一种大规模无线传感器网络时间同步方法技术

本发明专利技术公开了一种大规模无线传感器网络时间同步方法，是通过基于动态路径的时间同步机制和节点同步信息转发资格认证机制，能够抑制多跳误差的累计、消除时钟频率突变对同步精度带来的影响，对网络拓扑结构的变化也有更强的适应性，且有利于节省能耗；采用参考节点空洞应对机制能够处理同步过程中断状况，保证网络同步的可靠进行。发明专利技术中参考节点选取等待时间、转发资格认证机制中的资格阈值、最大等待时间可根据实际应用中的同步精度和节点能量的紧缺状况进行调整，以适应不同应用场景下的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感器网络节点间的时间同步领域，具体涉及一种大规模无线传感器网络时间同步方法。
技术介绍
时间同步技术是无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSNs)中一项重要的关键技术。由于无线传感器网络节点的协作特性，在单个节点测量数据应具有准确的时间同步是非常重要的。鉴于无线传感器网络在能耗限制和同步精度上不同于因特网等传统网络的要求，传统网络的时间同步技术并不能适用于无线传感器网络。自无线传感器网络的时间同步技术提出以来，已经有了许多的经典算法，如TPSN(Timing-syncProtocolforSensorNetworks)，FTSP(FloodingTimeSynchronizationProtocol)、RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)、PBS(PairwiseBroadcastSynchronization)等。这些算法通过以直接利用标准时钟的时间信息或以其作为同步触发信号，完成时间同步。经典算法虽然很好地解决了节点间单跳同步的问题，但在WSNs网络下，仅依靠单跳的经典时间同步协议已不能满足需求，且网络长时间工作后节点时钟频率的突变也是不可忽略的问题。简单的将网络按照节点间的连通关系建立网络拓扑结构，重复单跳的时间同步过程，将导致严重的多跳累计误差。因此，在经典时间同步协议的基础上，又提出一些针对大规模网络的时间同步协议。例如DRL-TSP(DynamicRouteListbasedTiming-SyncProtocol)将网络划分层次结构，通过获得最小的层次号使节点距离根节点有最小跳距，并在上层选定一个父节点完成同步。FBDT-TSP(FrequencyskewBidandDynamicTopologybasedTimeSynchronizationProtocol)通过区域分簇机制和频偏竞标策略来减少同步跳数，获得时钟频率更加稳定的同步父节点。但是对于能量有限的WSNs网络，固定的分层分簇策略对网络拓扑的依赖性很强，建立与维护网络拓扑关系会造成额外的能量消耗，且对网络拓扑结构的变化也不能很好及时的适应。随着WSNs网络规模的不断扩大，同步消息转发次数更多，引起了不可忽略的累计误差，网络拓扑结构也更加多变，所以，研究一种适用于大规模网络中的时间同步方法是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术是在现有时间同步协议基础上，针对大规模无线传感器网络的多跳误差累计严重、节点时钟频率突变、网络拓扑结构多变的问题，本专利技术提供一种大规模无线传感器网络时间同步方法，该方法是一种基于动态路径(DynamicRoute,DR)和转发资格认证(ForwardingCertification，FC)的时间同步方法(TimeSynchronizationProtocolBasedonDynamicRouteandForwardingCertification，DRFC-TSP)。此同步方法通过每个节点在每轮同步中参考节点的优选，动态获取最佳同步路径，不仅保证了时间同步的精度，而且也能更好的适应网络拓扑的变化；通过对同步消息的转发资格进行筛选认证，取消性能不良节点的时间同步消息转发资格，从根源上减少网络通信量，减少能量的消耗。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种大规模无线传感器网络时间同步方法，包括以下步骤：(1)根节点发起同步同步开始时，由根节点决定同步数据包的类型为时间同步包或者转发资格认证包，同时设定同步轮次和同步跳数等参数信息，将数据包发出，启动定时器，经过一个同步周期的间隔后再次发起下一轮同步。(2)参考节点的选择非根节点在同步开始时监听其他节点发来的同步数据包，收到第一个数据包后，如果是时间同步数据包，则设定时间同步定时器开始参考节点优选过程，在定时器到时之前，节点持续接收其他同步数据包，比较收到的数据包的性能参数Std，最终选取最优时间性能的节点为同步参考节点。(3)非根节点转发资格认证根据网络具体要求设定资格阈值。非根节点监听到转发资格认证包后，则设定资格认证定时器开始转发资格认证过程，在定时器到时之前，节点持续接收其通信范围内其他邻居节点发来的资格认证数据包，记录邻居节点数，并对自己在邻居域内进行性能排位，如果排位小于资格阈值，则认为本节点具有转发资格，在时间同步过程中完成本节点的时间同步后，还需转发时间同步消息。(4)非根节点同步当待同步节点选定参考节点后，关闭同步数据包的监听，利用该参考节点发来的时间信息以及收到这个数据包时本节点的时间记录，计算出时间偏差和延时，进行本地时钟的校正，如果本节点具有转发资格，还需向其他节点发出同步包。