[发明专利]一种适用于多跳无线传感器网络的主从同步方法

权利要求书

1.一种适用于多跳无线传感器网络的主从同步方法，所采用的步骤是：

步骤1：初始化过程，全网节点采用分布式的方式建立分级结构，并获取各自所属的级别，以及父节点和子节点信息；

初始化过程中，全网节点采用分布式的方式建立分级结构，分级后，高一级的节点作为低一级节点的父节点发起同步过程，低一级的节点作为高一级节点的子节点响应同步过程，为了记录节点各自所属的级别、父节点、子节点数量信息，节点维护级别号变量l、父节点变量f、和子节点数变量n，同时，每个节点还维护一个用于存储各子节点回复分级应答帧rep_lev先后顺序的线性链表RDL，RDL中的每个结点由存储后继结点位置信息的指针域和存放数据元素信息的数据域组成，结点指针域中的指针指向RDL的下一个结点的存放地址，结点数据域包含以下信息：(1)子节点的节点号，(2)子节点的子节点数n；

全网节点采用分布式的方式建立分级结构的具体过程如下：

(1)首先在全网节点中选择一个节点作为根节点，并把根节点的时间作为整个网络的标准时钟源，初始化过程中，根节点把自身的级别号l设为0，并作为父节点向全网节点广播分级请求帧req_lev，该帧携带父节点的节点号和级别号，广播完成后，父节点在W个时隙长度时间内持续监听信道，如果信道持续空闲，则说明不存在子节点，该节点即为最低一级子节点，如果W个时隙时间长度内，父节点检测到信道变忙，则尝试接收子节点回复的分级应答帧rep_lev；父节点如果接收rep_lev帧失败，则广播分级冲突帧col_lev，告知子节点rep_lev帧发生冲突，父节点如果接收rep_lev帧成功，则把维护的子节点数变量n的值加1，同时在RDL链表尾部添加一个新结点，并将子节点的节点号存入此结点的数据域；父节点接收完rep_lev帧后，在W个时隙长度的时间内继续监听信道，如果信道持续空闲，则说明父节点的所有子节点已全部回复rep_lev帧，如果W个时隙长度的时间内，父节点检测到信道变忙，则尝试接收子节点回复的rep_lev帧；

对于接收节点，接收到req_lev帧后，如果已确定自身的级别号，则忽略当前帧，如果尚未确定自身的级别号，则将该帧中的l值加1作为自己的级别号，并将该帧的发送节点作为自己的父节点，存储在变量f中，然后向父节点回复rep_lev帧；为了避免多个子节点同时发送rep_lev帧产生冲突，子节点在回复rep_lev帧之前，首先在[0，W-1]内随机选择一个整数作为自身退避计数器的值，并开始退避，如果在退避过程中信道持续空闲，退避完成后子节点则向父节点回复rep_lev帧，如果在退避过程中信道变忙，子节点则暂停退避过程，记录当前退避计数器的剩余值，等待信道重新空闲后继续退避过程；

子节点发送完rep_lev帧后，在冲突检测时间T_lev内持续监听信道，T_lev的值设定为

T_lev＝2*dur_{max_bct}+dur_{col_lev} (1)

其中，dur_{max_bct}为最大传播时延，dur_{col_lev}为col_lev帧的传输时间，子节点如果在冲突检测时间内接收到了父节点广播的col_lev帧，则判定自己回复的rep_lev帧发生冲突，需要在[0，W-1]内重新选择退避计数器的值，等待退避结束后重新向父节点回复rep_lev帧，反之，则判定回复的rep_lev帧已被父节点成功接收；

(2)父节点接收完其所有子节点回复的rep_lev帧后，按照RDL中记录的子节点的顺序，授权子节点继续寻找下一级子节点，具体过程如下：

①父节点首先取出RDL首结点数据域中记录的子节点号，并向该子节点发送寻找子节点授权指令，授权指令发送后，将首结点从RDL中删除；

②子节点接收到父节点的授权指令后，按照(1)中的方法广播req_lev帧，寻找下一级子节点；

③子节点寻找过程结束后，作为下一级子节点的父节点重复过程①，直到最后一级子节点判定其无更低一级的子节点，最后一级子节点的RDL为空；

④子节点判定RDL为空时，向其父节点回复完成寻找子节点指令，父节点接收到该指令后，重复过程①，即取出RDL更新后的首结点数据域中的子节点号，并向取出的子节点发送寻找子节点授权指令；

⑤当父节点RDL中记录的所有子节点均完成子节点的寻找过程，并回复了完成寻找子节点指令时，父节点按照过程④向其高一级父节点应答完成寻找子节点指令，重复过程④，直到根节点接收到其RDL中记录的所有子节点回复的完成寻找子节点指令，全网节点的分级过程结束；

