一种无线传感器网络事件触发一致性时钟同步方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种无线传感器网络事件触发一致性时钟同步方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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、TDM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】
[0003] 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：
[0004] 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：
[0005] 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C1 (t)，h时刻计数值为C1 Uci)，按照作)=计算节点i的 本地时间，且通过速率补偿量CiiU)补偿节点i的频率偏移/(0 = /(0/.7%其中TiUtl)为 节点i在h时刻的本地时间、叉和(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P (t)为一常数,记为P ;
[0006] 步骤2 :在+ 时，节点i (i = !，2, . . .，N)按照状态调整公式：
[0007] -t； (Ο = +
[0008] -^ = xWvM)
[0009] 调整-r;(〇和4(/)，其中x;(/)和40)分别为节点i的本地时间τ iU)和频率补偿量 a iUi)，和+ 1)为节点i的第k个和第k+Ι个更新时亥Ij ;
[0010] 步骤 3 : 4 W 兰 inW 4《价 *叫-伽-4(0)1>= Q71 或 4(&)以_丨.你)￡?\|4仍-4(〇)|>^〖，即节点1的本地时间第一次大于或等于1^且状态 与上次发送时状态之差满足>=<_',/或4(?)|>=%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；
[0011] 步骤4 :节点i接收输入邻居节点广播的状态变量xR/€ AQ ?记节点j的发送时刻 为"*)，节点i在6 W时刻接收到e AQ，假定不存在传输延迟，即/:义)=/,;.⑷；
[0012] 步骤5 :在接收所有邻居节点的e 后，节点i确定更新时间Cw = ， 按照状态更新公式：
【权利要求】
1. 一种无线传感器网络事件触发一致性时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1-1 :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d⑴，h时刻计数值为d(〇，按照作〗计算节点i的本 地时间，且通过速率补偿量ai(t)补偿节点i的频率偏移rV) = /々)/7,其中Paj为节 点i在、时刻的本地时间、和f⑴分别为时钟晶振的标称频率和实际频率，且假定频率 偏移P(t)为一常数，记为P; 步骤1-2 :在/e丨4(咖；#十1))时，节点iQ= 1，2, . . .，N)按照状态调整公式：
调整状态和4W，其中x丨(〇和x丨(〇分别为节点i的本地时间t1 (t)和频率补偿量aW)，4W和4(A+ 1)为节点i的第k和k+1个调整时刻； 步骤1-3 :
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一V或4(+0)| >=g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； 步骤1-4 :节点i接收输入邻居节点广播的状态变量#C/e<)，记节点j的发送时刻为 6W,节点i在4(*)时刻接收到彳（ieAQ，假定不存在传输延迟，即C⑷=〇幻： 步骤1-5 :在接收所有邻居节点的.v/(/€.〇后，节点i确定更新时间
按照状态更新公式：
更新状态―和4，其中q和c2为同步控制参数、为节点i与j间的权重系数、^；(幻为 更新时刻丨(幻前的瞬间，其中q= 0. 5，c2 = 0. 5AfmaxXT)，（i，j)GE，i关j则~ =1"4、 否则kg= 0 ; 步骤1-6 :跳到步骤1-1循环执行一致性同步。
2. 根据权利要求1所述的事件触发一致性时钟同步方法，其特征在于：节点i的状态 更新按以下步骤进行： 步骤2-1 :按照r%;(幻)=师-计算#ih其中P为节点j与i间的传输 延迟，为节点j发送时间，作：；）为节点i接收时间，作/,}为节点j发送时对应的节点i时间； 步骤2-2 :令节点i第k次发送数据的丢包系数为Ai(k)，无丢包时取1、有丢包时取 0,且假定节点i到所有输出邻居节点的丢包情况相同，对节点i的状态按下式进行更新：
3.根据权利要求2所述的考虑传输延迟和丢包的事件触发一致性同步方法，其特征在 于：更新时间和权重系数按照如下步骤获取： 步骤3-1 :更新时间
，其中Ye(〇, 1); 步骤3-2 :权重系数满足：若（i，j)gE且i关j时
、否则h= 0,其中
为考虑丢包情况下节点i的入度。
【文档编号】H04W56/00GK104411008SQ201410578766
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】陈珍萍, 黄友锐, 李德权, 曲立国, 唐超礼, 凌六一 申请人:安徽理工大学