无线传感网的时钟同步方案研究

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无线传感网(Wireless Sensor Network,WSN)飞速发展,近年来广泛应用于军事、农业、工业以及各种领域。而许多应用如数据采集、测距定位、低功耗休眠等,都需要时钟同步技术作为其重要支撑。所以,如何在复杂环境、能量供给、网络安全等因素的影响下实现低成本无线传感网的高精度时钟同步是一个非常有价值的研究课题。本文综述了国内外经典无线传感网时钟同步算法及其最新研究进展,并对现有算法进行了研究与改进。本文的主要研究点如下:考虑到无线网络的开放性,无线传感器节点在通信时易受到干扰或攻击。而在时钟同步的过程中,节点需要频繁交换时间戳信息,此时节点易收到误差较大的时间戳信息(离群时间戳)。现有无线传感网时钟同步算法主要使用最小二乘线性回归来计算时钟漂移与时钟偏移,而最小二乘线性回归在存在离群时间戳时同步精度会大大降低。针对这种情况,本文提出了基于稳健回归的时钟同步方案并且优化了稳健回归的加权函数,在存在离群时间戳时仍能保证同步精度,提升了无线传感网时钟同步的稳定性与鲁棒性。测试结果表明,在离群时间戳存在的情况下,基于稳健回归的时钟同步算法比基于最小二乘线性回归的时钟同步算法的同步精度要高70.6%,优化后的加权函数相较于优化前同步精度提升了 26.3%。此外,方案中还包括基于系统帧号的时间戳编码算法,可减小通信开销;基于多天线的收发时延补偿算法,可精确计算信号的传播时延。在大型复杂无线传感网时钟同步的场景中,现有时钟同步选举主时钟节点的算法有考虑节点度中心性的、考虑节点介数中心性的、考虑节点时钟质量的等等,均考虑不够全面。K-Shell算法是经典的复杂网络重要节点辨识算法,综合考虑节点的度与节点在网络中的位置来衡量节点重要性。本文对K-Shell算法进行了改进,提出了评估局部中心性的 K-Shell-Local-Centrality(KSLC)算法,解决了 K-Shell 算法同层节点重要性无法区分的问题。再将其与PTP协议中考虑节点时钟质量选取主时钟节点的最佳主时钟选取算法(Best Master Clock BMC)相结合,提出了一种基于KSLC-BMC的主时钟选取算法,可综合考虑网络拓扑结构与节点时钟质量,选举出最优的主时钟节点。最后配合基于广度优先的网络拓扑生成算法,减少网络拓扑的跳数,使得全网节点的同步误差尽量小。经过仿真测试,相比于现有的主时钟选取算法,KSLC-BMC算法生成的网络拓扑跳数较少,在网络整体时钟同步误差平均减少了 24.3%。
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