多跳无线网络中分布式时间同步算法研究

来源 :重庆邮电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bbq2004_83
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近年来,随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)在工业物联网等领域的快速普及与应用,时间同步作为一种传感器设备的基础技术得到了广泛的研究,如何在保持高精度时间同步的情况下实现更低的能量消耗和计算复杂度是如今研究的热点。基于互联网协议第六版(Internet Protocol Version 6,IPv6)的低功耗有损网络路由协议(IPv6 Routing Protocol for Low-Powr and Lossy Networks,RPL)是WSN中一种流行的路由实现方案,广泛应用于多跳的分布式WSN场景并且已形成标准。因此,本文在现有RPL路由协议的基础上对多跳的分布式时间同步算法进行了研究,其主要研究内容及创新工作如下:首先,针对时间同步所导致的WSN节点能量消耗增加和计算复杂度高的问题,本文提出了一种多跳场景下的分布式时间同步算法。该算法对精确时间协议(Precision Time Protocol,PTP)进行改进,并与媒体接入控制(Media Access Control,MAC)层的确认(Acknowledgement,ACK)机制进行结合,通过在ACK帧中加入时间同步信息实现了一种三步单向时间同步算法。当待同步节点完成一轮时间同步信息收集后,通过对参考节点的时钟频率和时钟相位进行估计从而实现时间同步。该算法在RPL路由协议的组网阶段利用单播控制报文进行初始同步,在入网后利用数据包的不断传输实现持续的时间同步。由于不需要额外的时间同步通信,WSN节点的能量效率得到明显提升。其次,由于父节点的时钟频率变化率(Varying Rate of Skew,VRS)与子节点的VRS差异越大,子节点的时间同步精度越差。因此,考虑到父节点VRS对时间同步的影响,本文提出了一种基于改进RPL的时间同步算法。该算法在RPL的组网阶段使待入网节点收集所有邻居节点的VRS并计算出与自身VRS相减得到的相对VRS(Relative VRS,RVRS)。另外,本文设计了一种新型的目标函数,将RVRS和期望传输次数(Expected Transmission Count,ETX)结合为复合路由度量,使待入网节点能够一直选择RVRS较小的节点作为自己的父节点,以实现与父节点的时间同步误差最小化。由于网络中所有节点均能向最优的父节点进行时间同步,因此WSN的全网时间同精度得到进一步提高。最后,使用Contiki-NG物联网操作系统内置的Cooja网络仿真平台对提出的两个算法进行了实验仿真。实验结果证明,本文提出的两个算法在时间同步精度和能量效率方面有显著提升。
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