降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法技术

本发明专利技术涉及一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，属于无线网络领域。该方法针对分簇无线传感器网络，将同步过程分为簇内首次时间同步，簇间时间同步和簇内再次时间同步三个步骤。簇内首次同步和簇内再次同步使用最大一致性时间同步方法，分别只需要四次和两次通信；在簇间同步中，所有簇头之间采用最大一致性方法进行同步，簇头消息的交换是通过网关节点的消息转发而实现。因此，本发明专利技术在簇间同步中，簇中的普通簇内节点都无需通信，与已有方法中每个周期簇内节点都需要广播或者回复消息相比，能够有效降低同步过程中节点间的通信量并提高收敛速度，延长节点的网络生存时间。

【技术实现步骤摘要】
降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法
本专利技术属于无线网络领域，涉及一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSNs)因为其具有安装方便，部署灵活和成本效率高等优点被越来越多地应用于自动化中。时间同步是无线传感器网络的一项基本支撑技术。它为无线传感器网络的众多应用，如目标跟踪、节点定位、事件监测、传输调度等提供了必要的基础条件。在过去几十年里，基于不同的应用场景，众多的时间同步协议和算法被提出，这些算法可分为集中式时间同步算法和分布式时间同步算法两类。集中式时间同步协议大都依赖于参考节点或根节点的时钟来为整个网络提供参考时钟，且依赖于特定的拓扑网络结构。现有的集中式时间同步协议主要包括树形结构和簇形结构两种，具有代表性的协议有Timing-syncProtocolforSensorNetworks(TPSN),FloodingTimeSynchronizationProtocol(FTSP),LightweightTimeSynchronization(LTS)，ReferenceBroadcastsSynchronization(RBS)等，以上算法均需要一个参考时钟。为了提高协议的鲁棒性和可扩展性，以及克服集中式时间同步算法的不足，完全分布式的时钟同步协议被提出。由于完全分布式的时钟同步协议具有较强的鲁棒性，所以更加适用于实际中无线传感器网络的时钟同步，从而得到了广泛的关注和大量的研究。应用一致性理论来解决传感器网络中的时间同步问题，所设计的时间同步协议被称之为基于一致性的时间同步协议。主要的算法有：(MaximumTimeSynchronization)MTS,(AverageTimeSync)ATS,CCS,GlobalClockSynchronization(GCS),DistributedTimeSynchronizationProtocol(DTSP)。分簇算法已经被广泛的应用于无线传感器网络。基于分簇技术，一个网络可以被分为若干个重叠的簇，每个簇包括一个簇头和一系列的簇内成员节点。根据特定的机制选出簇头，其负责信息的收集，数据的聚合和簇与簇之间的通信。因此，簇形拓扑结构减少了通信的跳数和节点与节点之间的通信流量，从而降低能耗并延长了网络的使用寿命。将分簇技术和一致性理论相结合，JieWu和LiyiZhang提出了算法ClusteredConsensusTimeSynchronization(CCTS)，该算法基于平均一致性算法的线性模型，将同步分为簇内时间同步和簇间时间同步先后两个阶段，以实现全局同步。然而，CCTS算法中簇间通信在簇内通信完成后开始，时钟偏移补偿在时钟斜率补偿完成后开始，导致收敛速度慢，同时，其收敛率与最初的同步误差密切相关，导致更多的迭代次数。ZhaoweiWang和PengZeng等人提出了一种将基于最大一致性的时间同步算法和簇形结构相结合的CMTS算法，该算法采用基于最大一致性的MTS算法实现簇内时间一致，同时在重叠节点的辅助下完成簇与簇之间的时间一致性同步，CMTS算法中，簇内通信和簇间通信同时进行，且同时补偿时钟斜率和时钟偏差，具有更快的收敛速度。