[发明专利]基于AODV路由协议的无线传感器网络按需时钟同步方法

摘要

本发明公开了一种基于AODV路由协议的无线传感器网络按需时钟同步方法，将时钟同步算法与AODV协议的路径发现算法整合可以按照节点自身的需求，实现与目标节点的时钟同步，时钟同步不再局限于以全网同步的方式实现；时钟同步算法基于源节点和目的节点的直接交互进行实现，中间节点不再参与时钟同步计算，因此可以克服时钟同步偏差的逐跳累计，提高了多跳时钟同步的精度；利用中间节点已有的时钟同步信息，一方面可以实现时钟同步算法通信开销的进一步优化，另一方面在拓扑结构快速变化的网络中，可以加快时钟同步算法的计算速度，实现节点与目标节点的快速同步，因此该项技术能够较好的适应拓扑结构快速变化的网络。

主权项

1.一种基于AODV路由协议的无线传感器网络按需时钟同步方法，其特征在于：包括以下步骤：A：首先在AODV路由协议的原始数据结构中增加新的数据项，包括如下部分：A1：在路由表项中增加变量σ作为源节点和目的节点之间的时钟偏差估计，σ的类型为双精度浮点型；A2：在路由表项中增加变量D作为源节点和目的节点之间的传输延时估计，D的类型为双精度浮点类型；A3：在路由表项中增加变量f作为源节点和目的节点是否完成同步的标志，f的类型为布尔型；其中，所述的路由表项为保存有源节点到目的节点的路径信息的数据结构；所述的源节点是指发送数据的传感器节点，同时作为待完成时钟同步的传感器节点；所述的目的节点为接收数据的传感器节点，同时作为具有标准时钟的传感器节点；B：在原始AODV协议定义的命令分组的基础上，增加时钟同步功能需求的字段，包括如下部分：B1：在原有的路径发现命令RREQ分组定义的基础上，增加源节点的本地时钟标记字段Source Time Stamp，Source Time Stamp的数据类型为双精度浮点类型；B2：在原有的路径响应命令RREP分组定义的基础上，增加前向传输时延字段Forward Transmission Delay，Forward Transmission Delay的数据类型为双精度浮点类型；B3：在原有的路径响应命令RREP分组定义的基础上，增加目的节点的本地时钟标记字段Destination Time Stamp，Destination Time Stamp的数据类型为双精度浮点类型；其中，所述的AODV协议定义的命令分组是指AODV协议为完成源节点到目的节点之间的路径发现过程以及路径维护过程定义的数据包的类型，包括RREQ分组和RREP分组；C：基于步骤A和步骤B定义的新的数据结构，进行时钟同步算法的执行；C1：源节点在本地时钟读数为T1时刻构建RREQ命令，并令RREQ命令的Source Time Stamp字段等于T1，而后，源节点广播发送RREQ命令，在网络中搜寻目的节点；C2：由于步骤C1中源节点广播发送RREQ命令，所以，RREQ命令分为两种情况被接收：一种是：中间节点；另一种是：目的节点；所述的中间节点是指网络中除源节点和目的节点之外的其他传感器节点；C2.1：当中间节点接收到来自源节点发送的RREQ命令时，首先判断在规定的时间间隔内是否为首次接收来自源节点的RREQ命令；若中间节点接收过来自源节点的RREQ命令，则立即丢弃该RREQ命令；若中间节点未接收过来自源节点的RREQ命令，则建立到该源节点的反向路由，并设置路由表项中变量f的值为FALSE，表明该中间节点虽然与源节点之间建立了可用路径，但未实现与该源节点的时钟同步，而后中间节点继续广播该RREQ命令；C2.2：当目的节点接收到来自源节点的RREQ命令时，首先根据本地时钟记录目的节点接收到RREQ命令的时刻为T2；而后建立目的节点到源节点的反向路由，并设置路由表项中变量f的值为FALSE；表明目的节点虽然建立了到源节点的路径，但未实现与源节点的时钟同步；最后目的节点在本地时钟读数为T3的时刻构建RREP命令并发送至源节点，在构建RREP命令的过程中，令RREP命令的Forward Transmission Delay字段等于T2‑T1，Destination Time Stamp字段等于T3；C3：源节点在本地时钟读数为T4的时刻接收到来自目的节点的RREP命令时；C3.1：首先建立到目的节点的路由，将路径信息写入相应的路由表项；C3.2：根据公式⑴推导出源节点和目的节点之间的时钟偏差估计σ和源节点和目的节点之间的传输时延估计D，时钟偏差估计σ如公式⑵，传输时延估计D如公式⑶所示，公式⑴如下：推导出的公式⑵如下：推导出的公式⑶如下：C3.3：将时钟偏差估计σ和传输时延估计D写入路由表项，并设置路由表项中变量f的值为TRUE；表明源节点到目的节点的时钟同步参数有效；C4：令T表示源节点的本地时钟，s(T)表示源节点相对于目的节点校准后的时钟；由公式⑴可知，s(T)可以表示为T的一次函数，如公式⑷；当需要传输数据时，执行时钟校准函数公式⑷，实现源节点到目的节点的时钟同步，时间戳由公式⑷实现；公式⑷如下：s(T)＝T+σ+D    ⑷D：当中间节点在T2时刻接收到来自源节点的RREQ命令，假设此时该中间节点已经包含了到目的节点的路径信息以及时钟同步参数σ和D时，对步骤C的时钟同步算法进行开销优化；D1：依据步骤B2和步骤B3所述RREP命令中包含有前向传输时延字段Forward Transmission Delay和目的节点的本地时钟标记字段Destination Time Stamp，因此可以利用中间节点与目的节点的时钟同步参数σ和D进行计算，得出源节点到目的节点的前向传输时延字段Forward Transmission Delay和本地时钟标记字段Destination Time Stamp，计算方法依据公式(5)和公式(6)；FTD＝T2‑T1+D+σ   ⑸DTS＝T3+D+σ    ⑹D2：中间节点在本地节点时钟读数T3的时刻发送RREP命令至源节点；D3：源节点在本地节点时钟读数T4的时刻接收来自中间节点的RREP命令，建立到目的节点的路径，并依据公式(2)和公式(3)计算与目的节点的时钟同步参数σ和D，从而实现与目的节点的时钟同步，并达到时钟同步算法的开销优化。