[发明专利]一种无线传感器网络事件触发一致性时钟同步方法

说明书

本发明公开了一种无线传感器网络事件触发一致性时钟同步方法，研究具有随机拓扑网络的时钟同步，并考虑节点间的传输延迟和丢包情况。本发明仅在特定事件发生时，即网络节点本次状态与上次发送时状态之差大于触发阀值时，进行同步信息的广播，网络同步信息量少；网络节点更新状态时仅需要输入邻居节点的本地时间，节点间广播的同步信息仅包含一表示节点本地时间的整数，信息包长度小；考虑传输延迟和丢包对同步性能的影响，给出传输延迟和丢包情况下的状态更新方法；一致性控制器的调整参数仅与节点自身的入度有关，无需维护网络拓扑结构。本发明还通过数值仿真给出了传输延迟和丢包率的上界。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种无线传感器网络事件触发一致性时钟同步方法。

背景技术

时钟同步是无线传感器网络的一个支撑技术，数据融合、移动物体的速度测量、时分多址接入技术等应用，都要求局部范围内的节点拥有一致的时间。现有的时钟同步方法，按照是否需要维护拓扑，可分为基于树/簇的时钟同步和一致性时钟同步。基于树/簇的时钟同步方法的共同点是需要定期维护网络拓扑结构和选择特殊的参考节点或簇头节点、网关节点，网络拓扑维护的通信量大，不利于无线节点通信能耗的节约，且方法对节点的死亡、加入具有较差的鲁棒性；该类同步方法基于分层或分簇拓扑，导致物理位置临近的节点位于不同层或簇，相互间同步误差大，不利于数据融合、TDMA接入技术等的应用；并且这类同步方法从参考节点出发由近及远逐级同步所有网络节点，存在同步误差累积效应，算法的拓展性差，无法适用于大规模多跳无线传感器网络。一致性同步通过多个对象间的信息交流，可使得多个对象的状态趋于一致，由于不需要维护网络拓扑，已被广泛应用于无线传感器网络的时钟同步中。一致性同步方法对网络规模具有鲁棒性，但现有方法的同步信息交换都属于连续发送方式或时间触发方式，即使节点的同步误差满足同步精度要求，节点依然会发送同步数据包；且时间触发算法在设计触发周期时，需要按照网络最差同步情况来设计，造成同步能量的浪费，不利于节点能量的节约。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种无线传感器网络事件触发的一致性时钟同步方法，研究具有随机拓扑网络的时钟同步，并考虑节点间同步信息的传输延迟和丢包情况。本发明采用的事件触发通信方式，有效降低了同步信息的发送频率，且本发明研究了不同传输延迟和丢包率对同步性能的影响。本发明节点仅需要广播本地时间，为同步周期的整数倍，而现有同步技术需要发送相位偏移和频率偏移，本发明的同步数据包长度相应减小。本发明一致性控制器的控制参数仅与节点自身的入度有关，而现有技术根据网络最大入度确定调整参数，需要维护网络最大入度这一变量。其具体技术方案为：

一种无线传感器网络事件触发一致性时钟同步方法，包括以下步骤：

步骤1：设无线传感器网络的节点个数为N，第i个节点(i＝1,2,...,N)在t时刻计数器值为cⁱ(t)，t₀时刻计数值为cⁱ(t₀)，按照计算节点i的本地时间，且通过速率补偿量αⁱ(t)补偿节点i的频率偏移其中τⁱ(t₀)为节点i在t₀时刻的本地时间、和fⁱ(t)分别为时钟晶振的标称频率和实际频率，且假定频率偏移rⁱ(t)为一常数，记为rⁱ；

步骤2：在时，节点i(i＝1,2,...,N)按照状态调整公式：

调整和其中和分别为节点i的本地时间τⁱ(t)和频率补偿量αⁱ(tⁱ)，和为节点i的第k个和第k+1个更新时刻；

步骤3：或即节点i的本地时间第一次大于或等于kT且状态与上次发送时状态之差满足或时，节点i将状态广播给输出邻居节点，其中T为网络的同步周期；