(5)网络的扩展当有新的节点加入到已经运行的网络中时，可以根据性能参数Std无障碍的进行参考节点选择完成时间同步，根据与邻居节点的性能参数交换完成资格认证，不需要重新启动整个网络的同步协议；当有节点失效时，以其为参考节点的下一跳节点以同样方式快速重新选择新的参考节点，不会对网络其他节点的同步产生影响。本专利技术的时间同步方法在大规模网络环境下实现细节如下：取消固定的分层分簇结构，在时间同步过程中动态的选取参考节点，通过每一跳的参考节点最优化达到整条同步路径的性能最佳，每轮都选取新的最优参考节点提高对网络拓扑变化的适应性。Sink节点作为根节点，认为其具有标准时钟发布同步消息。参考节点选取通过对节点性能参数(Std)的比较完成，性能参数是一个与本节点距离根节点的跳数、时钟频率稳定性以及上一轮同步时本节点的性能状态相关的参数。当进行时间同步时，可以大大减少同步跳数，提高同步精度。本专利技术采用节点转发资格认证策略，取消性能不良节点的转发资格，有效控制网络中的冗余通信量，减少了能量消耗。性能参数Std表达式为：Stdi＝λ(H)·μ(F)·η(Stdi-1)(3.1)其中，i是同步轮次，Stdi是第i轮本节点的Std参数，λ(H)是与该节点距离根节点跳数H相关的参数，μ(F)是与当前轮次本节点的时钟频偏F相关的参数，η(Stdi-1)是与上一轮同步时节点的性能相关的参数。在本同步方法中，一个时钟性能良好的节点，应具有更小的跳数和更稳定的时钟频率，因此节点时钟性能更好的节点的Std参数应更小。根据实际的应用需求，考虑网络对跳距和时钟频率突变的敏感程度，调节其对性能影响的比重，使得Std能反映该应用下节点的同步性能。本专利技术的有益效果在于：一种动态路径机制，通过每一跳优选参考节点来获得最优同步路径，选取时钟频率稳定且同步跳数少的参考节点进行同步，抑制误差的多跳累积，且在每轮次同步中动态的选取最佳路径，以适合网络拓扑结构变化的时间同步要求，适用于节点非固定场景下的应用，待同步节点动态选择参考节点使网络具有良好的抗毁灭性和扩展性；提出的转发资格认证机制，通过限制一部分性能排位靠后节点的同步消息转发资格，减少网络无用消息的通信量，节约信息交换能耗；提出的参考节点空洞应对机制，当一定时间内待同步节点被动同步失败时将发起主动同步请求，保证网络同步的可靠进行。附图说明图1是本专利技术的根节点工作示意图。图2是本专利技术的非根节点工作示意图。图3是本专利技术的抗毁灭性效果图。图4是本专利技术在动态拓扑中同步过程示意图。图5是本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大规模无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根节点发起同步，同步开始时，由根节点决定同步数据包的类型为时间同步包或者转发资格认证包，同时设定同步轮次和同步跳数等参数信息，将数据包发出，启动定时器，经过一个同步周期的间隔后再次发起下一轮同步；(2)参考节点的选择，非根节点在同步开始时监听其他节点发来的同步数据包，收到第一个数据包后，如果是时间同步数据包，则设定时间同步定时器开始参考节点优选过程，在定时器到时之前，节点持续接收其他同步数据包，比较收到的数据包的性能参数Std，选取最优时间性能的节点为同步参考节点；(3)非根节点转发资格认证，根据网络具体要求设定资格阈值，非根节点监听到转发资格认证包后，则设定资格认证定时器开始转发资格认证过程，在定时器到时之前，节点持续接收其通信范围内其他邻居节点发来的资格认证数据包，记录邻居节点数，并对自己在邻居域内进行性能排位，如果排位小于资格阈值，则认为本节点具有转发资格，在时间同步过程中完成本节点的时间同步后，还需转发时间同步消息；(4)非根节点同步，当待同步节点选定参考节点后，关闭同步数据包的监听，利用该参考节点发来的时间信息以及收到这个数据包时本节点的时间记录，计算出时间偏差和延时，进行本地时钟的校正，如果本节点具有转发资格，还需向其他节点发出同步包；(5)网络的扩展，当有新的节点加入到已经运行的网络中时，可以根据性能参数Std无障碍的进行参考节点选择完成时间同步，根据与邻居节点的性能参数交换完成资格认证；当有节点失效时，以其为参考节点的下一跳节点重新选择新的参考节点。...

【技术特征摘要】
1.一种大规模无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根节点发起同步，同步开始时，由根节点决定同步数据包的类型为时间同步包或者转发资格认证包，同时设定同步轮次和同步跳数等参数信息，将数据包发出，启动定时器，经过一个同步周期的间隔后再次发起下一轮同步；(2)参考节点的选择，非根节点在同步开始时监听其他节点发来的同步数据包，收到第一个数据包后，如果是时间同步数据包，则设定时间同步定时器开始参考节点优选过程，在定时器到时之前，节点持续接收其他同步数据包，比较收到的数据包的性能参数Std，选取最优时间性能的节点为同步参考节点；(3)非根节点转发资格认证，根据网络具体要求设定资格阈值，非根节点监听到转发资格认证包后，则设定资格认证定时器开始转发资格认证过程，在定时器到时之前，节点持续接收其通信范围内其他邻居节点发来的资格认证数据包，记录邻居节点数，并对自己在邻居域内进行性能排位，如果排位小于资格阈值，则认为本节点具有转发资格，在时间同步过...

【专利技术属性】
技术研发人员：董恩清，袁瑗，黄振强，宋杰，仝锡林，张德敬，梁成辉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37