然而，目前仍然缺乏对一致性理论和分簇技术相结合的相关研究，已有的少数研究也只是简单的将一致性时间同步方法应用过来，并没有针对簇形结构，对基于一致性的时间同步方法做出改进。因此，本专利技术对基于簇形结构的一致性时间同步算法进行优化研究。目前无线传感器网络时间同步机制存在的主要问题如下：首先，集中式的时间同步方法是基于参考节点或根节点的时钟作为参考时钟来实现的，所以它们的鲁棒性和可扩展性较差。当一个父节点死亡或者一个新的节点加入的时候，它们需要重新构建树形结构或簇形结构，造成额外的执行开销，并可能导致更差的同步精度。其次，基于一致性的时间同步算法是应用于完全分布式的网络结构，当扩展该类算法的应用场景到重叠簇形网络结构时，需将基于一致性的时间同步算法与网络结构相结合，提出改进的基于一致性的时间同步算法。同时，目前缺乏对算法的优化，节点间周期性的通信造成很大的能量开销。需要提出适应其网络结构的基于一致性的时间同步算法，并优化该算法以减少通信次数和能量开销。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，针对无线传感器网络中的簇型网络拓扑结构，采用基于最大一致性理论的时间同步方法来实现节点之间的时钟同步，使所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟。本专利技术中簇头通过广播的方式与簇内的节点或邻居簇头进行通信，并将时间同步过程分为三个步骤，分别为簇内首次时间同步，簇间时间同步和簇内再次时间同步，与其他算法不同，本专利技术所提方法中，簇内成员节点无需周期性的广播消息，有效的减少广播频率，降低网络的通信开销以及节点的能耗，且该时间同步方法同时补偿时钟斜率和偏差，延长了时间同步周期。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，包括：针对无线传感器网络中的簇型网络拓扑结构，采用基于最大一致性时间同步方法来实现节点之间的时钟同步，以使所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟。所述的时间同步方法由簇头发起，并将时间同步过程分为三个步骤：S1：簇内首次时间同步：使用最大一致性时间同步方法，通过四次信息交换实现每个簇的簇头的逻辑时钟同步到其簇内最大逻辑时钟；S2：簇间时间同步：网络中所有簇头之间进行通信，采用最大一致性时间同步方法进行同步，以使所有簇头节点的时钟同步到网络中的最大逻辑时钟，所有簇头消息的交换都是通过从重叠节点中选出网关节点来负责消息的转发而实现，但该阶段网关节点不与簇头进行一致性时间同步；因此簇间时间同步中所有簇中的普通簇内成员节点都无需通信；S3：簇内再次时间同步：使用最大一致性时间同步方法，通过两次信息交换实现将每个簇头的逻辑时钟扩散到该簇的所有簇内节点，此时，整个网络中的所有节点的逻辑时钟达到全局一致。进一步，所述步骤S1中，簇内首次时间同步，采用已有的最大一致性时间同步方法进行，首先对于网络中的任意节点i，设置逻辑时钟的斜率补偿参数和偏差补偿参数的初始条件为和每个节点的广播周期为T；同步过程中簇头l＝{1,2,…m}广播消息，簇内节点收到消息后立即回复簇头，两次收到簇内节点的消息后，簇头更新自己的逻辑时钟补偿参数；本步骤只进行两个周期，即簇头和簇内节点只需要进行四次信息交换，每个簇头的逻辑时钟就同步到该簇内最大的逻辑时钟。进一步，所述步骤S2中，簇间时间同步仅是簇头之间同步，所有簇中的普通簇内成员节点都无需通信；具体步骤为：S21：如果簇头节点i本地时钟τi(t)＝kT,k∈N+，即τi(t)的值是周期T的整数倍时，广播其经过步骤S1同步后的本地时钟τi(tk)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数给其簇内网关节点，网关节点收到后将消息转发给簇头节点i的邻居簇头j，此阶段网关节点并不与簇头进行最大一致性同步，只负责消息的转发；S22：当邻居簇头j收到信息之后，簇头j记录下此时的信息并广播给簇头节点j簇内的网关节点，网关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