步骤2：同步阶段，网络中的根节点首先广播同步请求帧，发起全网同步过程，并通过二维离散马尔可夫链对子节点竞争回复同步应答帧前的退避过程进行建模分析，求解得到不同子节点数量条件下竞争退避窗口的最佳取值W，同时将W的值捎带告知子节点；

同步阶段开始后，网络中的根节点首先作为父节点向其子节点广播同步请求帧req_syn，req_syn帧中包含父节点的级别号l、req_syn帧的发送时间T₁和子节点竞争回复同步应答帧rep_syn时退避竞争窗口的最佳取值W，W的值通过二维离散马尔可夫链模型分析求解得到；req_syn帧广播完成后，父节点在W个时隙长度时间内等待接收子节点回复的rep_syn帧，父节点如果没有接收到子节点回复的rep_syn帧，则广播同步冲突帧col_syn，告知子节点rep_syn帧发生冲突；同时，为了能够及时判断全部子节点回复rep_syn帧结束的时间，父节点维护其子节点中还未回复rep_syn帧的子节点的数量m，m的初始值为子节点数n，父节点每成功接收到一个rep_syn帧，将m值减1；

步骤3：子节点接收到同步请求帧后，根据最佳竞争退避窗口大小竞争回复同步应答帧；

子节点接收到父节点发送的req_syn帧后，从req_syn帧中读取父节点发送req_syn帧时的时间T₁和竞争回复rep_syn帧的竞争窗口的最佳取值W，并记下rep_syn帧的接收时间T₂；为了避免多个子节点同时回复rep_syn帧产生冲突，子节点在回复rep_syn帧之前，首先在[0，W-1]内随机选择一个整数作为自身退避计数器的初始值，并开始退避，如果在退避过程中信道持续空闲，退避完成后子节点则向父节点回复rep_syn帧，rep_syn帧中携带时间T₁和T₂的值、当前子节点回复rep_syn帧的发送时间T₃以及当前子节点的子节点数，如果在退避过程中信道变忙，子节点则暂停退避过程，记录当前退避计数器的剩余值，等待信道重新空闲后继续退避过程；

子节点发送完rep_syn帧后，在冲突检测时间T_syn内持续监听信道，T_syn的值设定为

T_syn＝2*dur_{max_bct}+dur_{col_syn} (2)

其中，dur_{max_bct}为最大传播时延，dur_{col_syn}为col_syn帧的传输时间，子节点如果在冲突检测时间内接收到了父节点广播的col_syn帧，则判定自己回复的rep_syn帧发生冲突，需要在[0，W-1]内重新选择退避计数器的值，等待退避结束后重新向父节点回复rep_syn帧，反之，则判定回复的rep_syn帧已被父节点成功接收；

步骤4：父节点根据子节点回复的同步应答帧，计算出与子节点之间的时间偏差，并通过同步确认帧将时间偏差告知子节点，子节点接收到同步确认帧后调整本地时间；

父节点接收到子节点回复的rep_syn帧后，则将m值减1，并在RDL尾部添加一个新结点，将子节点的节点号和子节点的子节点数量存入新添加结点的数据域，同时，父节点记录rep_syn帧的到达时间T₄，结合rep_syn帧携带的时间T₁、T₂、T₃的值，计算与子节点间的时间偏差；用d₁表示req_syn帧的传播时延，d₂表示rep_syn帧的传播时延，Diff表示子节点与父节点之间的时间偏差，则以下方程组成立

假设帧的传播时延相同，即d₁＝d₂，则由式(3)可得Diff的表达式

父节点计算出与所有子节点之间的时间偏差后，广播同步确认帧res_syn，将时间偏差信息告知子节点，子节点接收到res_syn帧后，根据帧中携带的本节点与父节点的时间偏差，修正本地时间，完成时间同步；

步骤5：完成同步的子节点继续作为下一级子节点的父节点发起同步过程；

与节点分级过程类似，父节点广播res_syn帧后，按照RDL中记录的子节点的顺序，授权子节点作为下一级子节点的父节点继续发起同步过程，具体过程如下：

(1)父节点首先取出RDL首结点数据域中记录的子节点号和子节点的子节点数，然后将首结点从RDL中删除，如果该子节点的子节点数为0，父节点则继续取出更新后的RDL首结点的子节点号和子节点的子节点数，如果相应子节点的子节点数不为0，父节点则向该子节点发送授权同步指令；

