面向交通監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信形成的一個(gè)多跳自組織分布式系統(tǒng),它為解決相關(guān)交通監(jiān)測(cè)問題提供一種新的理論和方法。時(shí)間同步作為面向交通監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)基礎(chǔ)支撐技術(shù),對(duì)于實(shí)現(xiàn)基于時(shí)分復(fù)用機(jī)制的鏈路層協(xié)議或路由協(xié)議、交通狀態(tài)感知節(jié)點(diǎn)的協(xié)作感知以及網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合等起著至關(guān)重要的作用。本文以面向交通監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為研究背景,針對(duì)其時(shí)間同步中的若干關(guān)鍵問題展開了深入研究,主要研究工作如下:
　　(1)

2、針對(duì)非樹狀層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中如何以較少同步報(bào)文開銷實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步問題,提出了一種基于兩跳鄰居信息的貪婪性同步拓?fù)渌惴āＴ撍惴ㄊ紫壤酶倪M(jìn)的泛洪型層探測(cè)方法構(gòu)建非樹狀層次型結(jié)構(gòu);然后提出了基于兩跳鄰居信息的貪婪性廣播元組篩選策略;最后通過 MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)比驗(yàn)證所提出方法的同步報(bào)文開銷;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同仿真條件下,基于兩跳鄰居信息的貪婪性同步拓?fù)錁?gòu)建方法在非樹狀層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的同步報(bào)文開銷相比 GPA、DMSP、TPSN等

3、算法均表現(xiàn)出良好的能量有效性和優(yōu)越性。
　　(2)針對(duì)樹狀層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中如何以能量有效性的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步問題,提出了一種基于單跳鄰居信息的貪婪性同步拓?fù)渌惴?。該算法首先利用已有分簇路由協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)成簇方法和同層節(jié)點(diǎn)的鄰居握手協(xié)議構(gòu)建樹狀層次型結(jié)構(gòu);然后提出了基于單跳鄰居信息的貪婪性廣播元組篩選策略;最后通過 MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)比驗(yàn)證所提出方法的同步報(bào)文開銷;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同仿真條件下,基于單跳鄰居信息的貪婪性同

4、步拓?fù)錁?gòu)建方法在樹狀層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的同步報(bào)文開銷相比 TPSN、ERTSP、CCS、HRTS等算法均表現(xiàn)出良好的能量有效性和優(yōu)越性。
　　(3)針對(duì)貪婪性同步拓?fù)錀l件下的時(shí)鐘偏差估計(jì)問題,提出了一種基于高斯時(shí)延模型的 WSN時(shí)間同步算法。該算法首先利用貪婪性廣播元組的無線廣播特性實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間本地時(shí)間戳的局部共享;其次根據(jù)一階線性時(shí)鐘模型建立節(jié)點(diǎn)間本地時(shí)間戳的相互依賴關(guān)系;然后圍繞層內(nèi)與層間時(shí)鐘偏差的估計(jì)問題,分別設(shè)計(jì)基于高斯時(shí)延模

5、型的層內(nèi)時(shí)鐘偏差估計(jì)方法和層間時(shí)鐘偏差估計(jì)方法;最后通過 MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)比驗(yàn)證所提出方法的同步精度;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于高斯時(shí)延模型的 WSN時(shí)間同步算法能夠以較高的同步精度適用于貪婪性同步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),同時(shí)其層內(nèi)時(shí)鐘偏差估計(jì)算法的同步精度相比 RBS、TPSN、RTSP以及 HRTS算法,分別提高22.51 s?、14.64 s?、3.17 s?和1.5 s?;層間時(shí)鐘偏差估計(jì)算法的平均同步誤差低于 TPSN算法,且相比 TPSN算

6、法提升5.29 s?。
　　(4)針對(duì)貪婪性同步拓?fù)錀l件下低同步能耗與高同步精度的均衡問題,提出了一種基于分量解耦融合的 WSN時(shí)間同步算法。該算法首先根據(jù)貪婪性同步拓?fù)渲懈黝惞?jié)點(diǎn)本地時(shí)間戳間的相互依賴關(guān)系,建立有關(guān)層內(nèi)節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘偏差的兩種估計(jì)方式;然后利用多傳感器信息的分量解耦融合計(jì)算層內(nèi)節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘偏差的融合值,并以最小均方誤差為原則估計(jì)分量解耦過程中引入的加權(quán)參數(shù);最后通過仿真實(shí)驗(yàn)分析所提出算法的有效性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于分量

7、解耦融合的時(shí)間同步算法能夠在不增加額外同步能耗的條件下進(jìn)一步提高時(shí)間同步的精度,而且在同步報(bào)文開銷均為40的仿真條件下,時(shí)間同步精度與 TSP-GDM-IL、PBS、ERTSP、TPSN、RBS算法相比,分別提高4.02 s?、4.52 s?、7.19 s?、13.8 s?以及25.48 s?。
　　(5)構(gòu)建了一種面向交通監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案首先描述了時(shí)間同步測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu);然后在測(cè)試系統(tǒng)中

8、融入了基于兩跳鄰居信息的貪婪性同步拓算法、基于單跳鄰居信息的貪婪性同步拓?fù)渌惴?、基于高斯時(shí)延模型的 WSN時(shí)間同步算法以及基于分量解耦融合的 WSN時(shí)間同步算法的核心思想,實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步拓?fù)涞臉?gòu)建、在線同步軟件的設(shè)計(jì)以及離線同步軟件的設(shè)計(jì);最后通過設(shè)定測(cè)試場(chǎng)景對(duì)比分析了時(shí)間同步測(cè)試系統(tǒng)的同步報(bào)文開銷與同步精度;實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,基于貪婪性廣播元組的層次型同步拓?fù)錁?gòu)建方法和基于高斯時(shí)延模型的時(shí)間偏差估計(jì)能夠以良好的能量有效性和較高的時(shí)間同