無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘偏差與偏斜聯(lián)合估計(jì)與補(bǔ)償算法研究.pdf

1、在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor networks，WSNs)領(lǐng)域中，時(shí)鐘同步技術(shù)是研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。時(shí)鐘同步是WSNs的一項(xiàng)支撐技術(shù)，WSNs的許多關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用都依賴于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘一致，例如數(shù)據(jù)傳輸、目標(biāo)定位、休眠調(diào)度、信息融合等。時(shí)鐘同步的好壞直接決定了以數(shù)據(jù)為中心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。
　　近來，時(shí)鐘同步的研究集中在統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理方法對于時(shí)鐘偏斜和偏差的估計(jì)方面，已有工作主要關(guān)注于節(jié)

2、點(diǎn)時(shí)鐘同步精度，缺乏對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步性能的思考和研究。沒有考慮環(huán)境因素對于時(shí)鐘偏斜的影響，導(dǎo)致劇烈環(huán)境下誤差很大，無法解決在休眠WSNs中時(shí)鐘同步問題。針對以上所述的研究中存在的問題，本文的主要工作如下:
　　首先，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳播的廣播特性，建立了基于PBS(Pairwise BroadcastSynchronization Protocol)協(xié)議的時(shí)鐘通信模型和改進(jìn)的模型，該協(xié)議能夠使得節(jié)點(diǎn)本身不發(fā)射探測消息，僅通過分

3、析接收到的消息估算自己的時(shí)鐘漂移和偏差，為WSNs尤其是休眠傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步提供了有效解決方案，使得節(jié)點(diǎn)通信能耗大大降低。利用虛擬變量的引入，引消除了非線性項(xiàng)，利用偽線性最小二乘對模型進(jìn)行求解，給出了閉環(huán)解析解。并給出最大似然估計(jì)(Maximum Likelihood，ML)和克拉美羅(Cramér-Rao lowerbound，CRLB)下限，仿真結(jié)果顯示在關(guān)注同步精度的同時(shí)，使得算法復(fù)雜度降低，有效的節(jié)省了節(jié)點(diǎn)計(jì)算所耗的能量。<

4、br>　　再次，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同處理的特性，在估計(jì)節(jié)點(diǎn)位置信息的同時(shí)，估計(jì)時(shí)鐘偏斜和偏差。結(jié)合了實(shí)際場景中傳感器節(jié)點(diǎn)的測量誤差，通信時(shí)延等，第一個(gè)建立了節(jié)點(diǎn)自身時(shí)鐘偏斜、偏差和位置的數(shù)學(xué)模型?？紤]到估計(jì)算法是非線性問題，且參數(shù)變量非常多，采用了偽線性分析的方法，進(jìn)行了最小二乘估計(jì)(Least Square，LS)，接著利用LS的估計(jì)值構(gòu)造合理的加權(quán)矩陣，對模型進(jìn)行加權(quán)最小二乘估計(jì)。最后通過誤差補(bǔ)償?shù)腃WLS算法，解決了偽線性假設(shè)中參數(shù)

5、耦合造成估計(jì)不精準(zhǔn)的問題。給出了該算法的CRLB下限并理論分析了CWLS算法的均方誤差(Mean Squared Error, MSE)。仿真證明，位置估計(jì)非常接近CRLB，位置精度優(yōu)于其他閉環(huán)解析解，并克服了時(shí)鐘漂移隨著時(shí)間的不斷增加而越界的缺陷。該方法使得時(shí)間同步的計(jì)算不需要額外通信開支，有效節(jié)省了通信能耗。
　　最后，本文提出了基于溫度變化的時(shí)鐘偏斜預(yù)測模型，并且利用最小二乘方法解決該問題;設(shè)計(jì)一個(gè)溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)鐘同步協(xié)議，用