分布式无线网络时间同步协议设计与建模优化

摘要

分布式无线网络是由一系列地位完全平等的移动节点组成的多跳、临时性的自组织系统,主要包括无线ad hoc网络、无线传感器网络和无线Mesh网络。分布式无线网络时间同步是指网络中的各节点采用分布式的方法调整各自的时钟时间,从而实现全网节点时间的统一。时间同步的实现可以保证网络中各节点协同完成各种分布式的任务,比如节点的周期休眠、基于时分多址的媒质接入控制、各节点之间的数据聚合等。因此,如何高效而准确的实现全网时间的同步成为了国内外学术界广泛关注的热点研究问题。本文分别从互时间同步协议和主从时间同步协议两方面进行了研究,其中互时间同步协议被广泛用于无线ad hoc网络,而主从时间同步协议则更多的应用于无线传感器网络。围绕该研究目标,本文的主要创新点包括:
　　(1)在现有互时间同步协议的研究基础上,首先给出了新的信标帧竞争机制。该机制采用完全分布式的方法,保证每个信标周期内至少完成一次信标帧的成功传输。然后指出,退避参数W的取值对互时间同步的性能有重要影响。最后针对互时间同步的过程,提出了一种二维马尔科夫链模型,用于分析给定网络规模条件下节点成功完成信标帧传输需要的时间与退避参数W的定量关系。通过模型的求解,即可得到在每个信标周期内使得互时间同步性能最优的退避参数W的值。模型求解得到的理论结果与EXata网络仿真环境下的仿真结果的比较证明了该模型的有效性。
　　(2)在对现有的三种主从时间同步协议进行介绍和对比之后,首先指出基于双向同步报文交换实现时间同步的协议具有更加广阔的应用价值,然后分析了TPSN在处理同步报文冲突方法上的不足之处,进而提出了一种高效冲突避免的主从时间同步协议。该协议将全网节点构建成一个树状分层结构,并由主节点通过广播req_syn报文发起每个同步周期内的时间同步过程。针对子节点的应答过程,提出了一种二维马尔科夫链模型来分析子节点竞争窗口的取值对回复过程完成时间的影响。通过模型的求解,即可得到在竞争节点数量一定的情况下,子节点回复rep_syn报文的最优竞争窗口的值。父节点收到所有子节点的应答后,再次通过广播res_syn报文即可完成所有子节点的时间同步,从而大大减少了每个同步周期中需要发送的同步报文数量。在检测到信道发送冲突时,父节点通过广播 col_syn报文及时将冲突情况告知子节点,提高了时间同步的成功率。EXata网络仿真环境下的仿真实验验证明了马尔科夫链模型和该协议的有效性。

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图表清单

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2分布式无线网络时间同步概述

1.3 本文研究工作思路及意义

1.4 论文组织结构

第二章 分布式无线网络时间同步协议的演化与发展

2.1互时间同步协议的概述

2.2主从时间同步协议的概述

2.3 本章小结

第三章 互时间同步过程建模与退避参数优化

3.1 引言

3.2互时间同步协议规约

3.3建模与退避参数优化

3.4 模型有效性验证

3.5 本章小结

第四章 实现高效冲突避免的主从时间同步协议设计

4.1 引言

4.2 TSCA协议的基本思想

4.3子节点应答过程建模与退避参数优化

4.4 仿真结果与分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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