[发明专利]基于元胞自动机的环形WSN脉冲耦合振荡器时间同步模型

说明书

本发明公开了一种基于元胞自动机的环形WSN脉冲耦合振荡器时间同步模型，属于无线网络通讯技术领域。模型为将每一个振荡器看做为一个元胞，且在元胞自动机中用方格表示振荡器系统中的每一个振子；在脉冲耦合振荡器网络同步演进的过程中，符合同步条件的节点在受到“一耦即增”的激励耦合机制下，系统会出现多个振荡器组，直到最终只有一个振荡器组时逐渐实现同步状态；设定N个振荡器节点组成环形拓扑的最邻近耦合网络；将整个元胞自动机系统达到的稳定状态，映射到脉冲耦合振荡器最近邻网络的同步中；在环形网络拓扑的无线传感器网络中，构建脉冲耦合振荡器最近邻网络同步模型，得到应用于环状网络拓扑的WSN脉冲耦合振荡器最近邻网络时间同步模型。

技术领域

本发明具体涉及一种基于元胞自动机的环形WSN脉冲耦合振荡器时间同步模型，属于无线网络通讯技术领域。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是分布式系统，因其广泛的应用前景而成为当前的研究热点之一。无线传感器网络在军事监控、环境监测、医疗护理、智慧工厂、智慧城市、以及煤矿井下的安全监测等领域，都发挥着重要的作用。WSN节点之间相互独立并以无线方式通信，每个节点维护一个本地时钟。时钟的计时信号一般由廉价的晶体振荡器提供。由于晶体振荡器制造工艺的限制，并且其在运行过程中易受到电压、温度及晶体老化等多种偶然因素的影响，晶体振荡器的频率很难保持一致性，导致网络中节点的计时速率总有偏差，造成了网络节点时间的失步。为了维护节点本地时间的一致性，必须经常性进行时间同步操作。因此相对于通常的分布式系统，WSN对时间同步的需求尤为重要，可以说时间同步是WSN的一项支撑技术。目前，在定位、测距、数据融合、MAC层协议、睡眠调度、路由协议、协作传输、数据库同步等几乎所有的场合都对时间同步有明确的要求。

脉冲耦合振荡器(Pulse coupled oscillator)是通过脉冲形式的信号来相互传递信息的，如萤火虫同步闪烁、心脏起搏细胞等，由这样的振子组成的网络系统被称为脉冲耦合系统(pulse coupled system)。在全连接网络的脉冲耦合系统中，所有节点互相传递耦合信息，虽然耦合存在的时间非常短暂，但是整个系统却能表现出惊人的同步性。应用于WSN时间同步中，可以在物理层的同步信号，而与来源无关；可以很好的适应网络的动态拓扑，具有非常好的可扩展性；各个节点只需执行一个相同而简单的机制就可达到同步，可以不存储时间信息，非常适合各种资源都有限的无线传感器网络。

虽然脉冲耦合振荡器网络同步模型很好的应用于无线传感器网络时间同步中，但限制于全连接的网络拓扑。如煤矿井下这一特殊物理环境中，由于煤矿井下物理环境与地面截然不同，并且传统的二维网络拓扑不能直接应用，比如在井下巷道的分岔口处，相比全连接网络的脉冲耦合振荡器网络同步模型而言，复杂的井下巷道更适用于非全连接的环状网络拓扑。在环状网络拓扑中，由于脉冲形式的信号的信息传递范围只能在最邻近的邻居节点，当某一节点无法正常工作时，环状网络也无法实现同步。并且在网络同步的过程中，需要大量的脉冲耦合信息传递，很难在环状网络中达到完全同步。

发明内容

本发明提出了一种适应用环状网络拓扑的无线传感器网络的时间同步模型，以非漏电脉冲耦合振荡器模型为理论模型，构建一种基于元胞自动机的脉冲耦合振荡器最近邻网络时间同步模型。

具体的，本发明提供的基于元胞自动机的WSN脉冲耦合振荡器时间同步模型，所述模型为：

将每一个振荡器看做为一个元胞，且在元胞自动机中用方格表示振荡器，由于脉冲耦合振荡器网络中若存在某个振荡器节点达到激发态，产生脉冲信号，那么其他节点将会受到耦合因子的影响，从而刺激自身相位发生状态改变；在同步演进的过程中，符合同步条件的节点在受到激励耦合机制下，系统出现多个振荡器组，直到最终只有一个振荡器组时逐渐实现同步状态；