一種基于頻偏競標(biāo)及動(dòng)態(tài)拓?fù)涞拇笠?guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步器的制造方法
【專利說明】一種基于頻偏競標(biāo)及動(dòng)態(tài)拓?fù)涞拇笠?guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同止3&
ty 口口
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)的基礎(chǔ)協(xié)議，時(shí)間同步協(xié)議對于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的維持起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)發(fā)送方和接收方同步消息交互的情況，可以將WSNs中經(jīng)典的時(shí)間同步協(xié)議分為如下三類:①單向的發(fā)送/接收模型，DTMS(Delay Measurement Time Synchronizat1n)， FTSP(Flooding TimeSynchronizat1n Protocol);②雙向的發(fā)送/接收模型，TPSN(Timing_sync Protocol forSensor Networks);③接收 / 接收模型，RBS (Reference Broadcast Synchronizat1n) 0
[0003]但是，這些傳統(tǒng)的同步協(xié)議研究基本都是針對一跳范圍之內(nèi)的。當(dāng)其應(yīng)用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多跳同步時(shí)，往往只是簡單的復(fù)用一跳范圍內(nèi)的同步協(xié)議，卻沒有從整體結(jié)構(gòu)上提出優(yōu)化。這樣，必然造成每跳誤差的重復(fù)累積，使累積誤差近似于線性增長，很容易使處于遠(yuǎn)端層次高的節(jié)點(diǎn)的誤差超出允許范圍，最終導(dǎo)致同步協(xié)議失效。
[0004]繼經(jīng)典同步協(xié)議之后，提出了一些對誤差的多跳累積改進(jìn)措施的協(xié)議。如在LTS(Lightweight Time Synchronizat1n)協(xié)議中，對每跳誤差進(jìn)行權(quán)衡，并利用生成樹算法進(jìn)行路徑選擇，但是由于算法比較復(fù)雜等，缺乏實(shí)用性。在DRL-TSP(Dynamic Route Listbased Timing-Sync Protocol)中，使用挑選路徑質(zhì)量最好的父節(jié)點(diǎn)方法進(jìn)行同步，其在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中取得了一定的效果。但是，這套協(xié)議是基于分層結(jié)構(gòu)的，同步時(shí)需要嚴(yán)格按照下層節(jié)點(diǎn)跟上層節(jié)點(diǎn)同步。對于節(jié)點(diǎn)可能會隨時(shí)產(chǎn)生一定的弱移動(dòng)的應(yīng)用場景里，這套協(xié)議可能會因?yàn)樯舷聦庸?jié)點(diǎn)漂移錯(cuò)位而導(dǎo)致部分區(qū)域不能同步。如果是較多節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生錯(cuò)位，會直接導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步癱瘓?，F(xiàn)存的同步協(xié)議基本都是采用靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有層狀結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)。這類協(xié)議在運(yùn)行時(shí)，節(jié)點(diǎn)不允許被移動(dòng)，而且當(dāng)需要拓展網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還必需重啟整個(gè)協(xié)議，給實(shí)際應(yīng)用帶來困難。
[0005]目前在WSNs中，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，經(jīng)典時(shí)間同步方法也面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因?yàn)殡S著跳數(shù)的增多，節(jié)點(diǎn)間同步誤差的過量累積是不可避免的，所以，研究一種適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步器是勢在必行的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對當(dāng)前時(shí)間同步協(xié)議在多跳誤差累積抑制方面和具有弱移動(dòng)性的監(jiān)測場景中研究的不足，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于頻偏競標(biāo)(frequency skew bid，F(xiàn)B)和動(dòng)態(tài)拓?fù)?dynamic topology,DT)的同步器。此同步器通過頻偏競標(biāo)的方式選擇競標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)小的上跳節(jié)點(diǎn)發(fā)起同步。這里的競標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)與頻偏、跳數(shù)和被同步次數(shù)等參數(shù)有關(guān)。該同步器同時(shí)采用動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而保證所有節(jié)點(diǎn)在弱移動(dòng)下都能順利的完成時(shí)間同步。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]該技術(shù)方案的同步器建立和維護(hù)的具體實(shí)現(xiàn)過程如下:
[0009](I)根節(jié)點(diǎn)發(fā)起同步
