無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式時間同步算法研究.pdf

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)在社會需求方面的迅速增長，作為物聯(lián)網(wǎng)核心組成部分—無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的重視。時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵技術(shù)，它對于實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、協(xié)同傳輸、網(wǎng)絡(luò)安全以及目標跟蹤等具有重要意義。理論研究和工程實踐表明：時間同步是將理論研究轉(zhuǎn)化為實踐的主要瓶頸問題。論文基于這些事實背景，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式時間同步算法做了較為詳盡的探討，主要工作和創(chuàng)新如下：
　　1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)缺乏基礎(chǔ)設(shè)施、具有分布式、能

2、量受限、存儲及計算能力受限的特點，因此在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方案時，不能有太復(fù)雜的計算和路由選擇。為了實現(xiàn)快速時間同步和降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，論文研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步廣播同步算法。各個節(jié)點廣播自己當前的時鐘信息，對應(yīng)的鄰居節(jié)點接收到這些信息后，對接收到的信息做簡單的算術(shù)平均，將平均值作為下一個時刻的時鐘刻度再進行廣播，此過程反復(fù)進行，最終會使網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的時鐘達到一個相同的平均值，從而實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式同步，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)

3、點只接收來自鄰居節(jié)點的廣播信息，故該方案無復(fù)雜的路由選擇，并且計算簡單、收斂快速、能耗較低。
　　2.針對大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法快速性的需求，提出一種基于多廣播Gossip同步算法的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方案。這種方案在同一時刻可以允許有多個節(jié)點同時廣播時間信息，處于這些節(jié)點廣播域中的節(jié)點分別接收并按照廣播算法更新時鐘信息。為了避免通信沖突和接收混亂，本方案依據(jù)圖論要求廣播節(jié)點之間的距離等于三。該算法可以提高無線傳感器

4、網(wǎng)絡(luò)時間同步的收斂速度和同步精度，并且可以降低網(wǎng)絡(luò)能耗。
　　3.針對傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法中存在的計算復(fù)雜度高和同步收斂速度慢等問題，提出單Gossip同步算法和多Gossip同步算法。單Gossip同步算法首先利用構(gòu)造生成樹算法得到一個生成樹，然后依次對生成樹每條邊的兩個節(jié)點的時鐘信息進行Gossip運算，此過程反復(fù)進行，最終可使網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點的時鐘信息收斂于它們初始時鐘信息的平均值。多Gossip同步算法對生成樹進行邊

5、染色，相同染色的邊可以同時進行Gossip運算。這兩種同步算法減小了消息交換數(shù)，降低了計算復(fù)雜度，提高了同步收斂速度。
　　4.提出了一種增強型Gossip同步算法，該算法利用無線信道的廣播特性來提高同步性能。在節(jié)點對的時鐘信息交換過程中，一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送時鐘信息時，處于發(fā)送節(jié)點廣播域中的其他節(jié)點也能收到此信息。這些節(jié)點將接收到的時鐘信息和本地時鐘信息的平均值作為自己的更新時鐘。這樣的過程在每個節(jié)點對之間反復(fù)進行，最終可使

6、網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的時間信息收斂到某一個固定值，從而實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)時間同步。該算法也考慮了無線信道衰落和隨機延遲對增強型Gossip同步算法的影響。
　　5.目前許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均時間同步方案是按線性規(guī)則進行時鐘更新的。然而在很多實際情況中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的算法可能需要非線性設(shè)計，所以論文也研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的非線性平均時間同步方案。網(wǎng)絡(luò)中的相鄰居節(jié)點時鐘信息交換后按照一種非線性規(guī)則進行時鐘信息更新。該規(guī)則必須符合一定的條件才能使網(wǎng)絡(luò)所有