基于“萤火虫同步”的无线传感器网络分布式时间同步技术研究

发布时间：2018-08-08 18:17

【摘要】：尽管无线传感器测试网络的集中式时间同步技术已经日臻完善，但是其扩展性、抗毁性差以及同步误差随跳数增加而积累的问题一直存在，限制了其应用范围和应用的灵活性。而分布式时间同步方法的出现给解决上述问题提供了可能，它们不需要建立全网路由来分发同步消息，而采用分布式的思想，新加入的节点仅与其相邻节点交换信息，进而通过多点协同的方式实现全网的时间同步。其中最具启发意义的研究是将针对“萤火虫同步”现象的理论研究应用到无线传感器网络时间同步中，而该过程所要面对的难点是无线传感器网络复杂多变的拓扑结构以及随机耦合延迟的存在。 本文在阅读大量有关萤火虫同步现象研究以及无线传感器网络时间同步技术等方面的文献基础上，结合著名的MS模型以及RFA同步机制，提出了改善网络同步性能的WRFA机制、可变耦合强度机制以及应对传输延迟突变的措施。并在硬件验证阶段提出了依靠GPS芯片提供高精度时间基准的同步验证方法，区别于以往串口-数据采集卡-工控机的同步验证方式。本文主要论述如下： 1、描述同步仿真模型的建立过程。首先根据网络节点的随机分布位置以及节点间通讯延迟情况建立网络模型；然后建立节点同步算法的基本数学模型，并针对硬件情况进行模型的离散化、线性化并去除浮点运算；最后在模型中加入测试终端模块，显示网络所有节点的实时相位信息以及节点间的最大相位差随仿真时间的变化规律。 2、针对存在耦合延迟以及网络拓扑变化的情况提出了减小系统同步状态波动的WRFA机制、同时提高同步精度和同步速度的可变耦合强度机制以及应对报文传输延迟突变的机制。然后结合前边建立的仿真模型，对引入的新的机制进行仿真验证，，均能达到期望的结果。 3、最后建立硬件验证平台和验证技术。首先提出利用GPS的高授时精度，为同步方法提供统一的精确的时间基准，一方面避免繁杂的线路连接，另一方面也不会引入过大的不确定性误差。然后介绍硬件的各个功能模块组成。最后利用建立的硬件进行同步方法的初步验证。
[Abstract]:Although the centralized time synchronization technology of wireless sensor test networks has been improved day by day, its scalability, poor survivability and the accumulation of synchronization errors with the increase of hops have always existed, which limits its application scope and flexibility. The emergence of distributed time synchronization method makes it possible to solve the above problems. They do not need to establish the whole network origin to distribute synchronous messages. Instead, the new nodes exchange information with their neighboring nodes only by using the distributed idea. Then the time synchronization of the whole network is realized by multi-point cooperation. The most enlightening research is the application of the theory of "Firefly synchronization" to time synchronization in wireless sensor networks. The difficulties in this process are the complex topology of wireless sensor networks and the existence of random coupling delay. On the basis of reading a lot of literatures about the phenomenon of firefly synchronization and the time synchronization technology of wireless sensor networks, this paper proposes a WRFA mechanism to improve the performance of network synchronization, combining with the famous MS model and RFA synchronization mechanism. The mechanism of variable coupling strength and the measures to deal with the sudden change of transmission delay. In the phase of hardware verification, a synchronous verification method which relies on GPS chip to provide high precision time reference is proposed, which is different from that of serial port, data acquisition card and industrial computer. The main contents of this paper are as follows: 1. The establishment process of synchronous simulation model is described. Firstly, the network model is established according to the random distribution position of network nodes and the communication delay between nodes, and then the basic mathematical model of node synchronization algorithm is established, and the model is discretized according to the hardware situation. Linearize and remove floating-point operations. Finally, test terminal modules are added to the model. The real-time phase information of all nodes in the network and the variation of the maximum phase difference between nodes with simulation time are displayed. 2. In view of the existence of coupling delay and network topology change, the synchronization of the system is reduced. The WRFA mechanism of state fluctuation, At the same time, the mechanism of variable coupling strength to improve synchronization accuracy and synchronization speed and the mechanism to deal with the sudden change of packet transmission delay are proposed. Then combined with the simulation model established in the front, the new mechanism is simulated and verified, which can achieve the desired results. 3. Finally, the hardware verification platform and verification technology are established. Firstly, it is proposed to use the high precision of GPS to provide a unified and accurate time reference for the synchronization method. On the one hand, it can avoid the complicated circuit connection, and on the other hand, it will not introduce too much uncertainty error. Then the composition of each function module of the hardware is introduced. Finally, the synchronization method is preliminarily verified by using the established hardware.
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.5

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本文编号：2172620