，其特征在于：该方法包括：针对无线传感器网络中的簇型网络拓扑结构，采用基于最大一致性时间同步方法来实现节点之间的时钟同步，以使所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟；所述的时间同步方法由簇头发起，并将时间同步过程分为三个步骤：S1：簇内首次时间同步：使用最大一致性时间同步方法，通过四次信息交换实现每个簇的簇头的逻辑时钟同步到其簇内最大逻辑时钟；S2：簇间时间同步：网络中所有簇头之间进行通信，采用最大一致性时间同步方法进行同步，以使所有簇头节点的时钟同步到网络中的最大逻辑时钟，所有簇头消息的交换都是通过从重叠节点中选出网关节点来负责消息的转发而实现，但该阶段网关节点不与簇头进行一致性时间同步；因此簇间时间同步中所有簇中的普通簇内成员节点都无需通信；S3：簇内再次时间同步：使用最大一致性时间同步方法，通过两次信息交换实现将每个簇头的逻辑时钟扩散到该簇的所有簇内节点，此时，整个网络中的所有节点的逻辑时钟达到全局一致。

【技术特征摘要】
1.一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，其特征在于：该方法包括：针对无线传感器网络中的簇型网络拓扑结构，采用基于最大一致性时间同步方法来实现节点之间的时钟同步，以使所有节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟；所述的时间同步方法由簇头发起，并将时间同步过程分为三个步骤：S1：簇内首次时间同步：使用最大一致性时间同步方法，通过四次信息交换实现每个簇的簇头的逻辑时钟同步到其簇内最大逻辑时钟；S2：簇间时间同步：网络中所有簇头之间进行通信，采用最大一致性时间同步方法进行同步，以使所有簇头节点的时钟同步到网络中的最大逻辑时钟，所有簇头消息的交换都是通过从重叠节点中选出网关节点来负责消息的转发而实现，但该阶段网关节点不与簇头进行一致性时间同步；因此簇间时间同步中所有簇中的普通簇内成员节点都无需通信；S3：簇内再次时间同步：使用最大一致性时间同步方法，通过两次信息交换实现将每个簇头的逻辑时钟扩散到该簇的所有簇内节点，此时，整个网络中的所有节点的逻辑时钟达到全局一致。2.如权利要求1所述的一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，其特征在于：所述步骤S1中，簇内首次时间同步，采用已有的最大一致性时间同步方法进行，首先对于网络中的任意节点i，设置逻辑时钟的斜率补偿参数和偏差补偿参数的初始条件为和每个节点的广播周期为T；同步过程中簇头l＝{1,2,…m}广播消息，簇内节点收到消息后立即回复簇头，两次收到簇内节点的消息后，簇头更新自己的逻辑时钟补偿参数；本步骤只进行两个周期，即簇头和簇内节点只需要进行四次信息交换，每个簇头的逻辑时钟就同步到该簇内最大的逻辑时钟。3.如权利要求1所述的一种降低网络通信量的无线传感器网络一致性时间同步方法，其特征在于：所述步骤S2中，簇间时间同步仅是簇头之间同步，所有簇中的普通簇内成员节点都无需通信；具体步骤为：S21：在执行完步骤S1后，如果簇头节点i本地时钟τi(t)＝kT,k∈N+，即τi(t)的值是周期T的整数倍时，广播其经过步骤S1同步后的本地时钟τi(tk)、时钟斜率的补偿参数和时钟偏差的补偿参数给其簇内网关节点，网关节点收到后将消息转发给簇头节点i的邻居簇头j，此阶段网关节点并不与簇头进行最大一致性同步，只负责消息的转发；S22：当邻居簇头j收到信息之后，簇头j记录下此时的信息并广播给簇头节点j簇内的网关节点，网关节点收到消息后将消息转发给簇头节点j的邻居簇头；S23：周期性重复步骤S21和S22若干次，在k≥1时，簇头i具有信息记录＜τi(tk),τi(tk-1),τj(tk),τj(tk-1)＞；S24：通过公式(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，熊代金，王恒，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50