[發(fā)明專利]一種基于動態(tài)路徑列表的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能選路同步器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310161927.9
• 申請日: 2013-05-06
• 公開（公告）號: CN104104495A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董恩清;鄒宗駿;宋杰;孫祺;常樹旺;張軍蕊;崔文韜;高翔;杜宇
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)（威海）
• 主分類號: H04L7/04
• 分類號: H04L7/04;H04W40/12;H04W56/00;H04W84/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的時間同步領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless?Sensor?Networks,?WSNs)由大量的節(jié)點構(gòu)成，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增大，需要通過多跳的方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程節(jié)點與基站的通信。用于WSNs的時間同步協(xié)議主要分為三類：發(fā)送者-接收者同步協(xié)議、成對同步協(xié)議、接收者-接收者同步協(xié)議。現(xiàn)有的WSNs時間同步機(jī)制在多跳擴(kuò)展上，都是簡單的傳遞式邏輯，這樣很容易使得上一跳的同步誤差累積到下一跳的同步運(yùn)算中，從而導(dǎo)致在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，同步誤差隨同步信息的擴(kuò)散在路徑上持續(xù)累積，最終導(dǎo)致出現(xiàn)同步精度嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。

典型協(xié)議中，RBS(Reference?Broadcast?Synchronization)利用一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點在兩個廣播域之間關(guān)聯(lián)時標(biāo)信息，從而實現(xiàn)多跳全網(wǎng)同步，但協(xié)議沒有對網(wǎng)關(guān)節(jié)點的質(zhì)量進(jìn)行檢測，也沒有考慮關(guān)聯(lián)后帶來的傳輸延遲和誤差累積問題。TPSN(Timing-sync?Protocol?for?Sensor?Networks)與Tiny-Sync/Mini-Sync皆使用雙向報文交換技術(shù)，其中基于生成樹的多跳同步策略沒有對節(jié)點失效采取相應(yīng)措施，在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)節(jié)點同步失敗時，尤其是這種情況出現(xiàn)在靠近參考節(jié)點的位置時，將對全網(wǎng)同步造成致命影響。FTSP(Flooding?Time?Synchronization?Protocol)采用給全網(wǎng)節(jié)點分配唯一ID號的策略，根據(jù)ID大小決定時標(biāo)優(yōu)先級，最終使全網(wǎng)收斂到最小ID節(jié)點的時間標(biāo)準(zhǔn)。這種機(jī)制只認(rèn)同節(jié)點ID號而不考慮節(jié)點時鐘的穩(wěn)定性，當(dāng)不穩(wěn)定的節(jié)點獲得了較小的ID號時，將對全網(wǎng)同步造成很大影響。LTS(Lightweight?Time?Synchronization)對分層式同步協(xié)議的多跳誤差累積進(jìn)行了定量分析，所使用的生成樹規(guī)則雖然考慮了同步路徑的選擇，但邏輯過于復(fù)雜，且對單個節(jié)點的路徑挑選缺乏針對性。CCS(Consensus?Clock?Synchronization)提出了一個內(nèi)部虛擬時鐘的思想，將所有節(jié)點收斂到一個內(nèi)部虛擬時鐘標(biāo)準(zhǔn)上，這樣雖不存在多跳同步問題，但這個虛擬時鐘與標(biāo)準(zhǔn)時鐘存在一定偏差，特別是在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時間的時標(biāo)轉(zhuǎn)化時將出現(xiàn)問題。

發(fā)明內(nèi)容

為有效抑制傳統(tǒng)時間同步策略在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的同步誤差多跳累積現(xiàn)象，并解決由于節(jié)點同步失敗或惡意信息對全網(wǎng)同步造成的影響問題，本發(fā)明提供了一種以動態(tài)路徑列表機(jī)制(Dynamic?Route?List,?DRL)為核心的智能選路同步器。此同步器通過應(yīng)用DRL機(jī)制，使節(jié)點獲得對最優(yōu)同步路徑的自適應(yīng)選擇能力，以抵抗同步失敗和惡意信息的影響，抑制同步誤差的多跳累積，在大網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)獲得高同步精度和強(qiáng)魯棒性。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

該技術(shù)方案的同步器建立和維護(hù)的具體實現(xiàn)過程如下。

(1)?網(wǎng)絡(luò)層次生成

首先，參考節(jié)點將自己的同步層次設(shè)為0，并廣播一個層次發(fā)現(xiàn)報文，其中包含自己的層次號。然后，當(dāng)參考節(jié)點的所有一跳鄰居節(jié)點接到這個報文后提取其中的層次信息，將自己的層次號設(shè)為這個值加1，再改寫報文為自己的層次號后將其廣播出去，后續(xù)節(jié)點繼續(xù)利用這個消息確定自己的同步層次。這個動作一直進(jìn)行到網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點，這樣則建立起全網(wǎng)的同步層次。

(2)?同步運(yùn)行

在網(wǎng)絡(luò)層次生成完畢之后，由處在0層的參考節(jié)點周期性地發(fā)起同步動作，它向自己的下層節(jié)點傳遞包含發(fā)送時間戳的同步消息。當(dāng)下層節(jié)點接收到這個同步消息后，根據(jù)時間戳數(shù)據(jù)進(jìn)行同步運(yùn)算，得到節(jié)點自己的時鐘頻偏估計值，使自身與上層節(jié)點同步，然后繼續(xù)向下一層節(jié)點發(fā)送同步消息。這個動作一直持續(xù)到網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點，完成全網(wǎng)節(jié)點的時間同步。

(3)?動態(tài)路徑列表的建立

在第一次同步操作完成之后，每個節(jié)點都記錄了自己的時鐘頻偏信息，這個頻偏信息實際上體現(xiàn)了節(jié)點作為時標(biāo)的質(zhì)量。頻偏越小，說明節(jié)點時鐘運(yùn)行越穩(wěn)定，作為時標(biāo)節(jié)點的效果越好，反之效果越差。在得到自己的頻偏之后，節(jié)點向自己的下層節(jié)點發(fā)送一個包含自身頻偏信息的路徑質(zhì)量信息(Route?Quality?Information,?RQI)報文。每個下層節(jié)點可能收到多個RQI報文，根據(jù)這些報文，節(jié)點可建立起一個動態(tài)路徑列表，其中包含了可選的上層節(jié)點ID（即父節(jié)點ID）以及對應(yīng)的頻偏信息，這些頻偏信息體現(xiàn)了待選路徑的質(zhì)量。

(4)?新同步路徑的建立