四个参数在公式中所占的权重值，在同一个DODAG中是定值，其值通过层次分析法来获得，Rank值可以通过上述改进的时间同步目标函数求出，待同步节点比较来自不同参考节点的Rank值，并选取Rank值最小的节点作为自己的最优时间参考父节点。

4.根据权利要求2所述的一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网时间同步方法，其特征在于，所述DIO报文中设计了一种新的TimeStamp Option选项，格式包括：类型说明域、长度和时间戳信息，定义当Type＝0x10时，表示Option改进报文帧中的数据域中存储的是时间参考父节点上一条DIO报文的发送时刻时间戳信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网时间同步方法，其特征在于，步骤S4中，在进行本地时间初校正时，校正后的时间可以利用以下公式求出：

IPv6无线传感器网络中第m层待同步节点R与根节点root的累计时间偏差E_m可以利用以下公式求出：

其中，n表示待同步节点与时间同步父节点在计算累计时间偏差时交互的报文组数。

6.根据权利要求1所述的一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网时间同步方法，其特征在于，所述步骤S5中，单向时间同步算法具体为：通过待同步节点R相对于时间参考父节点S在初始时刻t₀的初始相位和时钟漂移ρ，得出时间戳关系表达式：

通过变换可以得到：

其中，Tr_i表示待同步节点R收到第i组DIO报文时的接收时刻；Ts_i表示参考S发送第i组DIO报文时的发送时刻；d表示待同步节点R与时间参考父节点S之间的传输固定时延；X_i表示第i组报文传输过程中的不确定时延，每一组都是相互独立的高斯随机分布变量；

当收到了N组时间戳信息后，根据时间戳关系表达式可以得出以下模型：

然后根据线性模型，即下面的式子，可以估算出初始相位和时钟漂移

x＝Hθ+w

其中，x＝[Ts₁-t₀+d，Ts₂-t₀+d，...，Ts_N-t₀+d]^T；H是一个N×2维的观测矩阵，w是独立同分布的高斯变量的集合，可以表示为w＝-[X₁，X₂，...，X_N]^T。