无线传感器网络中的时钟同步方法研究

摘要

在无线传感器网络中，各网络节点由于成本限制其装备的时钟精度均有限，伴随着时间的推移各节点时钟之间的差异会越来越大，且随着网络的大型化，这一现象会越来越严重。然而，无线传感器网络的许多重要基本功能，都要求网络中的节点保持相对统一的时间刻度，所以目前关于无线传感器网络中的时钟同步问题越来越得到重视。
　　本文针对无线传感器网络中的单跳时钟同步以及全网时钟同步问题，围绕时不变时钟模型以及时变时钟模型这两类时钟模型进行了研究。在进行算法研究之前，首先介绍了网络节点时钟的建模方式，包括时不变的时钟模型，以及时变的二阶、三阶线性时变模型，并通过仿真研究了时变模型的特性；介绍了三种时钟同步中主流的节点间信息交互方式，并基于其中的发送者一接收者双向同步展开对时钟同步算法的后续研究。
　　在针对时不变时钟模型的时钟同步算法研究中，本文首先研究了最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation，MLE)算法在时钟同步中的应用。然后，针对其运算量较大的问题研究了一种改进的MLE算法，并通过仿真实验对比了两种MLE算法的时钟同步性能。接下来，将递归最小二乘(Recursive Least Square．RLS)算法以及一种改进的ERLS-DCD算法(Exponentially weighted RLS algorithmwith Dichotomous Coordinate Descent)引入到时钟同步中，并仿真对比了两种算的同步性能。
　　然后，本文研究了基于时变时钟模型的自适应时钟同步算法。首先，推导了自适应时钟同步的状态方程以及观测方程，然后介绍了卡尔曼滤波算法以及H∞滤波算法并将其引入至时钟同步中，通过仿真实验验证了两种算法的时钟同步性能。
　　最后，本文还研究了全网络的时钟同步算法。首先，研究了层级树式的全网时钟同步方式，并通过实验对比了卡尔曼滤波算法以及H∞滤波算法在层级树式同步框架下各层级的同步误差。接下来，介绍了全分布式的Consensus全网时钟同步算法并仿真研究了该算法的同步性能，然后针对该算法对传输延时敏感的缺点，提出了一种改进的Consensus同步算法，并在仿真实验中对两种算法在有传输延时条件下的性能进行了对比，结果表明改进的Consensus算法的精度要高于原算法。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 传感器网络节点时钟模型研究

2.1 时不变时钟模型

2.2 时变时钟模型

2.3 本章小结

第三章 基于时不变时钟模型的同步方法研究

3.1 时钟同步中的信息传输延时

3.2 三种时钟同步机制的介绍

3.3 基于时不变时钟的同步算法研究

3.4 本章总结

第四章 基于时变时钟模型的同步方法研究

4.1 自适应时钟同步系统模型

4.2 自适应的同步算法

4.3 仿真实验

4.4 本章总结

第五章 全局时钟同步研究

5.1 层级树式全网时钟同步

5.2 分布式Consensus全网时钟同步

5.3 改进的Consensus全网时钟同步

5.4 本章总结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果