[0010]同步開始時(shí)，由根節(jié)點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)定同步數(shù)據(jù)包的類型為快速同步或者慢速同步；同時(shí)設(shè)定同步輪次和同步跳數(shù)等參數(shù)信息，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)出；啟動(dòng)定時(shí)器，經(jīng)過一個(gè)同步周期的間隔后再次發(fā)起下一輪同步；同時(shí)監(jiān)聽并回應(yīng)下跳節(jié)點(diǎn)發(fā)來的同步請求。
[0011](2)非根節(jié)點(diǎn)快速同步
[0012]非根節(jié)點(diǎn)在同步開始時(shí)監(jiān)聽其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的同步數(shù)據(jù)包；收到第一個(gè)數(shù)據(jù)包后，如果是快速同步數(shù)據(jù)包，而且同步輪次值比上一輪的值大，則進(jìn)行快速同步，即立刻選定這個(gè)節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)。
[0013](3)非根節(jié)點(diǎn)慢速同步
[0014]非根節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的同步數(shù)據(jù)包；收到第一個(gè)同步輪次值比上一輪的值大的數(shù)據(jù)包后，如果是慢速同步數(shù)據(jù)包，則進(jìn)行慢速同步，設(shè)定定時(shí)器開啟頻偏競標(biāo)過程；在定時(shí)器到時(shí)之前，節(jié)點(diǎn)一直監(jiān)聽是否有其他同步數(shù)據(jù)包到來；對收到的數(shù)據(jù)包計(jì)算其競標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(Standard，STD);最終選取具有最小競標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)STD的節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)。
[0015](4)類TPSN單跳范圍同步
[0016]當(dāng)待同步節(jié)點(diǎn)選定父節(jié)點(diǎn)后，關(guān)閉同步數(shù)據(jù)包的監(jiān)聽；向父節(jié)點(diǎn)發(fā)起類TPSN的同步請求；父節(jié)點(diǎn)收到同步請求后及時(shí)回應(yīng)消息。待同步節(jié)點(diǎn)利用本次同步過程記錄的4個(gè)時(shí)間值，計(jì)算出時(shí)間偏差和延時(shí)，并進(jìn)行本地時(shí)鐘的校正；然后向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出同步包。
[0017](5)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展
[0018]當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)加入到已經(jīng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，他們可以根據(jù)競標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)STD自動(dòng)選擇最佳的上跳節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，而不需要重新啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步協(xié)議；如果加入的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)較多，則可以讓根節(jié)點(diǎn)發(fā)起一定次數(shù)的快速同步，使新節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘大致的統(tǒng)一到網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。
[0019]本發(fā)明的基于頻偏競標(biāo)及動(dòng)態(tài)拓?fù)渫狡髟诖笠?guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下及其在動(dòng)態(tài)拓?fù)渲械膶?shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)如下:
[0020]采用區(qū)域分簇的機(jī)制將大規(guī)模節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分為簇頭網(wǎng)絡(luò)和簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)兩部分。每個(gè)簇頭作為中間Sink節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)簇內(nèi)區(qū)域小節(jié)點(diǎn)信息的匯聚、處理和轉(zhuǎn)發(fā)，并且作為簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)發(fā)布同步消息。當(dāng)進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，先完成簇頭網(wǎng)絡(luò)的同步，再分別進(jìn)行簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的同步，這樣便可以大大減少同步跳數(shù)，提高同步精度。本發(fā)明的基于頻偏競標(biāo)及動(dòng)態(tài)拓?fù)渫狡骺蛇m用于簇頭網(wǎng)絡(luò)和簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)兩種網(wǎng)絡(luò)中。