(2)子节点接收到父节点的授权同步指令后，按照步骤2中的方法广播req_syn帧，发起与低一级子节点间的同步过程；

(3)同步完成后，重复过程(1)，直到倒数第二级子节点完成同步过程后，判定其RDL中每个结点数据域中记录的子节点的子节点数均为0，此时该子节点的RDL为空；

(4)子节点判定RDL为空时，向其父节点回复完成同步指令，父节点接收到该指令后，重复过程(1)；

(5)当父节点RDL中记录的所有子节点均完成同步过程，并回复了完成同步指令时，父节点按照过程(4)向其高一级父节点回复完成同步指令，重复过程(4)，直到根节点接收到其RDL中记录的所有子节点回复的完成同步指令，全网节点的同步过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多跳无线传感器网络的主从同步方法，其特征在于通过二维离散马尔可夫链对子节点竞争回复同步应答帧前的退避过程进行建模分析，求解得到不同子节点数条件下竞争退避窗口的最佳取值W的具体方法为：

针对子节点竞争回复rep_syn帧前的退避过程，构建二维离散马尔可夫链模型，模型中，任意一个子节点的状态可用二维随机变量{s(t)，b(t)表示，其中，s(t)表示当前参与竞争回复rep_syn帧的子节点数，b(t)表示子节点当前退避计数器的剩余值；

模型中其余各变量的含义如下：

n：子节点的数量；

p(s_i)：子节点退避过程中，另外的子节点成功发送rep_syn帧的概率；

p(c_i)：子节点发送rep_syn帧失败的概率；

用P(i|j)表示节点从状态j到i的一步状态转移概率，则离散马尔可夫链中的非空一步状态转移概率可表示为

上述方程组中，第一个方程表示子节点退避计数器的值减1的概率，第二个方程表示网络中有一个子节点成功发送rep_syn帧，使得当前参与竞争的子节点数和子节点退避计数器的值同时减1的概率，第三个方程表示参与竞争的子节点数为n时，子节点发送rep_syn帧后，在[0，W-1]内随机选取的退避计数器的初始值为k的概率，第四个方程表示参与竞争的子节点数为i时，子节点成功发送rep_syn帧后，在下个同步周期从[0，W-1]内随机选取的新的退避计数器的初始值为k的概率，第五个方程表示参与竞争的子节点数为1时，子节点成功发送rep_syn帧后，在下个同步周期从[0，W-1]内随机选取的新的退避计数器的初始值为k的概率，第六个方程表示参与竞争的子节点数为i时，子节点发送rep_syn帧失败后，在区间[0，W-1]内随机选取的新的退避计数器的初始值为k的概率；

用P_i，j表示马尔可夫链的稳态概率分布，即P_i，j＝lim_t→∞P{s(t)＝i，b(t)＝j}，i∈[1，n]，j∈[0，W-1]，为便于表达，定义

可得

由

利用稳态概率分布的归一化条件：

可求出在i个竞争子节点的情况下，单位时隙内发送rep_syn帧的概率τ_i为

则

当网络中存在i个竞争子节点时，其中任意子节点成功发送rep_syn帧的概率为1-p(c_i)，所以每个rep_syn帧的成功发送，平均导致的冲突次数约为1/(1-p(c_i))-1，从而可以得到n个子节点全部完成rep_syn帧的发送带来的冲突次数Nc_n的期望为

设父节点与其所有子节点完成时间同步所需的时间为E[T]，为了表述方便，设定以下符号变量：

子节点从处于P_i，k状态到成功完成res_syn帧的接收，进入新一轮同步阶段需要的时间；

E[T_i]：网络中存在i个竞争子节点时，单个子节点完成同步的时间期望；

E[σ_i]：当网络中存在i个竞争子节点时，子节点退避时隙长度期望值；

δ：空闲时隙长度；

ε₁：同步请求帧rep_syn的传输时间；

ε₂：同步确认帧res_syn的传输时间；

ζ：同步冲突帧col_syn的传输时间；

当网络中存在i个竞争子节点时，子节点在退避过程中监听到信道空闲的概率为(1-τ_i)^i-1，子节点退避时隙长度期望值E[σ_i]可表示为

当i＝1时，的表达式可以表示为

由式(15)可得

T₁^k＝ε₁+ε₂+kδ (16)

当i∈[2，n]时的表达式可以表示为

由式(18)通过迭代计算可得出的值；

当i∈[2，n]时，网络中单个竞争子节点完成同步的时间期望为

故当网络中存在n个子节点时，父节点与其所有子节点完成时间同步所需的时间期望E[T]为

根据完成时间同步所需的时间期望E[T]，通过数值搜索法确定给定子节点数条件下竞争退避窗口的最佳取值W，具体方法为：将W的取值从最小值1开始递增，依次分别计算出相应E[T]_(W)的值，W＝1，2，3......，若E[T]_(W)的值满足

E[T]_(W+1)-E[T]_(W)＞0 (21)

则W即为n个子节点条件下，子节点竞争退避窗口的最佳取值。