無線傳感器網(wǎng)絡時鐘偏差與偏斜聯(lián)合估計與補償算法研究.pdf

1、在無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless sensor networks，WSNs)領域中，時鐘同步技術是研究和應用的熱點之一。時鐘同步是WSNs的一項支撐技術，WSNs的許多關鍵技術與實際應用都依賴于網(wǎng)絡節(jié)點間的時鐘一致，例如數(shù)據(jù)傳輸、目標定位、休眠調度、信息融合等。時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)絡整體系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。
　　近來，時鐘同步的研究集中在統(tǒng)計信號處理方法對于時鐘偏斜和偏差的估計方面，已有工作主要關注于節(jié)

2、點時鐘同步精度，缺乏對整個網(wǎng)絡同步性能的思考和研究。沒有考慮環(huán)境因素對于時鐘偏斜的影響，導致劇烈環(huán)境下誤差很大，無法解決在休眠WSNs中時鐘同步問題。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，結合無線傳感器網(wǎng)絡信息傳播的廣播特性，建立了基于PBS(Pairwise BroadcastSynchronization Protocol)協(xié)議的時鐘通信模型和改進的模型，該協(xié)議能夠使得節(jié)點本身不發(fā)射探測消息，僅通過分

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

4、br>　　再次，針對傳感器網(wǎng)絡協(xié)同處理的特性，在估計節(jié)點位置信息的同時，估計時鐘偏斜和偏差。結合了實際場景中傳感器節(jié)點的測量誤差，通信時延等，第一個建立了節(jié)點自身時鐘偏斜、偏差和位置的數(shù)學模型?？紤]到估計算法是非線性問題，且參數(shù)變量非常多，采用了偽線性分析的方法，進行了最小二乘估計(Least Square，LS)，接著利用LS的估計值構造合理的加權矩陣，對模型進行加權最小二乘估計。最后通過誤差補償?shù)腃WLS算法，解決了偽線性假設中參數(shù)

5、耦合造成估計不精準的問題。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，并克服了時鐘漂移隨著時間的不斷增加而越界的缺陷。該方法使得時間同步的計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鐘偏斜預測模型，并且利用最小二乘方法解決該問題;設計一個溫度補償?shù)臅r鐘同步協(xié)議，用