无线传感器网络时间同步算法研究

发布时间：2017-05-05 10:09

  本文关键词：无线传感器网络时间同步算法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微机电系统、片上传感器、无线通信和网络等技术的进步推动了无线传感器网络研究的兴起。作为其支撑技术之一的时间同步机制也受到广泛关注,成为无线传感器网络的研究热点。针对现有无线传感器网络时间同步算法的不足,本论文在基于簇的多用户网络的可变精度时间同步算法设计、分布式一致时间同步的加速算法设计以及层次型一致性时间同步算法设计三方面开展了研究工作。 针对固定精度时间同步算法无法高能效地服务于多用户无线传感器网络的问题,提出了一种轻量级的可变精度时间同步算法。首先通过对簇内同步误差进行分解和建模得到了同步误差与同步周期的近似正比例关系,以及使该比例关系成立的条件;然后设计了保证误差-周期比例关系成立的基本时间同步算法,并在其基础上加入自适应同步周期调整机制以实现可变精度时间同步,其搜索到目标同步周期的速度和准确性都高于现有的自适应时间同步算法。 平面型、分布式一致时间同步算法具有良好的鲁棒性和可扩展性,但是它收敛速度慢,不利于在大规模网络中的应用。通过将分布式一致时间同步的迭代过程映射到马尔可夫域,分析了其在循环网和类均匀网中的收敛速度与节点邻居数分布以及网络规模的关系。在此基础上提出了基于邻居数分布调整的分布式一致时间同步加速算法,并讨论了加速算法的邻居数选择策略以平衡算法的加速效果和节点通信功耗。 针对平面型、分布式一致时间同步算法通信开销大的问题,提出了基于簇树混合结构和基于被动分簇的两种层次型一致性时间同步算法,通过把节点划分为多个簇,并以簇为单位进行一致性同步,极大地降低了平面型、分布式一致时间同步算法的同步通信开销。同时,被动分簇可以缩短一致性同步路由关键路径的长度,有利于减小全网同步误差和加速一致性同步的收敛,因此基于被动分簇的层次型一致性时间同步算法还获得了优于平面型、分布式一致时间同步算法的同步精度和收敛速度性能。
【关键词】：无线传感器网络 时间同步 可变精度 一致性 分簇
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-22
• 1.1 无线传感器网络概述10-14
• 1.1.1 无线传感器网络的研究背景10-11
• 1.1.2 无线传感器网络的特点11-13
• 1.1.3 无线传感器网络的体系结构和关键技术13-14
• 1.2 无线传感器网络的时间同步14-18
• 1.2.1 无线传感器网络的时间同步需求14-15
• 1.2.2 无线传感器网络时间同步的技术挑战15-16
• 1.2.3 无线传感器网络时间同步的性能指标16
• 1.2.4 无线传感器网络时间同步的研究现状16-18
• 1.3 论文的研究目的18-19
• 1.4 论文的研究内容和结构划分19-22
• 第2章 无线传感器网络时间同步相关理论和技术22-33
• 2.1 概述22
• 2.2 本地时间戳标记22-25
• 2.2.1 消息传输延迟分析23-25
• 2.2.2 延迟不确定性的减小和排除技术25
• 2.3 同步消息交换25-27
• 2.4 参考时间估计27-32
• 2.4.1 时钟模型27-28
• 2.4.2 参考时间转换模型28-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 轻量级可变精度时间同步算法33-52
• 3.1 概述33-34
• 3.2 网络模型34
• 3.3 簇内同步误差建模和分析34-36
• 3.4 轻量级可变精度时间同步算法36-44
• 3.4.1 基本时间同步37-41
• 3.4.2 自适应同步周期调整41-44
• 3.5 性能分析44-50
• 3.5.1 实验平台和参数设置44-45
• 3.5.2 ATS算法的同步性能45-47
• 3.5.3 自适应ATS算法的同步性能47-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第4章 分布式一致时间同步的加速算法52-71
• 4.1 概述52-55
• 4.2 网络模型55-56
• 4.3 迭代更新模型56-57
• 4.4 收敛分析57-62
• 4.4.1 收敛性分析58
• 4.4.2 收敛速度分析58-62
• 4.5 加速算法设计62-66
• 4.5.1 算法描述63-65
• 4.5.2 有效加速邻居比65-66
• 4.6 性能分析66-69
• 4.6.1 加速效果67-68
• 4.6.2 规则类均匀网的有效加速邻居比68-69
• 4.7 本章小结69-71
• 第5章 层次型一致性时间同步算法71-91
• 5.1 概述71
• 5.2 网络模型71-72
• 5.3 一致性时间同步模型72-74
• 5.4 基于簇树混合结构的AC-CTS算法74-79
• 5.4.1 拓扑建立阶段74-75
• 5.4.2 时间同步阶段75-79
• 5.5 基于被动分簇的PC-CTS算法79-83
• 5.5.1 拓扑建立阶段79-81
• 5.5.2 时间同步阶段81-83
• 5.6 性能分析83-90
• 5.6.1 同步误差83-86
• 5.6.2 收敛速度86-87
• 5.6.3 同步通信开销87-90
• 5.7 本章小结90-91
• 第6章 总结和展望91-94
• 6.1 本文的主要贡献91-92
• 6.2 进一步的研究工作92-94
• 参考文献94-102
• 致谢102-104
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果104

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