無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式時(shí)間同步算法研究.pdf

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)在社會(huì)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(shí)間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它對(duì)于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、協(xié)同傳輸、網(wǎng)絡(luò)安全以及目標(biāo)跟蹤等具有重要意義。理論研究和工程實(shí)踐表明：時(shí)間同步是將理論研究轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的主要瓶頸問題。論文基于這些事實(shí)背景，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式時(shí)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(chǔ)及計(jì)算能力受限的特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方案時(shí)，不能有太復(fù)雜的計(jì)算和路由選擇。為了實(shí)現(xiàn)快速時(shí)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(shí)間同步廣播同步算法。各個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播自己當(dāng)前的時(shí)鐘信息，對(duì)應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)接收到這些信息后，對(duì)接收到的信息做簡單的算術(shù)平均，將平均值作為下一個(gè)時(shí)刻的時(shí)鐘刻度再進(jìn)行廣播，此過程反復(fù)進(jìn)行，最終會(huì)使網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘達(dá)到一個(gè)相同的平均值，從而實(shí)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(diǎn)只接收來自鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播信息，故該方案無復(fù)雜的路由選擇，并且計(jì)算簡單、收斂快速、能耗較低。
　　2.針對(duì)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(shí)間同步方案。這種方案在同一時(shí)刻可以允許有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)廣播時(shí)間信息，處于這些節(jié)點(diǎn)廣播域中的節(jié)點(diǎn)分別接收并按照廣播算法更新時(shí)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(diǎn)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(shí)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(duì)傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法中存在的計(jì)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(gè)生成樹，然后依次對(duì)生成樹每條邊的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信息進(jìn)行Gossip運(yùn)算，此過程反復(fù)進(jìn)行，最終可使網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信息收斂于它們初始時(shí)鐘信息的平均值。多Gossip同步算法對(duì)生成樹進(jìn)行邊

5、染色，相同染色的邊可以同時(shí)進(jìn)行Gossip運(yùn)算。這兩種同步算法減小了消息交換數(shù)，降低了計(jì)算復(fù)雜度，提高了同步收斂速度。
　　4.提出了一種增強(qiáng)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(diǎn)對(duì)的時(shí)鐘信息交換過程中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)鐘信息時(shí)，處于發(fā)送節(jié)點(diǎn)廣播域中的其他節(jié)點(diǎn)也能收到此信息。這些節(jié)點(diǎn)將接收到的時(shí)鐘信息和本地時(shí)鐘信息的平均值作為自己的更新時(shí)鐘。這樣的過程在每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)之間反復(fù)進(jìn)行，最終可使

6、網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信息收斂到某一個(gè)固定值，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)時(shí)間同步。該算法也考慮了無線信道衰落和隨機(jī)延遲對(duì)增強(qiáng)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(shí)間同步方案是按線性規(guī)則進(jìn)行時(shí)鐘更新的。然而在很多實(shí)際情況中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的算法可能需要非線性設(shè)計(jì)，所以論文也研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的非線性平均時(shí)間同步方案。網(wǎng)絡(luò)中的相鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信息交換后按照一種非線性規(guī)則進(jìn)行時(shí)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