[0021]本發(fā)明的同步器中節(jié)點(diǎn)的頻偏是指時(shí)鐘漂移，即單位時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏離真實(shí)時(shí)鐘的速度，頻偏體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘晶振的穩(wěn)定性。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘漂移(頻偏)值越小，其本地時(shí)鐘越穩(wěn)定；在進(jìn)行一次時(shí)鐘校正后，其時(shí)間值偏離真實(shí)值也越小，這樣在同步時(shí)造成的誤差也越小。
[0022]本發(fā)明的同步器采用跳數(shù)(Hop Number,HN)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多跳網(wǎng)絡(luò)中的同步。每個(gè)同步消息包中都含有跳數(shù)HN消息，根節(jié)點(diǎn)發(fā)出的消息中跳數(shù)為0，節(jié)點(diǎn)每轉(zhuǎn)發(fā)一次就將HN數(shù)值加I。當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行弱移動(dòng)時(shí)，會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)生動(dòng)態(tài)變化。這里的弱移動(dòng)性是指待同步節(jié)點(diǎn)在頻偏競標(biāo)的等待時(shí)間(Waiting Time, WT)內(nèi)，就是在慢速同步的定時(shí)器未超時(shí)之前，參與競標(biāo)的上跳節(jié)點(diǎn)沒有移出待同步節(jié)點(diǎn)的通信范圍。STD的計(jì)算式為STD = λ (HN).|FB|。其中，λ (HN)是關(guān)于跳數(shù)HN的表達(dá)式，具體參數(shù)值應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行測試獲得，以實(shí)現(xiàn)最佳的父節(jié)點(diǎn)的選取。
[0023]本發(fā)明的有益效果在于:
[0024]1.利用頻偏競標(biāo)策略實(shí)現(xiàn)誤差多跳累積的抑制
[0025]在頻偏競標(biāo)的過程中，節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包中攜帶有頻偏信息FB ;當(dāng)下一跳節(jié)點(diǎn)收到該數(shù)據(jù)包后，將FB作為一個(gè)主要的影響因子計(jì)算競標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)STD。當(dāng)接收到多個(gè)節(jié)點(diǎn)的競標(biāo)數(shù)據(jù)包后，計(jì)算出STD最小的上跳節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)ΡΝ，然后跟PN進(jìn)行同步。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，節(jié)點(diǎn)可選的父節(jié)點(diǎn)越多時(shí)，本發(fā)明的同步器對誤差多跳累積抑制的效果越明顯。圖6中所示為3種同步方式在多跳網(wǎng)絡(luò)中同步時(shí)的誤差累積圖。其中Fid-bid曲線即是本發(fā)明的同步器采用的頻偏競標(biāo)策略對誤差多跳累積抑制的效果曲線。
[0026]2.快速同步和慢速同步結(jié)合的策略
[0027]由于同步協(xié)議往往都是犧牲一種性能來換取另一種性能，而不存在一種同步器在各方面都具有良好的性能；同理，也更不可能存在一套同步器能適用于多種不同要求的場景。所以，本發(fā)明的同步器中采用了快速和慢速同步結(jié)合的方式來應(yīng)對應(yīng)用需求的變化。快速同步可以認(rèn)為是以犧牲同步精度為代價(jià)來獲取較短的收斂周期；而慢速同步則相反是犧牲收斂周期來實(shí)現(xiàn)同步精度的提高。
[0028]圖5所示的是快速和慢速同步過程各跳完成同步所需的延時(shí)。程序中設(shè)定在頻偏競標(biāo)過程中定時(shí)器的值為2分鐘，即慢速同步的周期為2分鐘，這個(gè)數(shù)值可以根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)在一個(gè)7跳網(wǎng)絡(luò)中的測試結(jié)果，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的收斂時(shí)間，即第7跳上節(jié)點(diǎn)完成同步需要的時(shí)間，快速同步為4.092s，慢速同步為22.6283s。
[0029]3.適合弱移動(dòng)性
[0030]如果無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)生弱性移動(dòng)時(shí)，經(jīng)典的同步協(xié)議DMTS、TPSN和RBS等，以及最近提出的具有多跳誤差累積抑制的同步協(xié)議(DRL-TSP)都不能適用于拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的場合。本發(fā)明的同步器具有良好的弱移動(dòng)性能，能很好運(yùn)用在這類環(huán)境中進(jìn)行時(shí)間同步。
[0031]如圖3所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行弱移動(dòng)的時(shí)候，會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)生動(dòng)態(tài)變化。在圖3(a)中，tl時(shí)刻節(jié)點(diǎn)5通過判斷STD選取節(jié)點(diǎn)7作為父節(jié)點(diǎn)；在圖3(b)中，在t2時(shí)刻進(jìn)行下一輪同步的時(shí)候，由于節(jié)點(diǎn)間的移動(dòng)導(dǎo)致原來最佳STD的父節(jié)點(diǎn)7移出了節(jié)點(diǎn)5的通信范圍；不過由于每輪同步時(shí)