LSTS算法下带随机有界时延的WSNs时钟同步误差研究

摘要

时钟同步研究是无线传感器网络的一个重要课题。无线传感器网络的很多应用，如环境监测、目标追踪等，均要求所有传感器节点有一个共同的时间参考，因此研究时钟同步问题有着重要的意义。鉴于通信时延是随机有界的条件下无线传感器网络中各个节点的时钟不能达到完全同步，本文采用国际最新的基于最小二乘估计的一致性时钟同步算法(LSTS算法)研究了无线传感器网络的同步误差问题，重点研究了节点间同步误差的影响因素，同时研究了小世界理论对网络同步误差和收敛时间的影响，最后通过实验对ATS、MTS和LSTS三种算法进一步对比分析。
　　本研究主要内容包括：⑴节点间同步误差影响因素的仿真分析。采用Matlab进行的仿真计算表明在LSTS同步算法下，不同节点间的同步误差存在明显差别。在规则网络上的仿真结果表明，被比较的节点间距离、节点间度数差以及拓扑的对称性对节点间同步误差有重要影响。⑵小世界特性对无线传感器网络影响的研究。将小世界理论引入到WSNs，在单环形拓扑结构基础上构造NW小世界网络，加边概率p改变会导致网络节点度数和网络平均路径长度的变化。在节点间通信时延随机有界的条件下，Matlab仿真统计结果表明当概率p改变时，基于LSTS时钟同步算法得到的网络同步误差、收敛时间会随概率p发生变化。⑶三种完全分布式算法的实验对比分析。在相同实物节点平台上比较了毫秒级别时延情况下ATS、MTS和LSTS三种完全分布式算法的实验同步效果，结果表明LSTS算法同步性能更优。进一步对LSTS算法的鲁棒性进行验证，并分析了试验中不安全信息对同步误差带来的振荡现象并给出保证信息安全有效的对策。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 传感器网络概述

1．2．1 无线传感器网络研究

1．2．2 无线传感器网络的体系结构

1．2．3 无线传感器网络特点

1．3 时钟同步问题

1．3．1 概述

1．3．2 时间同步性能指标

1．3．3 时间同步技术应用背景

1．4 本文主要研究内容

1．5 论文结构

第二章 无线传感器网络时钟同步

2．1 时间同步协议介绍

2．1．1 PTP协议

2．1．2 WSNs时间同步协议

2．2 时延和时钟模型

2．2．1 时延

2．2．2 节点时钟模型

2．2．3 逻辑时钟模型

2．3 基于一致性的分布式同步算法

2．3．1 ATS算法

2．3．2 WMTS算法

2．3．3 LSTS算法

2．4 本章小结

第三章 时钟同步误差的影响因素

3．1 节点间距离与度数差的影响

3．1．1 距离影响

3．1．2 度数差影响

3．2 对称性

3．2．1 对称VS非对称

3．2．2 对称的本质

3．3 有向线形图

3．4 本章小结

第四章 小世界网络的时钟同步误差

4．1 小世界网络概述

4．1．1 小世界效应

4．1．2 小世界网络的定义

4．1．3 小世界网络的特征量

4．2 小世界WSNs

4．2．1 小世界WSNs时钟同步的衡量标准

4．2．2 小世界WSNs的构造过程

4．3 同步误差

4．3．1 同步误差统计特性

4．3．2 误差变化分析

4．4 收敛时间

4．5 本章小结

第五章 一致性同步算法的实验比较

5．1 实验平台介绍

5．1．1 硬件

5．1．2 节点分类

5．1．3 操作系统与语言

5．2 实验结果比较与分析

5．3 算法的鲁棒性

5．3．1 节点失效

5．3．2 新节点加入

5．4 数据安全

5．4．1 实验现象

5．4．2 解决方案

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文